劉金龍，祝 磊，肖 赟

(合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

針對海床的特殊地質(zhì)條件，自1990年以來出現(xiàn)了一種海洋平臺特殊基礎(chǔ)形式——桶形基礎(chǔ)(也稱吸力樁，suction pile)，其多為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶。安裝時，首先在預(yù)定海域依靠桶體自重使其部分插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)和土體之間的氣體或液體，從而使桶體內(nèi)外形成壓力差，逐步壓入至海床內(nèi)預(yù)定深度完成安裝[1-3]。

桶形基礎(chǔ)利用桶內(nèi)外壓力差貫入海床，當桶形基礎(chǔ)的桶內(nèi)頂部與海床土體接觸時，海床土體會阻止桶形基礎(chǔ)的進一步下沉，故桶形基礎(chǔ)的貫入深度最大值即為桶形基礎(chǔ)的高度。特別地，當土塞現(xiàn)象嚴重時，桶形基礎(chǔ)還未完全貫入海床，桶內(nèi)已被土塞土體頂住而無法進一步下沉，此時桶形基礎(chǔ)的貫入深度小于桶形基礎(chǔ)的高度?？梢?，利用桶形基礎(chǔ)作為一種海上施工工具時，其存在一個局限性：桶形基礎(chǔ)的最大貫入深度小于或等于其高度[4,5]。若要提高桶形基礎(chǔ)的貫入深度，則需增大桶形基礎(chǔ)的高度。但桶形基礎(chǔ)的高度越大，造價越高，表面積越大貫入阻力也越大，顯然是不可取的。

可見，亟待設(shè)計一種新型施工工具，施工時不通過增大桶形基礎(chǔ)的總高度就能提高貫入海床的深度，施工能力更強。

1 高度可調(diào)節(jié)的桶形基礎(chǔ)

為此，本文提出一種作為施工工具的高度可調(diào)節(jié)桶形基礎(chǔ)：包括桶形基礎(chǔ)與外部活動架；桶形基礎(chǔ)的外側(cè)底部均勻、對稱的設(shè)置不少于三個的套筒；外部活動架包括下部連接環(huán)、上部連接環(huán)與軸桿；軸桿的下端焊接在下部連接環(huán)的外側(cè)且其位置與桶形基礎(chǔ)上的套筒相互配合，各軸桿插入匹配的套筒后相互可發(fā)生上下相對運動；軸桿的上端與上部連接環(huán)焊接相連；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長且連接有吊鉤；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間、吊鉤的兩側(cè)還設(shè)有豎向桿，吊鉤通過拉簧與相鄰豎向桿相連，如圖1～圖7所示。

圖1 所提施工裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖

桶形基礎(chǔ)的構(gòu)造與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)基本相同，僅設(shè)置了多個套筒，桶形基礎(chǔ)呈對稱形狀。外部活動架包括下部連接環(huán)、上部連接環(huán)與軸桿，如圖3所示。外部活動架呈對稱形狀。

軸桿的下端焊接在下部連接環(huán)的外側(cè)且其位置與桶形基礎(chǔ)上的套筒相互配合，各軸桿插入匹配的套筒后相互可發(fā)生上下相對運動。軸桿的上端與上部連接環(huán)焊接相連；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長且連接有吊鉤，吊鉤的構(gòu)造如圖4所示；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間、吊鉤的兩側(cè)還設(shè)有豎向桿，吊鉤通過拉簧與相鄰豎向桿相連，如圖5～圖6所示。

下部連接環(huán)的內(nèi)徑與外徑分別與桶形基礎(chǔ)的內(nèi)徑與外徑相等，故外部活動架與桶形基礎(chǔ)閉合時下部連接環(huán)能緊貼于桶形基礎(chǔ)的下端。

圖2 桶形基礎(chǔ)構(gòu)件的三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 外部活動架的三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 吊鉤詳圖

圖5 外部活動架與吊鉤連接詳圖

圖6 外部活動架上端結(jié)構(gòu)詳圖

圖7 外部活動架移動至桶形基礎(chǔ)底部的結(jié)構(gòu)示意圖

上部連接環(huán)的內(nèi)徑大于桶形基礎(chǔ)的外徑，故外部活動架與桶形基礎(chǔ)發(fā)生相對運動時上部連接環(huán)不會與桶形基礎(chǔ)四周發(fā)生接觸。軸桿橫截面為圓形，其外徑小于套筒的內(nèi)徑，軸桿的中心至下部連接環(huán)中心的距離等于套筒的中心至桶形基礎(chǔ)中心的距離?？梢姡S桿與套筒能發(fā)生相對運動，且相互之間的接觸較小，相互摩擦較小。上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長呈錐狀且錐端設(shè)置有連接孔，吊鉤上部設(shè)置有連接孔，基于施工鋼索可把吊鉤組裝在上部連接環(huán)的下部，組裝后吊鉤的彎鉤設(shè)置在指向上部連接環(huán)內(nèi)部的一側(cè)，如圖5～圖6所示。

吊鉤的下部兩側(cè)設(shè)置有連接孔，豎向桿的下部設(shè)置有連接孔，拉簧的兩端基于吊鉤下部的連接孔與豎向桿的連接孔使兩者相連；吊鉤在兩側(cè)拉簧的拉力作用下向上部連接環(huán)的內(nèi)部傾斜，如圖5～圖6所示。豎向桿的作用是固定與連接拉簧。

吊鉤在拉簧的拉力作用下向上部連接環(huán)的內(nèi)部一側(cè)傾斜，當桶形基礎(chǔ)向下運動時，吊鉤必然鉤住桶形基礎(chǔ)的下端，使得桶形基礎(chǔ)向下運動時基于吊鉤使外部活動架也向下運動。

軸桿與套筒發(fā)生相對運動使套筒的上端抵住上部連接環(huán)時，桶形基礎(chǔ)的底端高于上部連接環(huán)的下邊緣，如圖7所示。該設(shè)計使得桶形基礎(chǔ)與外部活動架發(fā)生相對運動至最大距離時，吊鉤位于桶形基礎(chǔ)的下部且向內(nèi)部傾斜，確保桶形基礎(chǔ)向下運動時吊鉤能鉤住桶形基礎(chǔ)的下端。還可采取其它輔助措施確保桶形基礎(chǔ)向下運動時吊鉤能鉤住桶形基礎(chǔ)的下端，此處不再贅述。

桶形基礎(chǔ)與外部活動架發(fā)生相對運動時，相對運動的最大距離不小于桶形基礎(chǔ)高度的一半。各構(gòu)件及相互連接的強度與變形應(yīng)滿足使用要求，在惡劣工況作用下不發(fā)生屈曲與失效。

2 所提裝置施工方法

不妨以圓桶基礎(chǔ)為例，描述所提桶形基礎(chǔ)作為施工工具時的施工步驟。圓桶基礎(chǔ)呈筒狀，其外側(cè)中下部設(shè)置一個系泊孔，圓桶基礎(chǔ)的內(nèi)徑與外徑分別與桶形基礎(chǔ)1的內(nèi)徑與外徑相等。基于所提桶形基礎(chǔ)，對圓桶基礎(chǔ)的施工方法介紹如下：

2.1 組裝圓桶基礎(chǔ)

把外部活動架與桶形基礎(chǔ) 閉合使下部連接環(huán)緊貼于桶形基礎(chǔ)的下端且使用輔助措施使兩者相連。使用輔助措施把把圓桶基礎(chǔ)9固定連接在下部連接環(huán)底部，錨鏈的一端連接在圓桶基礎(chǔ)的系泊孔上。此時吊鉤在拉簧的拉力作用下與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)緊密接觸。

2.2 桶形基礎(chǔ)依靠自重下沉接觸海床

桶形基礎(chǔ)上連接施工繩索，基于施工繩索起吊桶形基礎(chǔ)，使其進入海水中并處于鉛錘狀態(tài)，逐漸下放桶形基礎(chǔ)，使其在自重作用下下沉接觸海床并壓入海床一定深度，如圖8所示。

圖8 裝置依靠自重下沉接觸海床的示意圖

通常，桶形基礎(chǔ)在自重作用下壓入海床一定的深度，使桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)的被海床土體封住，其內(nèi)部形成封閉的空間，為后續(xù)的抽取空氣形成負壓提供必要的條件。

2.3 抽取負壓使桶形基礎(chǔ)貫入海床

桶形基礎(chǔ)的頂部設(shè)置有進出水(氣)閥，把連接管與進出水(氣)閥固定相連，通過連接管抽出桶形基礎(chǔ)內(nèi)部的空氣，形成內(nèi)外壓力差，從而把桶形基礎(chǔ)貫入至海床土體中，桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)被壓入海床土體，如圖9所示。

桶形基礎(chǔ)貫入海床的過程中，位于桶形基礎(chǔ)外側(cè)的吊鉤也受到了一定摩阻力。由于吊鉤在拉簧的拉力作用下與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)緊密接觸，故海床土體的阻力一般難以吊鉤的位置發(fā)生偏移、翻轉(zhuǎn)。當然也可采取其它輔助措施對吊鉤進行一定的簡易固定，防止貫入海床過程中發(fā)生偏移與翻轉(zhuǎn)。

該施工步驟傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)的施工基本無區(qū)別。

圖9 桶形基礎(chǔ)貫入海床的示意圖

2.4 上浮桶形基礎(chǔ)

待上一步驟中桶形基礎(chǔ)無法繼續(xù)貫入海床后，通過連接管對桶形基礎(chǔ)內(nèi)部充氣，使桶形基礎(chǔ)逐漸上浮，當桶形基礎(chǔ)向上移動的距離等于桶形基礎(chǔ)與外部活動架發(fā)生相對運動的最大距離時，停止充氣，上浮桶形基礎(chǔ)結(jié)束，如圖10所示。

圖10 桶形基礎(chǔ)上浮至最大距離的示意圖

桶形基礎(chǔ)上浮時，吊鉤與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)發(fā)生刮擦，該阻力較小可忽略不計。桶形基礎(chǔ)向上移動的距離等于桶形基礎(chǔ)與外部活動架發(fā)生相對運動的最大距離時，桶形基礎(chǔ)1的底端已高于吊鉤。當桶形基礎(chǔ)上浮至高于吊鉤時，桶形基礎(chǔ)不再阻擋吊鉤，吊鉤在拉簧的拉力作用下向內(nèi)部傾斜，海床土體難以阻止吊鉤向內(nèi)部傾斜。拉簧的拉力應(yīng)足夠大，使得吊鉤能沖破土體的阻力而向內(nèi)部傾斜。為了便于桶形基礎(chǔ)上浮時與外部活動架發(fā)生相對運動，減小相對運動時產(chǎn)生的摩擦力，可在軸桿的四周與套筒的內(nèi)壁涂抹潤滑劑。

2.5 再次抽取負壓使桶形基礎(chǔ)貫入至設(shè)計深度

通過連接管再次抽出桶形基礎(chǔ)內(nèi)部的空氣，形成內(nèi)外壓力差，從而把桶形基礎(chǔ)再次貫入至海床土體中，桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)被進一步壓入海床土體，如圖11所示。

圖11 桶形基礎(chǔ)再次下沉貫入海床的示意圖

桶形基礎(chǔ)下沉過程中，向內(nèi)部傾斜的吊鉤將鉤住桶形基礎(chǔ)的下端。吊鉤鉤住桶形基礎(chǔ)的下端后，外部活動架與桶形基礎(chǔ)之間不再發(fā)生相對運動，桶形基礎(chǔ)的下沉將帶動外部活動架的同步下沉，進而把外部活動架底部的圓桶基礎(chǔ)進一步壓入海床土體中。

桶形基礎(chǔ)下沉至內(nèi)部為海床土體抵住時，無法進一步貫入，此時圓桶基礎(chǔ)已被貫入至海床最大深度。與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比，圓桶基礎(chǔ)貫入海床的新增深度為上一步驟中桶形基礎(chǔ)與外部活動架發(fā)生相對運動的距離。

2.6 移除桶形基礎(chǔ)

待圓桶基礎(chǔ)被壓入海床至最大深度后，通過連接管對桶形基礎(chǔ)內(nèi)部充氣，使桶形基礎(chǔ)逐漸上浮，最終起吊、移除桶形基礎(chǔ)。桶形基礎(chǔ)移除后，僅剩圓桶基礎(chǔ)在海床土體中，如圖12所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的優(yōu)點為：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，在桶形基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置一個外部活動架，使得桶形基礎(chǔ)與外部活動架構(gòu)成一個可相互發(fā)生位移的整體式的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

(2)外部活動架與桶形基礎(chǔ)可發(fā)生相對運動，當桶形基礎(chǔ)貫入海床后，通過對桶形基礎(chǔ)的有限上浮，實現(xiàn)外部活動架與桶形基礎(chǔ)之間的相對拉伸，外部活動架上的吊鉤與桶形基礎(chǔ)底部卡住后，再次對桶形基礎(chǔ)進行下沉貫入作業(yè)，外部活動架能把錨泊基礎(chǔ)進一步貫入至更深的海床土體中，大大提高了所施工錨泊基礎(chǔ)的抗拔承載力。

(3)所提裝置在施工時，可操作性強，施工簡便，與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比具有更深的施工能力。

圖12 桶形基礎(chǔ)移除后示意圖

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)裝置的局限性，提出了一種作為施工工具的高度可調(diào)節(jié)桶形基礎(chǔ)，在桶形基礎(chǔ)外設(shè)置一個外部活動架，使得桶形基礎(chǔ)與外部活動架構(gòu)成一個可相互發(fā)生位移的整體式的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可操作性強，與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比具有更深的施工能力。