摘 要：本文分析了首個(gè)商業(yè)化海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目的土壤性質(zhì)，根據(jù)淤泥地質(zhì)條件，通過(guò)調(diào)節(jié)限定尺寸質(zhì)量下的裙擺高度，對(duì)防沉板基礎(chǔ)水平和垂直載荷進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、抗傾覆設(shè)計(jì)、裙擺穿透性檢查，使水平和垂直載荷的安全系數(shù)均達(dá)到要求且無(wú)冗余，同時(shí)滿足各項(xiàng)安全系數(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)分析表明，防沉板基礎(chǔ)能夠滿足軟黏土地質(zhì)下海底數(shù)據(jù)中心的使用要求，不僅為海底數(shù)據(jù)中心的海洋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了參考，也為防沉板基礎(chǔ)在淺水軟黏土條件下的應(yīng)用提供了示范。

關(guān)鍵詞：海底數(shù)據(jù)中心；防沉板基礎(chǔ)；淤泥；滑動(dòng)穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：P 75" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

海洋結(jié)構(gòu)和設(shè)備需要利用底部支撐結(jié)構(gòu)來(lái)固定或固定滑動(dòng)范圍，保證設(shè)備不會(huì)因垂直方向荷載及質(zhì)量影響而下陷，不會(huì)因水平荷載而滑移。在海洋工程中，為海底生產(chǎn)設(shè)備服務(wù)的海洋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為防沉板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)以及吸力樁基礎(chǔ)3種。

防沉板屬于淺基礎(chǔ)，可以將載荷分布到海床上，減少結(jié)構(gòu)沉降[1]。海底的水文和地質(zhì)條件都會(huì)影響防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，同時(shí)防沉板承載的海洋結(jié)構(gòu)物或者設(shè)備設(shè)施、安裝方法選擇都會(huì)直接影響防沉板結(jié)構(gòu)的尺寸確定。防沉板具有容易安裝且經(jīng)濟(jì)性較好的特點(diǎn)，但容易受到水平載荷的影響，因此結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)裙板來(lái)穿透海底，可以提供橫向抗剪強(qiáng)度并減少?zèng)_刷影響。通常在海洋工程領(lǐng)域遇到對(duì)穩(wěn)定性要求較高的設(shè)施，且水深較淺、土體強(qiáng)度較差的情況下不推薦使用防沉板的這些基礎(chǔ)特質(zhì)。海底數(shù)據(jù)中心除了對(duì)海洋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有要求外，還要求安裝布放具有便捷性和可維護(hù)性。目前將海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目建在50m以內(nèi)的近海海域，海底為軟質(zhì)淤泥。本文將對(duì)這種海域環(huán)境下的防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 地質(zhì)特征

海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目在海南省陵水清水灣海域。布放海域海底地貌屬于平滑海底，海床面標(biāo)高約為-33m～-36m，海床較為平坦，海床自西北往東南緩緩降低，海床底質(zhì)為淤泥底質(zhì)。 本項(xiàng)目海底表層6～7m均為軟泥，然后是細(xì)沙，因此土壤的抗剪強(qiáng)度為關(guān)鍵參數(shù)。圖1為海洋地質(zhì)勘測(cè)獲取的原狀土不排水抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在后續(xù)設(shè)計(jì)分析中，參考原狀土不排水抗剪強(qiáng)度的建議值和最大值來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及安全校核。

淤泥土性質(zhì)見(jiàn)表1。

重新塑形后的土壤不排水強(qiáng)度見(jiàn)表2，用該土體強(qiáng)度計(jì)算防沉板基礎(chǔ)安裝的穿透性設(shè)計(jì)，重塑后的土體強(qiáng)度為2.5kPa～5kPa，數(shù)值與離海床的深度相關(guān)。

1.2 載荷數(shù)據(jù)

海底數(shù)據(jù)中心的防沉板基礎(chǔ)是重力式基礎(chǔ)，外部荷載與地基阻力的關(guān)系決定了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。對(duì)防沉板的貫入檢查來(lái)說(shuō)，外部載荷來(lái)源于海底數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)質(zhì)量的水下質(zhì)量，包括所有附屬物。對(duì)基礎(chǔ)的承載力、抗滑性、抗傾覆性和抗扭性的能力檢查來(lái)說(shuō)，外部載荷為極端工況下海底數(shù)據(jù)中心的水平載荷。該項(xiàng)目防沉板的最大水平載荷為887kN，最大垂直載荷約為3000kN。

2 海底數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

海底數(shù)據(jù)中心布放海域水深較淺，需要水下落底布放，且有快速部署的需求，同時(shí)對(duì)布放水平度和穩(wěn)定性要求較高。海底數(shù)據(jù)中心需要具有可運(yùn)維性，且在服務(wù)器服役期滿可出水更換，因此需要對(duì)海底基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)艙進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，且可在水下組合安裝，選擇水平度較好，安裝簡(jiǎn)單，可直接布放的永久性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防沉板基礎(chǔ)可以滿足以上設(shè)計(jì)。

從圖1的勘測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，示范項(xiàng)目的海底屬于軟黏土中的淤泥地質(zhì)，幾乎無(wú)法獲取0.5m以內(nèi)的土體強(qiáng)度，因此勘測(cè)建議表層土體強(qiáng)度取0，這個(gè)地質(zhì)條件不屬于通常認(rèn)為的淺基礎(chǔ)的適用地質(zhì)。因?yàn)槲赌軌蛟谒胶痛怪狈较蛏咸峁┖铣奢d荷的能力，所以認(rèn)為是適用于松軟地質(zhì)的基礎(chǔ)，但其對(duì)安裝要求較高。在較軟的地質(zhì)下，防沉板設(shè)計(jì)如果過(guò)大會(huì)影響安裝，因此需要縮小尺寸，并通過(guò)增加裙擺來(lái)提高穩(wěn)定性。因此當(dāng)設(shè)計(jì)防沉板時(shí)，要根據(jù)海底數(shù)據(jù)中心對(duì)安裝船舶的要求和數(shù)據(jù)艙模塊的質(zhì)量和尺寸來(lái)設(shè)置防沉板基礎(chǔ)質(zhì)量和尺寸的上限，設(shè)定上限：空氣中質(zhì)量為500t，面積上限為400㎡，通過(guò)穩(wěn)定性分析來(lái)確定裙擺高度，并合理設(shè)計(jì)質(zhì)量和尺寸。

2.1 水平和垂直載荷的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在不排水條件下，基礎(chǔ)能夠支撐的最大垂直載荷的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

Q = F× [Suo×Nc + （k×B/4）] Kc×A （1）

式中：F為kB/Suo的函數(shù)給出的校正系數(shù)；k 為不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增加的速率；Suo為土壤的不排水抗剪強(qiáng)度；Nc為無(wú)量綱常數(shù)，取5.14；B為最小有效側(cè)向基礎(chǔ)尺寸；A為基礎(chǔ)的有效面積，數(shù)值取決于荷載的偏心率；Kc為校正系數(shù)。

當(dāng)防沉板基礎(chǔ)及其上部模塊的水下質(zhì)量滿足防沉板基礎(chǔ)承載極限的安全系數(shù)時(shí)，就認(rèn)為承載力設(shè)計(jì)是滿足要求的。根據(jù)規(guī)定，土壤極限承載力的安全系數(shù)為2.0。

在淺水和土體強(qiáng)度較差的環(huán)境不選用防沉板作為淺基礎(chǔ)的重要原因是其容易受到水平載荷的影響發(fā)生平移或滑動(dòng)。因此在承載力設(shè)計(jì)滿足要求的情況下，最重要的是要進(jìn)行滑動(dòng)阻力檢查，檢查阻力是否能承受最大水平載荷。通過(guò)滑動(dòng)阻力來(lái)確定裙擺高度范圍，裙板高度對(duì)防沉板基礎(chǔ)單向承載力影響較大[2]。

滑動(dòng)阻力包括基礎(chǔ)底部不排水情況的摩擦阻力和被動(dòng)土壓力，計(jì)算摩擦阻力如公式（2）所示。

Hd = Suo × A （2）

計(jì)算被動(dòng)土壓力如公式（3）所示。

Pp = 1/2 × Gama ×H2 + 2Suo × H （3）

式中：Gama為有效土壤密度；H為裙邊高度。

從原狀土抗剪強(qiáng)度來(lái)看，表層土體強(qiáng)度過(guò)低，因此從1m的裙擺高度開(kāi)始對(duì)水平載荷和垂直載荷進(jìn)行計(jì)算分析。表3為水平和垂直載荷作用下不同裙擺高度要求的計(jì)算結(jié)果，在垂直載荷安全系數(shù)滿足要求2.0的情況下，如果地基上的最大水平荷載低于允許的摩擦力，那么斷定地基的抗滑能力符合相關(guān)規(guī)范。根據(jù)規(guī)定，水平載荷的安全系數(shù)為1.5。

由以上分析可以看出，1.4m的裙擺水平安全系數(shù)為1.61，垂直安全系數(shù)為2.5，均可滿足規(guī)范對(duì)垂直和橫向阻力的要求。同時(shí)不存在安全系數(shù)過(guò)多冗余的情況，因此設(shè)定的尺寸和質(zhì)量是合理的?；谝陨蠑?shù)據(jù)，再對(duì)1.4m裙擺進(jìn)行抗傾覆和滲透分析檢查。

2.2 抗傾覆性設(shè)計(jì)檢查

海底數(shù)據(jù)中心的上部模塊為圓形艙體，通過(guò)鞍座將上部模塊放在防沉板基礎(chǔ)的中心位置。防沉板基礎(chǔ)在水下是全部貫入泥土的狀態(tài)，作用在上部模塊的水平力產(chǎn)生傾覆力矩，作用在防沉板基礎(chǔ)上的垂直載荷提供保持力矩。將防沉板設(shè)計(jì)為矩形基礎(chǔ)，傾覆可以發(fā)生在矩形基礎(chǔ)的縱向邊緣或橫向邊緣。因此，用公式（4）計(jì)算淺層地基的一個(gè)邊緣的傾覆能力。

Mrs =Fs × Drs （4）

式中：Fs為垂直力；Drs為Fs 中心到基礎(chǔ)邊緣的距離，即垂直力的臂。

針對(duì)本次海底數(shù)據(jù)中心防沉板基礎(chǔ)的各項(xiàng)力檢查的示意圖如圖2所示。作用在上部模塊上的水平力Fh將產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩（Mov），保持力矩應(yīng)比傾覆力矩大1.5倍。

該項(xiàng)目?jī)A覆的安全系數(shù)：Fsov=Mov/Mrs=12＞1.5，抗傾覆設(shè)計(jì)滿足要求。

2.3 裙板穿透性設(shè)計(jì)

本文的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)均基于數(shù)據(jù)中心的防沉板裙板能夠穿透到海底的土壤中，因此良好貫入才能使防沉板基礎(chǔ)有效。防沉板基礎(chǔ)的裙部穿透阻力包括側(cè)摩擦力和裙板的末端承載阻力。如果計(jì)算阻力小于來(lái)自防沉板基礎(chǔ)的總垂直荷載和地基上設(shè)施的有效質(zhì)量，就認(rèn)為防沉板裙板會(huì)被穿透至設(shè)計(jì)深度，滿足設(shè)計(jì)要求。如果穿透阻力過(guò)大，那么防沉板基礎(chǔ)有不能完全貫入的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致基于貫入良好所做的穩(wěn)定性分析無(wú)效。

利用公式（5）計(jì)算裙板的抗穿透性。

Qd = Qf + Qtip = f ·Asjde + q·Atip （5）

式中：Qd為穿透的阻力；Qf為軸的摩擦阻力；Qtip為總阻力和承載阻力；f為單位軸的摩擦力；Asjde為嵌入特定穿透深度的裙邊或桶的側(cè)表面積（包括兩邊）；q為裙邊或斗尖上的單位端部壓力，Atip為裙尖的端部面積。

示范項(xiàng)目的防沉板獨(dú)立安裝：在防沉板布放完好后再放上部模塊。防沉板裙擺的穿透性設(shè)計(jì)需要檢查安裝過(guò)程中的土壤阻力是否小于防沉板質(zhì)量，以保證基礎(chǔ)正常安裝。土壤阻力包括裙邊頂端的承載阻力和側(cè)表面的摩擦力。關(guān)鍵土壤參數(shù)土體強(qiáng)度應(yīng)考慮圖1勘測(cè)數(shù)據(jù)的最大值和表2重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度。

表4是防沉板基礎(chǔ)基于原狀土剪切強(qiáng)度勘測(cè)最大值進(jìn)行的滲透檢查，表5是基于表2重塑后的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行的穿透檢查。從兩個(gè)表格中可以看到，該防沉板裙板為1.4m，土壤強(qiáng)度上限和下限的滲透系數(shù)分別是6.0和10.0。兩者都大于要求的2.0。防沉板裙擺的穿透力沒(méi)有問(wèn)題。

2.4 防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)示例

防沉板除了主體結(jié)構(gòu)，還包括陽(yáng)極和配重。在設(shè)計(jì)質(zhì)量滿足要求的前提下，要盡可能增加配重比例來(lái)降低成本。圖3為海底數(shù)據(jù)中心防沉板設(shè)計(jì)示例圖，通過(guò)導(dǎo)向柱將上部數(shù)據(jù)艙模塊布放在防沉板基礎(chǔ)上中心位置。導(dǎo)向柱設(shè)計(jì)要考慮長(zhǎng)短區(qū)分，保證上部模塊水下安裝時(shí)有較好的導(dǎo)向作用。防沉板設(shè)計(jì)在生命周期內(nèi)不需要考慮出水，吊耳設(shè)計(jì)可以不用考慮帶上部模塊的整體吊裝需求。裙帶貫入泥底會(huì)增加其水平抗剪切能力，以此防止沖刷。防沉板表面的開(kāi)孔設(shè)計(jì)可以保證水的自由流動(dòng)并減輕質(zhì)量，同時(shí)調(diào)節(jié)防沉板的各向極限承載力[3]。在防沉板框架形成的方框內(nèi)可貫入配重來(lái)調(diào)節(jié)質(zhì)量，以此保證防沉板設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量和水下質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)防沉板設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)節(jié)裙擺高度、質(zhì)量、面積等仍然無(wú)法平衡上述各項(xiàng)穩(wěn)定性安全系數(shù)時(shí)，還可以通過(guò)增加其他基礎(chǔ)特征或者復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)增加或調(diào)節(jié)防沉板基礎(chǔ)的各項(xiàng)穩(wěn)定性。例如防沉板基礎(chǔ)復(fù)合圓形沉箱可通過(guò)增加局部貫入深度來(lái)提高抗滑移能力和承載能力。防沉板基礎(chǔ)嵌入樁腿設(shè)計(jì)，可以通過(guò)樁腿延伸到到土體強(qiáng)度較好的土壤，提高抗滑移能力的同時(shí)，也不減少貫入安全系數(shù)。防沉板基礎(chǔ)復(fù)合吸力樁基礎(chǔ)可大大減少對(duì)承載面積的需求，同時(shí)有效調(diào)節(jié)各向安全系數(shù)。因此，通過(guò)調(diào)整局部設(shè)計(jì)或者結(jié)合不同基礎(chǔ)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)可以有效解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，滿足穩(wěn)定性及安全性設(shè)計(jì)要求。

2.5 結(jié)果與分析

該項(xiàng)目的地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)土體強(qiáng)度差，水深較淺，不適合選用防沉板作為海洋基礎(chǔ)。因此本文根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)的抗剪強(qiáng)度，分析了在該環(huán)境下防沉板基礎(chǔ)最敏感的滑動(dòng)阻力，在極端工況下，滑動(dòng)阻力的安全系數(shù)高于規(guī)定的安全系數(shù)。需要根據(jù)滑動(dòng)阻力的分析結(jié)果確定防沉板裙高，并檢查防沉板基礎(chǔ)的抗傾覆性和穿透能力。以上結(jié)果均滿足安全系數(shù)要求。結(jié)果表明，在50m以內(nèi)的淺水海域下，即使是土體強(qiáng)度較差的情況，只要設(shè)計(jì)合理也可以滿足各項(xiàng)安全系數(shù)要求，可以使用防沉板淺基礎(chǔ)。示范項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)不同的安全系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比應(yīng)用，后續(xù)的使用情況可以提供更多參考數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)屬于防沉板基礎(chǔ)應(yīng)用，也為后續(xù)海底數(shù)據(jù)中心海洋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

海蘭云海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目是在水深約為30m、表層幾乎沒(méi)有土體強(qiáng)度的軟泥地質(zhì)布放海底數(shù)據(jù)中心的項(xiàng)目。防沉板基礎(chǔ)雖然對(duì)剪切力敏感，但是當(dāng)它承載的裝置可能承受的最大水平荷載和滑動(dòng)阻力設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于規(guī)定的安全系數(shù) 1.5 時(shí)，就認(rèn)為設(shè)計(jì)是可行的。研究主要對(duì)滑動(dòng)阻力、抗傾覆性、裙擺的穿透性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，當(dāng)對(duì)防沉板基礎(chǔ)做實(shí)際設(shè)計(jì)檢查時(shí)，除了以上方面，還需要對(duì)地基的沉降、抗扭性、地震載荷等進(jìn)行檢查。每種基礎(chǔ)的適用性都不會(huì)限定在固定的地質(zhì)、水深及水文環(huán)境。海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目的海洋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選用不僅可以為近海海洋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考，還可以為海底數(shù)據(jù)中心海洋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)。

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