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

桶形基礎(chǔ)為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶[1-3]。安裝時(shí)，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。

工程人員基于桶形基礎(chǔ)在海上貫入海床較為方便的特征，把桶形基礎(chǔ)發(fā)展至作為海洋錨泊基礎(chǔ)的一種施工工具。目前，能利用桶形基礎(chǔ)進(jìn)行施工的錨泊基礎(chǔ)主要包括：埋入式吸力錨(embedded suction anchor)與吸力貫入式平板錨(suction embedded plate anchor)。埋入式吸力錨的抗拔承載力主要由圓桶四周與土體的摩擦及部分海床土體的自重產(chǎn)生，具體與系泊點(diǎn)位置、海床土體類型、沉貫深度等有關(guān)。一般地，埋入式吸力錨的表面積有限，故其與土體的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力錨沿錨鏈垂直方向的投影面積也非常有限，故其沿錨鏈方向能兜住的海床土體的面積較小，海床土體的自重對(duì)錨泊力的貢獻(xiàn)也較小。若通過增大埋入式吸力錨的長(zhǎng)度與直徑來提高其抗拔承載力，則大大增加施工難度，也是不可取的。

可見，還需對(duì)基于桶形基礎(chǔ)的吸力貫入式錨泊基礎(chǔ)的構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使其具有較大的抗拔承載力，且施工較為方便。

1 新型錨泊基礎(chǔ)

為此，本文提出一種基于雙桶桶形基礎(chǔ)貫入的海洋錨泊基礎(chǔ)，包括半圓形板、平板、中部連接板；半圓形板沿直徑方向的兩端外側(cè)焊接有平板，半圓形板與平板連接處的下部焊接有與平板垂直的錨柄，錨柄的端部設(shè)置有套孔；錨柄向上傾斜，半圓形板與平板上的位于兩個(gè)錨柄下邊緣組成的斜面以下的部分被切除；半圓形板底部切除后剩余的水平底端內(nèi)弧面設(shè)置有向內(nèi)突出的底托；中部連接板為一梯形狀鋼板兩端垂直焊接端板而成，梯形狀鋼板的中上部設(shè)置系泊孔，兩端板的外側(cè)平行的焊接兩旋轉(zhuǎn)軸；旋轉(zhuǎn)軸的外徑小于套孔的內(nèi)徑，兩個(gè)相同的半圓形板與平板焊接而成的組合結(jié)構(gòu)基于錨柄上的套孔套入中部連接板兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸7后，兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖1～圖4給出了所提錨泊基礎(chǔ)的效果圖，錨泊基礎(chǔ)呈雙向?qū)ΨQ形狀。半圓形板沿直徑方向的兩端外側(cè)焊接有平板，半圓形板與平板的上端面平齊。半圓形板與平板連接處的下部焊接有與平板垂直的錨柄，錨柄相當(dāng)于位于半圓形板的切線方向。錨柄向上傾斜，半圓形板與平板上的位于兩個(gè)錨柄下邊緣組成的斜面以下的部分被切除，可見錨柄、半圓形板、平板的下邊緣位于同一斜面上。半圓形板底部切除后剩余的水平底端內(nèi)弧面設(shè)置有向內(nèi)突出的底托，施工時(shí)桶形基礎(chǔ)底部壓在底托上，便于把錨泊基礎(chǔ)貫入海床中。

圖1 所提錨泊基礎(chǔ)俯視圖

圖2 所提錨泊基礎(chǔ)主視圖

圖3 所提錨泊基礎(chǔ)三維示意圖

圖4 所提錨泊基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)體詳圖

中部連接板為一梯形狀鋼板兩端垂直焊接端板而成，梯形狀鋼板的中上部設(shè)置系泊孔，兩端板的外側(cè)平行地焊接兩旋轉(zhuǎn)軸，如圖5所示。兩個(gè)相同的半圓形板與平板焊接而成的組合結(jié)構(gòu)基于錨柄上的套孔套入中部連接板兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸后，兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)的錨柄不會(huì)發(fā)生相互碰撞，如圖6所示。

圖5 所提錨泊基礎(chǔ)中部連接板詳圖

圖6 所提錨泊基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)示意圖

兩個(gè)相同的組合結(jié)構(gòu)基于錨柄上的套孔可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)向下旋轉(zhuǎn)至最大幅度時(shí)，兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)的同側(cè)錨柄的下部邊緣、同側(cè)平板下部邊緣、兩個(gè)半圓形板的下部部分邊緣將同時(shí)發(fā)生相互接觸。

2 錨泊基礎(chǔ)施工方法

所提錨泊基礎(chǔ)使用兩個(gè)相同的桶形基礎(chǔ)進(jìn)行施工，兩個(gè)桶形基礎(chǔ)中間通過連接板焊接固定，桶形基礎(chǔ)中下部外側(cè)同一高度處均勻設(shè)置多個(gè)開口向下的卡口，如圖7所示。桶形基礎(chǔ)的外徑略小于半圓形板的內(nèi)徑；半圓形板底部的底托呈圓環(huán)形分布，底托的內(nèi)徑與桶形基礎(chǔ)的內(nèi)徑相等；當(dāng)錨泊基礎(chǔ)上的兩個(gè)半圓形板分別套在兩個(gè)桶形基礎(chǔ)的外側(cè)且桶形基礎(chǔ)的底部與底托平整接觸時(shí)，半圓形板的上邊緣正好卡入桶形基礎(chǔ)中下部的卡口中，如圖8所示。

圖7 所提錨泊基礎(chǔ)施工時(shí)使用的雙桶基礎(chǔ)示意圖

圖8 所提錨泊基礎(chǔ)與雙桶基礎(chǔ)組裝示意圖

施工時(shí)，錨鏈系泊在系泊孔上，桶形基礎(chǔ)軸向下端壓在半圓形板底端的底托上，半圓形板的上邊緣卡在卡口中，依靠桶形基礎(chǔ)把錨泊基礎(chǔ)貫入至海床設(shè)計(jì)深度，然后移除桶形基礎(chǔ)，再通過對(duì)錨鏈垂直向上施加拉力使兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，直至施加的拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，完成錨泊基礎(chǔ)的施工。

所提錨泊基礎(chǔ)的施工方法詳細(xì)描述如下：

(1) 組裝錨泊基礎(chǔ)。把錨泊基礎(chǔ)套入桶形基礎(chǔ)的底部外側(cè)，兩個(gè)半圓形板相應(yīng)地包圍在兩個(gè)桶形基礎(chǔ)的外側(cè)，桶形基礎(chǔ)的軸向下端壓在半圓形板底端的底托上，半圓形板的上邊緣卡在卡口中。錨鏈系泊在系泊孔上。

需采用一些輔助措施與構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)錨泊基礎(chǔ)與桶形基礎(chǔ)之間的后續(xù)可解脫的固定與連接，該部分構(gòu)件過于復(fù)雜而未在附圖中體現(xiàn)，但現(xiàn)有公知技術(shù)完全可現(xiàn)實(shí)該操作，此處不再詳細(xì)描述。

桶形基礎(chǔ)也稱吸力樁(suction pile)，為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶，安裝時(shí)，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[4-6]。

(2) 桶形基礎(chǔ)依靠自重下沉接觸海床?；谑┕だK索起吊桶形基礎(chǔ)，使其進(jìn)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9所示。

圖9 依靠自重下沉接觸海床結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 抽取負(fù)壓使桶形基礎(chǔ)貫入海床至設(shè)計(jì)深度桶形基礎(chǔ)的頂部設(shè)置有進(jìn)出水(氣)閥，把連接管與進(jìn)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)貫入海床土體中，最終桶形基礎(chǔ)底部錨泊基礎(chǔ)被壓入海床土體至設(shè)計(jì)深度，如圖10所示。

圖10 在負(fù)壓吸力作用下貫入海床結(jié)構(gòu)示意圖

錨泊基礎(chǔ)在底托與卡口的協(xié)助下依靠桶形基礎(chǔ)貫入海床。所提的錨泊基礎(chǔ)施工時(shí)半圓形板包圍在桶形基礎(chǔ)的外側(cè)，整體沿沉貫方向的面積非常小，利用桶形基礎(chǔ)進(jìn)行沉貫施工較為方便，阻力相對(duì)較小。

(4) 移除桶形基礎(chǔ)。待錨泊基礎(chǔ)被壓入海床至設(shè)計(jì)深度后，松開錨泊基礎(chǔ)與桶形基礎(chǔ)的連接，通過連接管對(duì)桶形基礎(chǔ)內(nèi)部充氣，使桶形基礎(chǔ)逐漸上浮，使錨泊基礎(chǔ)脫離桶形基礎(chǔ)，最終起吊、移除桶形基礎(chǔ)。桶形基礎(chǔ)移除后，僅剩錨泊基礎(chǔ)在海床土體中，如圖11所示。

圖11 桶形基礎(chǔ)移除后的錨泊基礎(chǔ)姿態(tài)示意圖

(5) 張拉錨鏈?zhǔn)瑰^泊基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)錨鏈?zhǔn)┘迂Q直向上的拉力使兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)基于旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至施加的拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，完成錨泊基礎(chǔ)的施工，如圖12所示。

圖12 所提錨泊基礎(chǔ)張拉錨鏈時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)示意圖

張拉錨鏈?zhǔn)箖蓚€(gè)組合結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至最大幅度時(shí)兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)底部發(fā)生相互抵觸形成閉口形狀，使沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，從而具有較大的抗拔承載力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，所提錨泊基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)為：① 所提錨泊基礎(chǔ)由兩個(gè)相同的組合結(jié)構(gòu)組裝而成，施工時(shí)半圓形板包圍在桶形基礎(chǔ)的外側(cè)，整體沿沉貫方向的面積非常小，利用桶形基礎(chǔ)進(jìn)行沉貫施工較為方便，阻力相對(duì)較小;

② 所提錨泊基礎(chǔ)貫入海床后，通過張拉錨鏈?zhǔn)箖蓚€(gè)組合結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至最大幅度時(shí)兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)底部發(fā)生相互抵觸形成閉口形狀，使沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，從而具有較大的抗拔承載力;

③ 所提錨泊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，成本較低。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于雙桶桶形基礎(chǔ)貫入的海洋錨泊基礎(chǔ)，包括兩塊半圓形板，每塊半圓形板內(nèi)壁靠近底部具有托住桶形基礎(chǔ)底部的底托，每塊半圓形板沿直徑方向的兩端外側(cè)設(shè)有平板，每塊平板內(nèi)表面上具有與之垂直的錨柄，錨柄端部設(shè)有套孔；還包括設(shè)置于兩塊半圓形板之間的中部連接板，中部連接板中上部設(shè)置系泊孔，兩塊半圓形板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，通過組裝錨泊基礎(chǔ)、桶形基礎(chǔ)依靠自重下沉接觸海床、灌入設(shè)計(jì)深度、移除桶形基礎(chǔ)、張拉錨鏈?zhǔn)瑰^泊基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明施工方便，實(shí)用性強(qiáng)，貫入海床后，通過張拉錨鏈?zhǔn)箖蓚€(gè)組合結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至最大幅度時(shí)兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)底部發(fā)生抵觸形成閉口形狀，沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，具有較大的抗拔承載力。