吸力錨沉貫過程淺析

劉耀江　劉作榆　方 霖　陳曉東　孫首陽（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣州　深圳　518067）

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吸力錨沉貫過程淺析

劉耀江劉作榆方 霖陳曉東孫首陽
（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣州深圳518067）

摘要：本文簡要闡述了吸力錨的海上安裝過程，淺析了吸力錨沉貫吸力過程中所需的吸力以及沉貫時的海床阻力計(jì)算方法，對吸力沉貫過程中出現(xiàn)的土涌現(xiàn)象做了簡要分析，并給出可行的應(yīng)對方案。

關(guān)鍵詞：吸力錨；土塞沉貫；阻力最大；容許吸力最小；需求吸力

1 吸力錨的安裝過程

在吸力錨海上安裝時，通過船用吊機(jī)將其下放至海床，讓吸力錨在其自身重量與海水壓力的作用下，克服海床阻力貫入到一定深度，此時關(guān)閉吸力錨的排水口，使得吸力錨內(nèi)部形成密閉條件；然后潛水泵連續(xù)不間斷的向外抽水以至于吸力錨內(nèi)部的壓力變低，當(dāng)內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的貫入力超過海床對吸力錨的阻力時，吸力錨可以繼續(xù)貫入；保持潛水泵持續(xù)不斷的抽水，讓吸力錨連續(xù)沉貫，直至吸力錨完全貫入海床；此時，卸掉潛水泵，使得吸力錨內(nèi)外壓差回復(fù)平衡 ，吸力錨安裝完成。

吸力錨的安裝包括兩個階段：

①吸力錨自重和外部海水壓力作為沉貫力的重力貫入階段；

②此外由于潛水泵連續(xù)抽水所導(dǎo)致的吸力錨內(nèi)、外壓差作為額外貫入力的吸力沉貫階段。

其中，吸力沉貫階段歷來就是研究重點(diǎn)，也是吸力錨區(qū)別于其他錨泊形式的最重要特點(diǎn)之一。在吸力沉貫時，一方面需要避免吸力錨內(nèi)部的土體隆起量過大，形成土涌從而提前與吸力錨頂部內(nèi)表面接觸，無法達(dá)到吸力錨的設(shè)計(jì)沉貫深度，另一方面則需要提供足夠大的貫入力以克服海床阻力。

2 吸力錨的沉貫過程計(jì)算分析

吸力錨貫入可行性分析：

（1） 海床貫入阻力

貫入阻力可由以下公式計(jì)算：

貫入阻力等于側(cè)阻和端阻之和。

式中：

V′—垂直載荷；

ha0su1（πD0）—外部粘附力；

haisu1（πDi）—內(nèi)部粘附力：

（γ′h＋su2Nc）（ πDt）—（板眼）環(huán)上的端軸承力：

Awall—吸力錨桶壁面積：

Atip—吸力錨桶壁頂部面積；

α—剪切強(qiáng)度系數(shù)（正常情況下與土體靈敏度成反比）；

γ′—土體的有效單位重量；

Nc—吸力錨桶壁剪切狀態(tài)下的承載力系數(shù)：

Z—吸力錨貫入深度。

（2）沉貫時最小吸力

沉貫時最小吸力，由以下公式計(jì)算：

A′in—吸力錨桶壁主視圖的內(nèi)側(cè)面積。

即：沉貫時最大吸力計(jì)算

式中：

Nc— 當(dāng)貫入時時承載力系數(shù)根據(jù)深度與直徑的比值在 6.2 ～ 9 變化；

Ainside—桶壁內(nèi)側(cè)面積；

3 吸力錨的土涌現(xiàn)象

土涌現(xiàn)象：

吸力錨沉貫時的土塞現(xiàn)象是吸力錨筒體底邊附近土體向吸力錨筒內(nèi)部大量涌入所導(dǎo)致的，其主要原因是過大的內(nèi)部吸力作用下砂土層的液化。吸力錨的土涌現(xiàn)象是指在吸力錨安裝過程中，由于過大的內(nèi)部吸力導(dǎo)致的吸力錨筒體內(nèi)外壓力差，從而造成的吸力錨內(nèi)部的土體向上抬高形成土涌，在沉貫過程中與吸力錨頂部接觸，導(dǎo)致吸力錨無法沉貫至指定安裝深度。土涌的出現(xiàn)，使得沉貫深度達(dá)不到指定要求此時就需要反向?qū)⑽﹀^頂出，并在間隔3到5個直徑位置處重新安裝，這不僅延長了海上作業(yè)的時間，也讓吸力錨的海上安裝變得更加困難，同時吸力錨貫入不到位不僅會影響吸力錨的設(shè)計(jì)承載力，還有可能影響吸力錨的使用壽命，危及錨的安全使用。

圖1

結(jié)論

（1） 吸力錨在吸力沉貫過程中，通常工程應(yīng)用都是采用潛水泵提供持續(xù)不斷的吸力來保證吸力錨的持續(xù)貫入，根據(jù)Allersma的研究，筆者認(rèn)為在工程實(shí)際中可以采用同過吸力脈沖的方式安裝吸力錨，目前并沒有可以提供吸力脈沖的潛水泵，筆者認(rèn)為可以通過人為的控制潛水泵的開關(guān)以及吸力大小形成吸力脈沖，這也可以是潛水泵的發(fā)展方向之一。

（2） 根據(jù)張浦陽的研究，吸力錨沉貫過程中負(fù)壓吸力和滲流力是造成土塞現(xiàn)象的重要原因，提出吸力錨負(fù)壓沉貫的初期是控制滲流破壞的關(guān)鍵，負(fù)壓不應(yīng)過大，沉貫中后期可以逐步加大負(fù)壓。在實(shí)際工程中，可以采用張浦陽的研究結(jié)果，在吸力錨沉貫初期采用較小的吸力，并在中后期加大吸力，從而減小土塞，增大安裝成功率，這種方式并不會對吸力錨安裝造成太大負(fù)面影響，可行性較高。

（3） 從前文的闡述可以看到吸力錨有良好的應(yīng)用前景，但是仍然有很多問題亟需解決：

①如何得到針對我國地質(zhì)條件下的沉貫特性及需要施加的負(fù)壓的確定方法。

②如何有效的控制安裝過程中的土塞高度。

參考文獻(xiàn)

[1]國振，王立忠，李玲玲.新型深水系泊基礎(chǔ)研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué)， 2011.

[2]國振，王立忠，袁峰.粘土中吸力錨沉貫阻力與土塞形成試驗(yàn)研究[J].海洋工程，2011.

中圖分類號：U653

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A