沉箱坐底于透水性不良底質時起浮困難原因分析

孫華僑

摘 要：本文通過對沉箱坐底于透水性不良底質時其起浮過程中的受力狀態(tài)進行分析，揭示該種情況下沉箱起浮困難的原因，進而提出解決問題的途徑，指導沉箱起浮、打撈作業(yè)，防止沉箱竄高等危險發(fā)生。

關鍵詞：沉箱起浮;吸附力;粘著力;負孔隙水壓力;竄高

沉箱在出運、安裝過程中因施工需要或因遭受臺風等意外因素而傾覆，均需對沉箱進行起浮，當沉箱坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底質時，一般起浮困難而且一旦起浮常伴有竄高現(xiàn)象，本文通過對沉箱起浮過程中的受力狀態(tài)進行分析，對上述現(xiàn)象進行解釋，并提出針對性的解決措施，對于指導沉箱起浮作業(yè)，防止安全事故發(fā)生具有重要意義。

1吸附力[1，2，3]

吸附力是結構物、土與液體三者之間相互作用的產物，是結構物從土中被拉起過程中表現(xiàn)出的一種力。吸附力由3部分組成，即土與結構物底面間的粘著力、結構物被提升過程中產生的負孔隙水壓力、土與結構物側面產生的側摩阻力。

1.1 粘著力

粘著力是土與外物通過水膜所產生的吸引力，是土顆粒與外物分子對水分子共同吸引而產生的，實質是土顆?！馕锓肿尤咧g相互作用的結果。粘著力反應的是土顆粒吸附到外物上的性質，即土的粘著性的大小。影響粘著性的主要因素有土的含水量、土類的比表面積、結構物的材料性質等。

1.2 負孔隙水壓力

負孔隙水壓力是由于結構物被提升時，加在土上的荷載突然變小，水分來不及流入土中引起的。根據有效應力原理，加在土上的荷載由土骨架和孔隙水共同承擔。對粘性土來說，在卸載的瞬間土骨架來不及發(fā)生變形，水分不能立即流入，表現(xiàn)為負孔隙水壓力;瞬間過后，土骨架發(fā)生膨脹變形，水分逐漸流入，負孔隙水壓力逐漸消失，由孔隙水承擔的荷載逐漸轉化成由土骨架承擔。影響負孔隙水壓力的因素主要有土的性質、沉箱起浮速度等。

1.3 側摩阻力

側摩阻力是結構物被拉起過程中，結構物側面與土之間的摩擦力。側摩阻力主要由土的性質、結構物材料和尺度決定。

1.4 單位面積吸附力

單位面積吸附力受土的性質、含水量、沉箱起浮速度等多種因素的影響變化范圍較大，根據朱成利《沉箱養(yǎng)生池安放及起浮施工方法研究》的實際統(tǒng)計值，單位面積吸附力在8.98kPa～21.66kPa之間，平均值為15.98kPa，根據韓麗華等人《海洋結構物沉箱吸附力的試驗模擬》的試驗值，單位面積吸附力為16.811kPa，另外張京京在《天津濱海新區(qū)軟黏土吸附力預測方法》中提出了一種吸附力預測方法，實際應用過程中可通過模型試驗進行測定或根據張京京的方法進行預測，本文直接采用16.811kPa這一試驗數(shù)值。

1.5 吸附力分析

根據張京京《天津濱海新區(qū)軟黏土吸附力預測方法》的試驗研究，沉箱坐底于不透水底質，在起浮過程中沉箱底離開泥面之前，吸附力不斷增大，最大吸附力出現(xiàn)在沉箱與土體脫離時，此時無側摩阻力，吸附力由粘著力和負孔隙水壓力兩部分組成，且負孔隙水壓力在吸附力中占比重較大。

以底面積200m2的沉箱為例，吸附力約為16.811 kPa×200 m2=3362kN，即336.2t。

2 浮力

2.1 浮力產生的原因

阿基米德定律：浸入靜止流體中的物體受到一個浮力，其大小等于該物體所排開的流體重量，方向豎直向上并通過所排開流體的形心。阿基米德定律是初中物理知識，但在沉箱起浮、打撈等工程實際中卻時有用錯，歸根結底是對浮力產生的原因不甚了解，浮力產生的原因是物體表面受到的壓力差，如圖1以最簡單的正方體為例說明如下：液體壓強P=ρgh，在液體同一深度各個方向的壓強都相等，正方體左、右兩個面受到的壓力相等，合力為零，前、后兩個面同理合力也為零，上、下兩個面由于所在的深度不同，故壓強不同產生壓力差，壓力差F=ρgh下S下-ρgh上S上=ρg（h下-h上）S=ρgV=浮力

2.2? 浮力分析

當沉箱坐底于透水性不良的淤泥或粘性土時，沉箱底面與水隔絕，不承受水壓力，此時沉箱所受浮力為零，而且當沉箱頂面沒于水面以下時，沉箱頂還受向下的水壓力，以頂面積200m2的沉箱為例，當其頂面淹沒深度為1m時，其所受海水壓力為10.25×1×200=2050kN，即205t，但是沉箱底面一旦脫離泥面，水將對沉箱底產生壓力，形成浮力，以沉箱底淹沒水深18m計算，底面海水壓力為10.25×18×200=36900kN，即3690t，浮力為3690-205=3485t。

3 沉箱起浮過程受力狀態(tài)分析

沉箱參數(shù)：頂、底面積均為200m2，高17m，重2000t。沉箱頂面淹沒水深1m，采用鋼蓋板封倉抽水起浮，倉蓋板重25t，浮游穩(wěn)定壓艙水450t，浮游穩(wěn)定吃水12m。沉箱一次性抽水至浮游穩(wěn)定，各階段受力分析如下：

3.1沉箱底脫離泥面以前

沉箱總重=沉箱+鋼蓋板+壓艙水=2000+25+450=2475t=24750kN，受力方向向下

沉箱底吸附力=336.2t=3362kN，受力方向向下

沉箱頂水壓力=205t=2050kN，受力方向向下

沉箱所受向下合力=24750+3362+2050=30162kN

（當沉箱坐底時，所受合力為零，此處30162kN可理解為要使沉箱起浮所需克服的阻力。）

3.2沉箱底脫離泥面至沉箱露出水面以前

沉箱總重=24750kN，受力方向向下

沉箱浮力=1.025×10×（200×17）=34850kN，受力方向向上

沉箱所受合力=34850-24750=10100kN，受力方向向上

（忽略沉箱上浮過程中所受水流阻力。）

3.3沉箱露出水面至最終漂浮狀態(tài)

沉箱總重=24750kN，受力方向向下

沉箱浮力=1.025×10×（200×d）=2050dkN，受力方向向上（d為沉箱吃水深度，12m≤d≤17m）

沉箱所受合力=（2050d-24750）kN，受力方向向上

（忽略沉箱上浮過程中所受水流阻力）

沉箱在不同水深處所受合力如圖2所示。

4? 結論及措施

4.1? 結論

沉箱底脫離泥面以前，沉箱底不承受自由水壓力，沉箱不受浮力，相反沉箱頂面承受向下的水壓力，同時沉箱底承受吸附力，導致沉箱起浮需克服巨大的阻力，造成起浮困難。實際施工中若未消除該不利因素，簡單地通過多抽水或加大起重船吊力等方式進行起浮，一旦沉箱底脫離泥面，吸附力將瞬間消失、浮力迅速形成，沉箱將承受巨大的向上的合力，造成沉箱竄高，易發(fā)生安全事故。

4.2? 措施

（1）沉箱存放前可先拋一層二片石，避免沉箱直接坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底質。

（2）對于坐底于淤泥中的沉箱，應設法減小吸附力并使浮力形成，具體可采取的措施有：①用挖泥船將沉箱四周的淤泥挖除，消除側摩阻力;②使用高壓水槍對沉箱底淤泥進行沖淘，減小沉箱底與淤泥的接觸面積，從而減小吸附力，增大沉箱底所受向上的水壓力;③利用波浪、水流對沉箱的水平作用力或人為用拖輪進行拖拽或頂推，使沉箱底出現(xiàn)松動，減小吸附力，形成浮力。

（3）沉箱起浮減少抽水量，滿足沉箱起浮即可，減小沉箱竄高。

根據動能定理，合外力對物體所做的功，等于物體動能的變化量，即FL=?1/2mv2，忽略沉箱上浮過程中所受的水流阻力，則沉箱上浮過程中合外力所做的功等于圖2中封閉區(qū)域的面積，面積越大沉箱起浮后動能越大，竄高越嚴重，在滿足沉箱總重（沉箱、封倉蓋板、壓艙水）小于沉箱浮力的前提下，減少抽水可使沉箱所受合外力減小，即圖2中封閉區(qū)域變窄，同時使沉箱上浮高度更小，即圖2中封閉區(qū)域變矮，總體使圖2中封閉區(qū)域面積變小，沉箱起浮后動能減小，減小沉箱竄高。

參考文獻：

[1] 韓麗華，姜萌，張日向. 海洋結構物沉箱吸附力的試驗模擬[J]. 港工技術， 2009， 46（6）： 43-45.

[2] 張京京. 天津濱海新區(qū)軟黏土吸附力預測方法[J]. 水利與建筑工程學報， 2018， 16（5）： 138-141.

[3] 朱利成. 沉箱養(yǎng)生池安放及起浮施工方法研究[D]. 大連理工大學， 2015， 16.