基于双桶桶形基础贯入的海洋锚泊基础

刘金龙， 祝 磊， 肖 赟

(合肥学院 城市建设与交通学院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

桶形基础为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶[1-3]。安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

工程人员基于桶形基础在海上贯入海床较为方便的特征，把桶形基础发展至作为海洋锚泊基础的一种施工工具。目前，能利用桶形基础进行施工的锚泊基础主要包括：埋入式吸力锚(embedded suction anchor)与吸力贯入式平板锚(suction embedded plate anchor)。埋入式吸力锚的抗拔承载力主要由圆桶四周与土体的摩擦及部分海床土体的自重产生，具体与系泊点位置、海床土体类型、沉贯深度等有关。一般地，埋入式吸力锚的表面积有限，故其与土体的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力锚沿锚链垂直方向的投影面积也非常有限，故其沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小，海床土体的自重对锚泊力的贡献也较小。若通过增大埋入式吸力锚的长度与直径来提高其抗拔承载力，则大大增加施工难度，也是不可取的。

可见，还需对基于桶形基础的吸力贯入式锚泊基础的构型进行创新性设计，使其具有较大的抗拔承载力，且施工较为方便。

1 新型锚泊基础

为此，本文提出一种基于双桶桶形基础贯入的海洋锚泊基础，包括半圆形板、平板、中部连接板；半圆形板沿直径方向的两端外侧焊接有平板，半圆形板与平板连接处的下部焊接有与平板垂直的锚柄，锚柄的端部设置有套孔；锚柄向上倾斜，半圆形板与平板上的位于两个锚柄下边缘组成的斜面以下的部分被切除；半圆形板底部切除后剩余的水平底端内弧面设置有向内突出的底托；中部连接板为一梯形状钢板两端垂直焊接端板而成，梯形状钢板的中上部设置系泊孔，两端板的外侧平行的焊接两旋转轴；旋转轴的外径小于套孔的内径，两个相同的半圆形板与平板焊接而成的组合结构基于锚柄上的套孔套入中部连接板两侧的旋转轴7后，两个组合结构可绕各自的旋转轴发生旋转。

图1～图4给出了所提锚泊基础的效果图，锚泊基础呈双向对称形状。半圆形板沿直径方向的两端外侧焊接有平板，半圆形板与平板的上端面平齐。半圆形板与平板连接处的下部焊接有与平板垂直的锚柄，锚柄相当于位于半圆形板的切线方向。锚柄向上倾斜，半圆形板与平板上的位于两个锚柄下边缘组成的斜面以下的部分被切除，可见锚柄、半圆形板、平板的下边缘位于同一斜面上。半圆形板底部切除后剩余的水平底端内弧面设置有向内突出的底托，施工时桶形基础底部压在底托上，便于把锚泊基础贯入海床中。

图1 所提锚泊基础俯视图

图2 所提锚泊基础主视图

图3 所提锚泊基础三维示意图

图4 所提锚泊基础旋转体详图

中部连接板为一梯形状钢板两端垂直焊接端板而成，梯形状钢板的中上部设置系泊孔，两端板的外侧平行地焊接两旋转轴，如图5所示。两个相同的半圆形板与平板焊接而成的组合结构基于锚柄上的套孔套入中部连接板两侧的旋转轴后，两个组合结构可绕各自的旋转轴发生旋转，旋转时两个组合结构的锚柄不会发生相互碰撞，如图6所示。

图5 所提锚泊基础中部连接板详图

图6 所提锚泊基础旋转示意图

两个相同的组合结构基于锚柄上的套孔可绕各自的旋转轴发生旋转，当两个组合结构向下旋转至最大幅度时，两个组合结构的同侧锚柄的下部边缘、同侧平板下部边缘、两个半圆形板的下部部分边缘将同时发生相互接触。

2 锚泊基础施工方法

所提锚泊基础使用两个相同的桶形基础进行施工，两个桶形基础中间通过连接板焊接固定，桶形基础中下部外侧同一高度处均匀设置多个开口向下的卡口，如图7所示。桶形基础的外径略小于半圆形板的内径；半圆形板底部的底托呈圆环形分布，底托的内径与桶形基础的内径相等；当锚泊基础上的两个半圆形板分别套在两个桶形基础的外侧且桶形基础的底部与底托平整接触时，半圆形板的上边缘正好卡入桶形基础中下部的卡口中，如图8所示。

图7 所提锚泊基础施工时使用的双桶基础示意图

图8 所提锚泊基础与双桶基础组装示意图

施工时，锚链系泊在系泊孔上，桶形基础轴向下端压在半圆形板底端的底托上，半圆形板的上边缘卡在卡口中，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链垂直向上施加拉力使两个组合结构绕旋转轴发生相对旋转，直至施加的拉力达到设计值时，完成锚泊基础的施工。

所提锚泊基础的施工方法详细描述如下：

(1) 组装锚泊基础。把锚泊基础套入桶形基础的底部外侧，两个半圆形板相应地包围在两个桶形基础的外侧，桶形基础的轴向下端压在半圆形板底端的底托上，半圆形板的上边缘卡在卡口中。锚链系泊在系泊孔上。

需采用一些辅助措施与构件来实现锚泊基础与桶形基础之间的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现，但现有公知技术完全可现实该操作，此处不再详细描述。

桶形基础也称吸力桩(suction pile)，为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶，安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装[4-6]。

(2) 桶形基础依靠自重下沉接触海床。基于施工绳索起吊桶形基础，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图9所示。

图9 依靠自重下沉接触海床结构示意图

(3) 抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度桶形基础的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础贯入海床土体中，最终桶形基础底部锚泊基础被压入海床土体至设计深度，如图10所示。

图10 在负压吸力作用下贯入海床结构示意图

锚泊基础在底托与卡口的协助下依靠桶形基础贯入海床。所提的锚泊基础施工时半圆形板包围在桶形基础的外侧，整体沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础进行沉贯施工较为方便，阻力相对较小。

(4) 移除桶形基础。待锚泊基础被压入海床至设计深度后，松开锚泊基础与桶形基础的连接，通过连接管对桶形基础内部充气，使桶形基础逐渐上浮，使锚泊基础脱离桶形基础，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩锚泊基础在海床土体中，如图11所示。

图11 桶形基础移除后的锚泊基础姿态示意图

(5) 张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。通过对锚链施加竖直向上的拉力使两个组合结构基于旋转轴发生旋转，直至施加的拉力达到设计值时，完成锚泊基础的施工，如图12所示。

图12 所提锚泊基础张拉锚链时发生旋转示意图

张拉锚链使两个组合结构发生相对旋转，旋转至最大幅度时两个组合结构底部发生相互抵触形成闭口形状，使沿锚链方向能兜住较大面积的海床土体，从而具有较大的抗拔承载力。

与现有技术相比，所提锚泊基础的优点为：① 所提锚泊基础由两个相同的组合结构组装而成，施工时半圆形板包围在桶形基础的外侧，整体沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础进行沉贯施工较为方便，阻力相对较小;

② 所提锚泊基础贯入海床后，通过张拉锚链使两个组合结构发生相对旋转，旋转至最大幅度时两个组合结构底部发生相互抵触形成闭口形状，使沿锚链方向能兜住较大面积的海床土体，从而具有较大的抗拔承载力;

③ 所提锚泊基础结构简单、制作方便，成本较低。

3 结束语

本文提出了一种基于双桶桶形基础贯入的海洋锚泊基础，包括两块半圆形板，每块半圆形板内壁靠近底部具有托住桶形基础底部的底托，每块半圆形板沿直径方向的两端外侧设有平板，每块平板内表面上具有与之垂直的锚柄，锚柄端部设有套孔；还包括设置于两块半圆形板之间的中部连接板，中部连接板中上部设置系泊孔，两块半圆形板转动连接，通过组装锚泊基础、桶形基础依靠自重下沉接触海床、灌入设计深度、移除桶形基础、张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。本发明施工方便，实用性强，贯入海床后，通过张拉锚链使两个组合结构旋转至最大幅度时两个组合结构底部发生抵触形成闭口形状，沿锚链方向能兜住较大面积的海床土体，具有较大的抗拔承载力。