一种可发生旋转的吸力贯入式锚泊基础

刘金龙，祝磊，姚军，肖赟 （合肥学院城市建设与交通学院,安徽 合肥 230601）

1 引言

埋入式吸力锚(embedded suction anchor)能利用桶形基础进行施工，其抗拔承载力一方面来自被兜住海床土体的自重，另一方面来自桶壁表面与海床土体的摩擦，具体与海床土体工程地质条件、锚链系泊点位置、沉贯海床深度、锚身表面积等因素有关。埋入式吸力锚采用桶形基础进行施工。

一般地，在海床土体工程地质条件一定的情况下，可通过增加锚身表面积、加大贯入海床深度、提高兜住海床土体的面积等方式来提高锚泊基础抗拔承载力。但锚身表面积越大、贯入海床深度越大，施工难度越大，造价越高。

因此，在不增加施工难度与造价情况下，使锚泊基础具有灵巧的构造，在使用过程中通过构件的移动，偏转能兜住更多的海床土体，从而提高锚泊基础的抗拔承载力，是值得探讨的技术问题。

2 吸力贯入旋转式锚泊基础

为此，本文提出一种吸力贯入旋转式锚泊基础，包括左半壳体、右半壳体；左半壳体的下部呈半圆形形状，半圆形上端的两外侧设置一对转轴，左半壳体在转轴以上的部分呈倾斜缺口状；右半壳体的下部呈半圆形形状，半圆形上端的两外侧基于支座设置一对与转轴相配合的套筒，右半壳体在套筒以上的部分呈倾斜缺口状；右半壳体中下部的外侧设置系泊孔；左半壳体的内径与外径与右半壳体的内径与外径均分别相等；左半壳体与右半壳体的底端内弧面均设置有向内突出的底托；右半壳体在套筒以上部分的高度大于圆弧板的半径，左半壳体在转轴以上部分的高度大于右半壳体在套筒以上部分的高度，如图1～图7所示。

图1 锚泊基础主视图

图2 所提锚泊基础俯视图

图3 所提锚泊基础三维示意图

图4 所提锚泊基础仰视图

图5 右半壳体三维结构示意图

图6 左半壳体三维结构示意图

图7 所提锚泊基础旋转示意图

左半壳体的下部呈半圆形形状，半圆形上端的两外侧设置一对转轴，左半壳体在转轴以上的部分呈倾斜缺口状，如图6所示。为了加强转轴与左半壳体的连接，在转轴的位置处的圆弧板稍微进行扩大，相应地右半壳体在该位置处进行缩小，以此达到相互配合，实现相互旋转。左半壳体呈对称形状。

右半壳体的下部呈半圆形形状，半圆形上端的两外侧基于支座设置一对与转轴相配合的套筒，右半壳体在套筒以上的部分呈倾斜缺口状，如图5所示。右半壳体呈对称形状，转轴与套筒5配合部位上方的左半壳体、右半壳体上向上倾斜切割构成呈“V”形的缺口，缺口上方纵向向上延伸至筒体顶部构成开口。

右半壳体基于套筒组装、套入左半壳体的转轴后，左半壳体与右半壳体的上部可发生相对旋转，旋转至最大幅度时右半壳体的上端可接触、抵住左半壳体的上端内侧，如图7所示。

左半壳体与右半壳体的下部均呈半圆形形状，相互组合后，左半壳体与右半壳体的下部组成完整的圆形，如图3、图4所示。施工时该完整的圆形套在桶形基础的底部外侧，接触紧密、稳定性高，便于沉贯施工。

右半壳体中下部的外侧设置系泊孔，锚链系泊在系泊孔上。系泊孔的高度小于转轴的高度，故通过锚链张拉右半壳体时，锚链拉力的作用点与作用方向相对于转轴属于偏心方向，锚链拉力迫使左半壳体与右半壳体发生相对旋转。

3 锚泊基础施工流程

所提锚泊基础使用桶形基础进行施工，左半壳体与右半壳体的内径略大于桶形基础的外径；左半壳体与右半壳体底端底托的上端面呈水平状，底托呈圆环形分布，底托的内径与桶形基础的内径相等。施工时锚泊基础与桶形基础的组装，如图8、图9所示。

3.1 组装锚泊基础

把锚泊基础套入桶形基础的底部外侧，使桶形基础的轴向下端压在左半壳体与右半壳体底端的底托上，锚链系泊在系泊孔上，如图8、图9所示。

图8 下沉压入海床示意图

图9 相互组装剖面图

3.2 桶形基础接触海床

基于施工绳索起吊桶形基础使其处于铅锤状态，逐渐下放施工绳索使桶形基础进入海水，并逐渐接近海床，最终在自重作用下接触海床并压入海床土体一定深度，如图8所示。

3.3 在负压吸力作用下使桶形基础贯入海床

桶形基础顶部的进出水(气)阀与空气泵相连，通过空气泵的抽取空气，使桶形基础内部的气压逐渐减小(甚至为真空)，而桶形基础四周受到海水压力，故桶形基础外部压力大于内部压力，这种压力差把桶形基础逐渐贯入海床中，最终达到设计深度，如图10所示。

图10 桶形基础在负压吸力作用下贯入海床结构示意图

所提的锚泊基础由左半壳体与右半壳体相互组装而成，施工时左半壳体与右半壳体紧贴在桶形基础的外侧，其铅锤方向的投影面积非常小，如图9所示，故贯入阻力较小，便于在海洋环境中的快速施工。

3.4 移除桶形基础

紧贴在桶形基础端部的锚泊基础被压入海床土体至设计深度后，基于空气泵向桶形基础内部充气，使桶形基础内部的压强逐渐增大，直至内部空气压强大于外部水压力时，桶形基础逐渐上浮，锚泊基础也与桶形基础逐渐分离，最终桶形基础与海床土体分离，仅剩锚泊基础在海床土体中，见图11所示。

图11 桶形基础移除后锚泊基础姿态示意图

3.5 张拉锚链使锚泊基础承载力达到要求

对锚链施加拉力，使锚泊基础的两侧基于旋转轴发生相对旋转，旋转过程中锚泊基础能兜住较多的海床土体，使锚泊基础的抗拔承载力逐渐提高，直至锚链拉力达到设计值时，完成锚泊基础的施工，如图12所示。

图12 工作状态图

与现有技术相比，所提锚泊基础的优点为：锚泊基础由左半壳体与右半壳体相互组装而成，施工时左半壳体与右半壳体包围在桶形基础的端部，沿铅锤方向的投影面积非常小，沉贯阻力较小；锚泊基础贯入海床后，通过张拉锚链使左半壳体与右半壳体发生相对旋转，锚泊基础能兜住较大面积的海床土体，从而具有较大的抗拔承载力；结构简单、制作方便，成本较低。

4 结语

提出了一种吸力贯入旋转式锚泊基础，包括左半壳体、右半壳体，左半壳体、右半壳体相对布置且转动安装构成筒体；筒体上开设有位于转动安装部位上方的缺口；筒体内壁靠近底部具有托住桶形基础的底托；筒体的右半壳体外壁上设有系泊孔；筒体的左半壳体高度高于右半壳体，锚泊基础贯入至海床设计深度，移除桶形基础，右半壳体旋转至最大幅度时其上端抵住左半壳体内壁上部。所提装置施工时，组装在桶形基础的底部外侧，其沿沉贯方向的面积非常小，阻力相对较小，贯入海床后，通过张拉锚链使左半壳体与右半壳体发生相对旋转，能兜住较大面积的海床土体，从而具有较大的抗拔承载力。