張力腿平臺整體式負壓基礎沉貫及抗拔模型實驗

李嘉文 ，楊樹耕 ，姜宜辰，鄒 星，張振宇 ，梁 靜

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；

3. 中海油研究總院，北京 100027)

在世界各國對人類共同擁有的深海資源激烈競爭的形勢下，我國必須高度重視對深海平臺技術的研究．張力腿平臺(tension leg platform，TLP)作為深海理想的平臺型式，得到了廣泛的重視和發(fā)展．張力腿平臺主要使用樁基礎．樁基礎在深海中，耗鋼量大，打樁難度高，施工周期長，而桶形基礎成本較低，施工周期短，便于運輸和安裝，可以重復使用，對土體勘察比較容易，特別適用于深海軟土地基[1-5]．因此桶形基礎是一種比樁基礎更適合張力腿平臺的基礎形式．

然而目前桶形基礎用于張力腿平臺時適用水深僅為330～350,m，造成該問題的主要原因是桶形基礎依靠潛水泵系統(tǒng)抽吸形成負壓．泵能產(chǎn)生的水頭差決定了桶形基礎的適用水深．

針對這一問題，在深入研究負壓桶形基礎后，筆者提出一種新型的、適用于上千米水深的張力腿平臺整體式負壓基礎設計方案．為驗證此負壓沉貫方案的可行性，根據(jù)負壓沉貫的原理，筆者設計了模擬海底高壓環(huán)境的實驗罐以及模擬抗壓儲水艙的附有儲水罐的桶形基礎(簡稱桶基)，進行沉貫實驗．同時，設計了動、靜抗拔裝置，以探求動載荷與靜載荷的關系，為張力腿平臺整體式負壓基礎的實際應用提供依據(jù)和經(jīng)驗．

1 整體式負壓基礎

張力腿平臺整體式負壓基礎由抗壓儲水艙、桶形基礎以及桁架連接構件等組成，如圖1 所示．在這種設計中，改變傳統(tǒng)的用泵抽吸形成負壓的方式，利用海底高壓將桶基內(nèi)的海水壓到桶基上部的儲水艙中.

圖1 張力腿平臺整體式負壓基礎示意Fig.1 Integrative suction foundation for TLP

具體操作工作分成以下4 個階段，工作原理及各部分名稱如圖2 所示．

圖2 抗壓儲水艙工作原理示意Fig.2 Principle demonstration of crush-resistant water storage tank

(1) 整體式負壓基礎下沉到海底時，在自重作用下，桶基下緣會嵌入土中一定深度．此時，打開單向通海閥，桶基內(nèi)部海水會從通海閥排出，桶基繼續(xù)下沉，最終形成桶內(nèi)水體的封閉狀態(tài)．在此過程中，抗壓儲水艙與桶基之間的電子閥門1 保持關閉狀態(tài)，抗壓儲水艙內(nèi)部為大氣常壓狀態(tài)．

(2) 關閉通海閥，打開閥門1，因桶基內(nèi)水壓大于儲水艙內(nèi)的空氣壓力，桶基內(nèi)部海水會流入儲水艙．當桶內(nèi)大量海水流入儲水艙后，桶內(nèi)海水壓力會逐漸變?。捎谕巴夂Ｋ畨毫Ρ３植蛔儯瑫a(chǎn)生對桶基向下的壓力．在此壓力作用下，桶基便可不斷下沉，直至沉貫完成．

(3) 當桶內(nèi)海水大量流入儲水艙后，艙內(nèi)壓強不斷增大．為避免艙內(nèi)氣壓過大，適時開啟閥門2，使空氣排出．整個沉貫過程中隨時監(jiān)控儲水艙內(nèi)氣壓，通過調(diào)整閥門1 和閥門2 的開閉程度，調(diào)整桶基內(nèi)壓力，進而控制沉貫速度．實現(xiàn)桶基的逐步貫入，最終達到設計深度[6]．

(4) 在基礎貫入預定深度以后，關閉閥門1 和閥門2，抗壓儲水艙壓力穩(wěn)定．桶基內(nèi)外壓力差逐漸消失，桶內(nèi)壓力恢復到周圍環(huán)境壓力．經(jīng)過一段時間固結以及試拉之后，桶基即可承受抗拔力．繼而可將張力腿系統(tǒng)與平臺主體相連，平臺開始工作．

整體式負壓基礎設計時的另一個創(chuàng)新之處是它的整體性．以往的桶形基礎都是采用單個桶基、逐一沉貫的方式來施工的．這種沉貫方式的缺點在于施工周期相對較長，在海況復雜的深海海域施工時，不僅會增加成本，還可能出現(xiàn)難以預料的風險；而且，如果4 個桶基單獨進行沉貫，由于水深的原因，沉貫位置不易控制，很可能造成張力腿之間不平行，因而對平臺的安全造成威脅．故本文設計時采用整體式方案，即通過桁架連接構件將4 個桶基連成整體，可同時進行沉貫，縮短海上施工時間，節(jié)省施工成本，降低操作風險；4 桶形成整體，既保證4 個桶基的相對位置不變，又保證桶基垂直海底表面，使得桶基能夠垂直沉貫，且沉貫位置相對固定，可確保4 個張力腿保持平行；此外，4 桶形成整體后，有利于抵御海底沖刷，增強基礎整體抗傾抗滑能力，同時也大大提高了單桶穩(wěn)定性．

2 計算公式

2.1 沉貫實驗計算公式

在沉貫過程中的下沉阻力計算公式采用考慮滲流的下沉阻力計算公式[7]，即

式中：R 為下沉阻力；D 為桶基直徑；h 為下沉深度；KN為與內(nèi)表面摩擦阻力有關的系數(shù)；KW為與外表面摩擦阻力有關的系數(shù)；KP為關聯(lián)qch與端阻力的經(jīng)驗系數(shù)；f 為桶基側壁單位面積摩阻力；qch為平均標貫阻力；t 為桶基壁厚．根據(jù)多項工程實踐及分析得到的折減系數(shù)取值范圍為：KN＝0～0.3，KW＝0.3～0.6，KP＝0.001～0.002[8]．

桶基下沉力公式為

式中：T 為下沉力；W 為桶基水中重量；pΔ 為桶內(nèi)外壓力差．

沉貫條件為T＞R．當R＝T 時，沉貫達到最大深度，此時下沉加速度為零，即

由于總滲流量很難直接測量，因此可根據(jù)沉貫到底的總流量求得，桶基負壓沉貫到底的示意如圖3所示．

圖3 桶基負壓沉貫完成狀態(tài)示意Fig.3 Final status of the suction penetration of bucket foundation

總滲流量計算公式為

式中：QSL為總滲流量；Q 為總流量；QCG為負壓沉貫深度引起的流量；QT為土塞隆起部分所置換的水量．

土塞高度計算公式為

式中：Z 為土塞高度；ht為桶基高度；hCG為沉貫深度；h0為初始貫入高度[9-10]．

2.2 抗拔實驗計算公式

抗拔實驗使用砂土地基，安裝在砂中的負壓桶形基礎受到持續(xù)的上拔載荷時，它的失效是在排水狀態(tài)(沒有吸力)時發(fā)生，此時桶基將被從砂土中拔出，拔出阻力則為桶裙內(nèi)外壁的摩擦阻力，因此抗拔力公式為

在單層土系統(tǒng)中

式中：Pe、Pi分別為桶基截面的外、內(nèi)周長；Km為系數(shù)，在拉拔狀態(tài)下是 Nm的0.5 倍．系數(shù) Nm等價于API 中的單位面積側摩阻力 fi= Kp tanδ中的K tanδ，土層靜止側壓力系數(shù)K ＝0.8，δ為土與桶壁的摩擦角．桶基各尺寸如圖4 所示．

圖4 桶基總體尺寸示意Fig.4 Dimensions of a bucket foundation

根據(jù)以上計算公式，可以初步估計完成實驗所需的沉貫負壓和靜抗拔力，以此設計實驗儀器，并在實驗后分析實驗數(shù)據(jù)與理論值的關系．

3 實驗方法

3.1 實驗儀器

3.1.1 沉貫實驗儀器

實驗中采用均勻細砂土制作地基模型，地基模型直徑1.6,m，高度0.75,m．實驗前在地基模型中充水，使砂土充分飽和，靜置一段時間使其固結．地基模型置于實驗罐內(nèi)．實驗罐如圖5 所示，直徑1.6,m、高1.6,m 的鋼制圓桶，側面裝有觀察窗，上下分別由閥門連接進、出水管，頂部設置法蘭密封罐蓋．密封罐蓋后，可通過向罐內(nèi)加水使內(nèi)部壓力增加，模擬海底高壓狀態(tài)．

由于實驗罐尺寸的限制，同時由于本文重在驗證負壓沉貫的可行性，因此，本實驗僅驗證單個桶基是否可以順利完成沉貫．實驗裝置如圖6 所示，通過調(diào)節(jié)進水閥門和出水閥門控制進、出水流量，以控制沉貫速度(模擬圖2 中閥門1、2 作用)．位于進水口和出水口的壓力表用來記錄水壓，為計算桶內(nèi)負壓提供數(shù)據(jù)．儲水罐用來儲存從桶基內(nèi)部排出的水，以測量總流量和滲流量．

圖5 實驗罐Fig.5 Experimental tank

圖6 測量負壓原理示意Fig.6 Operational principle of the measurement of negative pressure in the suction caisson

實驗中使用3 種尺寸的鋼制桶基模型進行沉貫實驗，其參數(shù)如表1 所示．

表1 桶基模型參數(shù)Tab.1 Parameters of bucket foundation models

3.1.2 抗拔實驗儀器

抗拔實驗同樣在實驗罐中進行，實驗時將密封罐蓋取下．靜、動抗拔實驗各部分裝置如圖7 和圖8所示．

圖7 靜抗拔實驗各部分裝置Fig.7 Static loading experimental apparatus

圖8 動抗拔實驗各部分裝置Fig.8 Dynamic loading experimental apparatus

靜抗拔力實驗中，使用滑輪和拉壓傳感器測量極限靜抗拔力．

動抗拔力實驗中，使用調(diào)頻電機帶動偏心輪旋轉產(chǎn)生不同頻率的動載荷．連接在偏心輪的滑桿在導向輪控制下上下往復運動．拉壓傳感器一端與滑桿相連，另一端通過彈簧和彈簧調(diào)節(jié)桿與桶基模型相連．電機轉動時，傳感器顯示屏顯示出動載荷的變化．動載荷的幅值和周期可通過改變彈簧調(diào)節(jié)桿長度和電機頻率調(diào)節(jié)．

3.2 實驗過程

3.2.1 沉貫實驗過程

測量桶內(nèi)負壓的方法如圖6 所示，主要根據(jù)桶外壓力表所測壓力 1p 、4p 以及伯努利方程，計算過程如下：

故驅動桶基沉貫的負壓為

同時可以看出，通過調(diào)節(jié)進、出水閥，以改變進出水壓力，以控制桶內(nèi)負壓．

實驗時首先將桶基放入實驗罐水中，使其內(nèi)部完全充滿水，并將軟管放入桶基內(nèi)部．將桶基插入泥面一定距離，調(diào)節(jié)桶基水平．打開閥門，每隔2,min 記錄桶內(nèi)水位變化、桶基沉貫位移和壓力表示數(shù)．當出水管中出現(xiàn)大量沙子，可認為桶基沉貫到底，記錄總排水量與桶頂距泥面距離．

3.2.2 抗拔實驗過程

抗拔實驗分為靜抗拔實驗和動抗拔實驗．靜抗拔實驗通過滑輪向1 號桶施加靜上拔力，直至桶基被拔起．記錄傳感器示數(shù)，最大示數(shù)即為極限抗拔力．

動抗拔實驗可模擬張力腿平臺的張力腿工作情況．張力腿受到預張力處于拉張的繃緊狀態(tài)，實驗通過調(diào)節(jié)彈簧長度模擬張力腿預張緊狀態(tài)．波浪載荷為動載荷，是一個上下波動的值，通過張力腿傳遞到桶基頂部．實驗通過偏心輪旋轉帶動滑桿上下運動模擬波浪載荷對桶基的作用．實驗時通過調(diào)節(jié)彈簧桿來調(diào)節(jié)彈簧長度，使彈簧預張緊，該預張力即為動載荷幅值．啟動電機，采集傳感器示數(shù)．改變電機轉動頻率與初始預張力大小，觀察拉力變化．

4 實驗成果

4.1 沉貫實驗成果

實驗中1 號桶在不加罐蓋情況下無法沉貫到位，需要加蓋形成密閉高壓環(huán)境完成沉貫．2 號桶和3 號桶由于直徑較小，在不加蓋情況下依靠排水可沉貫到位．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了不同目的的實驗曲線，得出如下分析結論．

(1) 使用2 號桶做了2 次沉貫實驗，每次沙子固結時間分別為0.5,h(H(t))和1.0,h(H′(t))，實驗數(shù)據(jù)如圖9 所示，初始沉貫時沉降深度隨時間線性增加，2 組實驗最終沉貫深度不同．第1 組固結時間短，砂土滲流量大，負壓小，因此最終沉貫深度?。?/p>

圖9 2號桶沉貫深度與時間的關系Fig.9 Relationship between penetration depth and penetration time of the No.2,bucket

(2) 隨著沉貫時間和沉貫深度增加，桶外壓力增加，桶內(nèi)壓力減小，負壓不斷增加．負壓使桶內(nèi)土中滲流向上，有效應力減小，桶內(nèi)側摩阻力和桶端摩阻力減小；桶外土中滲流向下，有效應力增加，桶外側摩阻力增加．而且沙土滲透性較強，總體效應使沉貫阻力大幅減小，因此較小的負壓便使桶基完成沉貫．如圖10 所示，由于第1 組實驗砂土p(t)固結時間比第2 組實驗p’(t)固結時間短，沉貫中滲流較大，導致桶內(nèi)壓力減小，因此負壓較小．如果負壓過大，桶內(nèi)土有效應力減小為零，會發(fā)生土體液化失穩(wěn)，應該避免這種現(xiàn)象發(fā)生．

圖10 2號桶內(nèi)負壓與時間的關系Fig.10 Relationship between negative pressure and penetration time of the No.2,bucket

(3) 沉貫速度v(t)在沉貫初期增加至最大值后隨時間減小，如圖11 所示．沉貫速度主要受側摩阻力和桶內(nèi)負壓影響，由于沉貫深度增加，桶基與泥土接觸面積不斷增加，負壓增加速度比摩擦力增加速度小，使沉貫速度變化率不斷減小，直至為零．

圖11 2號桶沉貫速度與時間的關系Fig.11 Relationship between penetration velocity and penetration time of the No.2,bucket

(4) 沉貫阻力T(H)較小，且變化平穩(wěn)，如圖12所示．這一特性對桶形基礎沉貫就位提供了極為有利的條件，有助于桶基安全沉貫到底，減小了施工難度．

(5) 總流量與滲流量的關系．根據(jù)前文分析，可從沉貫到底的總流量中計算出總滲流量，2 號桶滲流量計算結果如表2 所示，砂土滲透率很高，滲流率較大．因此實驗得出的2 號桶和3 號桶的下沉阻力(576,N、337,N)遠小于理論計算值(1 076,N、810,N)．

圖12 2號桶下沉阻力與沉貫深度的關系Fig.12 Relationship between the resistance and penetration depth of the No.2,bucket

4.2 抗拔實驗成果

由于負壓沉貫方式與用泵抽吸的方式不同，為確定通過負壓沉貫后桶基產(chǎn)生的抗拔力與傳統(tǒng)桶基相同，本文分別對靜抗拔力和動抗拔力進行了測試．

(1) 在靜抗拔實驗中，對1 號桶施加靜上拔力，靜抗拔實驗傳感器示數(shù)顯示靜抗拔力為1,180,N，與理論值1,131,N 基本符合，差異在于砂土性質不同．沉貫方法對靜抗拔力無明顯影響．

(2) 動抗拔實驗數(shù)據(jù)表明，受到局部剪切破壞的桶基在動載作用下將緩慢上拔，抗拔力來自于桶內(nèi)外壁的側摩阻力，隨桶體拔出，側摩阻力減小，從而導致桶基抗拔力下降．由于側摩阻力最終與上拔力平衡，抗拔力會在一定范圍內(nèi)停止變化．

表2 總流量與滲流量的關系Tab.2 Relationship between the total flow and seepage flow

(3) 動載荷下初始抗拔力在小于靜載極限抗拔力時已開始對桶有拔出作用．表現(xiàn)在抗拔實驗初始數(shù)據(jù)700,N 以上時，不施加循環(huán)動載，傳感器所測力的數(shù)值已有持續(xù)下降趨勢．這是由于靜載荷拔桶時桶內(nèi)由于滲流速度較慢，無法抵消桶上拔所引起的桶內(nèi)負壓，負壓的存在增大了桶基的極限抗拔力；而動載荷作用時，由于循環(huán)載荷給予土體足夠時間滲流補充桶內(nèi)負壓，負壓造成的抗拔力部分抵消，則抗拔力有所損失．

(4) 實驗中設定5 組不同初始預張力，數(shù)據(jù)表明，初始預張力越大，即動載荷幅值越大，則最終平衡值越?。煌瑒虞d荷幅值作用下，平衡值在570～610,N 之間，遠小于靜抗拔力值．

(5) 在相同初始預張力作用下，改變電機頻率，發(fā)現(xiàn)電機頻率越大，即動載荷循環(huán)周期越小，則桶基抗拔力減小越明顯，平衡值越?。d荷周期對抗拔力有明顯影響．

5 結 論

(1) 利用水頭驅動力可完成桶形基礎的沉貫，可代替泵抽吸，利用閥門控制流量來調(diào)整負壓大小，方便操作，更適用于深海環(huán)境．

(2) 隨著桶基尺寸增加，下沉阻力增加，靜水壓力不能滿足沉貫需要，可利用加蓋密封，從進水管中注水以增大水頭壓力來完成沉貫．在密封實驗罐中進行的模型實驗更好地模擬深海中抗壓儲水艙的工作環(huán)境．

(3) 自主設計的抗拔實驗儀器符合張力腿平臺工作機制，用彈簧模擬張力腿，偏心輪連接滑桿往復運動模擬波浪載荷豎向分量對桶基的動載作用，對比桶形基礎在靜、動抗拔力下的不同響應，可研究動載荷對桶形基礎的影響規(guī)律．

(4) 實驗儀器可通過改變土壤條件、桶基尺度、桶基數(shù)量以及彈簧剛度等因素，模擬不同環(huán)境下張力腿平臺整體式負壓基礎的工作情況．

張力腿平臺整體式負壓基礎改變了傳統(tǒng)的泵抽吸形成負壓的方式，增加了負壓基礎用于張力腿平臺時的適用水深，且整體式基礎4 桶同時沉貫，極大縮短海上施工時間，顯著降低施工成本和操作風險，相比以往的樁基礎和負壓基礎優(yōu)勢明顯，是一種新型可用的張力腿平臺基礎形式，對我國深海資源開發(fā)，尤其是南海油氣田開發(fā)有重要意義．

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