筒形基礎(chǔ)安裝失敗案例分析

張翊飛

(中國(guó)船級(jí)社天津分社， 天津 300457)

筒形基礎(chǔ)安裝失敗案例分析

張翊飛

(中國(guó)船級(jí)社天津分社， 天津 300457)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)筒形基礎(chǔ)安裝全過(guò)程，有針對(duì)性地記錄安裝失敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用筒形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及理論知識(shí)對(duì)貫入力、負(fù)壓貫入過(guò)程和土塞效應(yīng)影響進(jìn)行全面地剖析，帶有建設(shè)性意見(jiàn)地提出了導(dǎo)致筒形基礎(chǔ)安裝失敗的原因，對(duì)日后該形式海工結(jié)構(gòu)物海上安裝具有一定的工程借鑒意義。

筒形基礎(chǔ) 安裝 負(fù)壓 土塞

1 筒形基礎(chǔ)原理及工程的簡(jiǎn)介

筒形基礎(chǔ)為頂部為封閉平板結(jié)構(gòu)(或增加強(qiáng)度構(gòu)件)、底端敞開(kāi)的倒置桶狀或杯狀鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物安裝下放時(shí)，先靠自身以及上部結(jié)構(gòu)的重量將其壓入泥中一定深度，然后借助對(duì)艙內(nèi)的排水、排氣進(jìn)行降低筒頂壓力，形成筒形基礎(chǔ)頂部上下壓差，實(shí)現(xiàn)吸力負(fù)壓貫入，最終依靠筒內(nèi)外壓強(qiáng)差將筒形基礎(chǔ)灌入到預(yù)定的深度。由于整個(gè)過(guò)程無(wú)需像安裝導(dǎo)管架那樣調(diào)用代價(jià)高昂的海上打樁設(shè)備、工程船和長(zhǎng)時(shí)間的海上打樁施工時(shí)間，從而顯著節(jié)約海上工程費(fèi)用。筒形基礎(chǔ)作為一種新型錨泊和基礎(chǔ)形式，因其無(wú)需打樁、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、方便施工、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，在我國(guó)軟粘土大量分布著的渤海廣闊水域，具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)性。

項(xiàng)目油田位于中國(guó)渤海海域,平臺(tái)導(dǎo)管架采用三腿導(dǎo)管架型式(如圖1所示)，導(dǎo)管架腿底部設(shè)筒形基礎(chǔ)，導(dǎo)管架頂標(biāo)高6 m，底標(biāo)高-23.8 m，筒形基礎(chǔ)高度為10 m(直徑為6 m)，導(dǎo)管架總高度為39.8 m；吸力樁Φ=6 m，H=10 m；隔水套管直徑1 394 mm(一根)，入泥深度10 m；隔水套管直徑711 mm(兩根)，入泥深度10 m。

該項(xiàng)目安裝技術(shù)要求：

位置：允許在設(shè)計(jì)位置1 m半徑內(nèi)；方位：設(shè)計(jì)方位的 ±2°以?xún)?nèi)；標(biāo)高：標(biāo)高允許在設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.3 m；筒頂在泥面下，距泥面1.0 m ±0.3 m。

圖1 平臺(tái)導(dǎo)管架三維圖

2 安裝事故過(guò)程及損壞情況

初裝前用挖溝機(jī)進(jìn)行吹泥作業(yè)，計(jì)劃吹出3個(gè)直徑7 m左右的，深2～3 m的坑。初次安裝筒形基礎(chǔ)由起重工程船吊放，完成定位和初始角度后靠自重進(jìn)行初始入泥灌入，在筒基接觸到泥面后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)副筒先著泥，在副筒入泥1 m左右后，主筒才著泥(副筒所在位置的泥坑是先吹出來(lái)的，當(dāng)吹主筒泥坑時(shí)剛好海流方向?qū)⒋党瞿鄮У较惹按颠^(guò)副筒位置的坑內(nèi)。所以主筒的坑較副筒的坑深1 m左右。)，大約4 h后灌入深度達(dá)3.4 m。然后通過(guò)筒基蓋上的泵閥系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，開(kāi)始往外泵水，筒基下沉，結(jié)構(gòu)貫入至筒頂與泥面齊平。因設(shè)計(jì)要求為筒頂在泥面下1 m±300 mm，故需潛水員筒內(nèi)清泥后再貫入到設(shè)計(jì)值。由于有大風(fēng)，作業(yè)船起錨避風(fēng)，為防止避風(fēng)后土壤固結(jié)就將結(jié)構(gòu)頂起0.8 m，當(dāng)晚遭遇最大風(fēng)速44 m/s。次日為給潛水員筒內(nèi)作業(yè)提供足夠空間，需再次將筒基結(jié)構(gòu)頂升，調(diào)整到灌入深度為5 m。潛水員下水將筒上部的人孔蓋打開(kāi)，用高壓水沖筒內(nèi)的泥土，以達(dá)到筒能下沉到設(shè)計(jì)深度，經(jīng)8 h后清泥作業(yè)結(jié)束，開(kāi)始再次負(fù)壓自吸灌入。大約3 h后，由于灌入速度過(guò)慢，經(jīng)潛水員檢查發(fā)現(xiàn)主筒人孔處向筒內(nèi)漏水，用工具進(jìn)行緊固后繼續(xù)作業(yè)。經(jīng)過(guò)3 h后，因筒體貫入緩慢，潛水員再次下水進(jìn)行人孔蓋漏點(diǎn)加固作業(yè)。繼續(xù)作業(yè)20 min后,三筒灌入無(wú)明顯變化，主筒方向傾斜度突增至0.5°。主筒偏高，已至極限，停止貫入作業(yè)。潛水員下水進(jìn)行探摸貫入深度，泥面距離筒頂剩3 m，進(jìn)行查漏點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，主筒基邊緣發(fā)現(xiàn)一個(gè)坑(長(zhǎng)約2 m，寬約2 m，深約4 m)，潛水員再次探摸筒基變形處邊緣坑的尺寸(長(zhǎng)約1.7 m，寬約1.5 m，深約2 m)，筒基變形位置在人孔蓋下方約2.5 m處，凹陷形狀為三角形(深約0.4 m，寬約0.5 m)。

研究對(duì)策后對(duì)筒形基礎(chǔ)進(jìn)行了頂升作業(yè)，準(zhǔn)備將筒基吊裝到駁船上進(jìn)行進(jìn)一步勘驗(yàn)和修理。當(dāng)筒基頂部頂升至泥面高度4 m左右時(shí)，主筒的頂升速度明顯減慢并有大量氣泡涌出，導(dǎo)管架出現(xiàn)明顯傾斜?？紤]到嚴(yán)重的傾斜會(huì)對(duì)筒基與導(dǎo)管架連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，決定利用工程浮吊船協(xié)助，將主筒提出水面。筒基吊出水面后，發(fā)現(xiàn)主筒有嚴(yán)重的變形且結(jié)構(gòu)損傷較大，副筒底部也有輕微變形。

受損的筒形基礎(chǔ)由駁船拖至碼頭， 通過(guò)目視檢驗(yàn)，總體受損情況為主筒基變形較為嚴(yán)重，母材有撕裂現(xiàn)象、隔水套管傾斜等；兩副筒基底部筒壁局部變形。

主筒具體情況：(1) 主筒基變形較為嚴(yán)重，其中筒壁及筋板變形較大，母材4.5 m左右有一處撕裂，從蓋板1.5 m處向下幾乎全部變形；(2) 筒基頂板受損后水平度最大為11 mm；(3) 主筒基頂部人孔變形，經(jīng)測(cè)量水平度最大為8 mm；(4) 有一個(gè)直徑為711 mm的隔水套管出現(xiàn)了傾斜；(5) 筒基內(nèi)的支撐筋板部分有嚴(yán)重變形。

副筒具體情況：(1) 從5.5 m向下,兩加強(qiáng)筋之間局部有變形，總計(jì)6處，約20 m2，其中變形處凹陷最深為500 mm；(2) 筒基內(nèi)筋板有4處變形嚴(yán)重。

對(duì)筒形基礎(chǔ)全面地探傷，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

主筒：(1) 傾斜的隔水套管與筒蓋連接的筋板焊道都不同程度地出現(xiàn)了裂紋，其中有一處造成了焊道向筒蓋方向母材撕裂；(2) 筒蓋上隔水套管周?chē)軕?yīng)力較大的筋板在焊道熱影響區(qū)周?chē)霈F(xiàn)裂紋；(3) 部分筒蓋的連接筋板出現(xiàn)變形；(4) 隔水套管距連接筋板端部200 mm處出現(xiàn)母材的橫向網(wǎng)狀裂紋。

副筒：(1) 導(dǎo)管架延伸到副筒筒蓋上的立柱周?chē)缚p出現(xiàn)裂紋；(2) 騎在筒壁上的支撐立柱縱向焊縫出現(xiàn)裂紋；(3) 筒蓋上方連接支撐立柱的環(huán)向筋板在靠近立柱處焊縫出現(xiàn)裂紋。

3 安裝失敗原因分析

3.1 灌入力分析

對(duì)于筒形基礎(chǔ)參照以下公式進(jìn)行灌入力計(jì)算。

灌入力和灌入阻力在不同深度對(duì)應(yīng)不同的值。

總的灌入阻力包括端部承載力Qp和側(cè)摩阻力Qf：Qd=Qp+Qf。

達(dá)到灌入深度所需的負(fù)壓值Pr按下面公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ws為筒形基礎(chǔ)的浸入重量；Ain為承載負(fù)壓的內(nèi)部面積。

許用負(fù)壓值Pa按下面公式進(jìn)行計(jì)算：

Pa=min(γwh,Qa)

式中：γw為該環(huán)境海水密度；h為筒形基礎(chǔ)頂部所在水深高度；Qa為許用負(fù)壓，它在理論上導(dǎo)致額外的土壤吸附到筒壁上(土塞破壞) 。

在粘性土壤中許用負(fù)壓值按下式計(jì)算：

次日上午，化驗(yàn)報(bào)告陸續(xù)出來(lái)，護(hù)士送進(jìn)病房，我隨手翻了下，居然還有一張H I V病毒抗體檢測(cè)呈陰性的報(bào)告。如此看來(lái)，連遠(yuǎn)在西方的上帝也在保佑我。沒(méi)過(guò)多久，又送來(lái)一套一次性麻醉吸氧管，讓我馬上去做氣管鏡。

在非粘性土壤中許用負(fù)壓值按下式計(jì)算：

式中：β為由于滲流引起的阻力遞減系數(shù)；K為水平土壓力系數(shù)；p0為有效負(fù)載壓力；δ為土壤和筒壁的摩擦角。

有效灌入力表達(dá)公式為

Fap=PaAin+Ws。

通過(guò)上述公式計(jì)算的主筒貫入力的相關(guān)參數(shù)，得出了總阻力和安全系數(shù)，如表1所示。

基于理論數(shù)值模型計(jì)算和工程實(shí)例分析的背景，研究負(fù)壓對(duì)筒基與土體接觸應(yīng)力及貫入阻力的影響。由于負(fù)壓的原因，使得筒基內(nèi)外兩側(cè)土體的孔隙水壓有著不同的變化趨勢(shì)。同一高度處，筒外土體孔隙水壓高于筒內(nèi)，從而形成了由外到內(nèi)的滲流場(chǎng)。內(nèi)部土體孔隙水壓的等勢(shì)線分布密集，自下而上滲流明顯。筒外的等勢(shì)線分布松散，自下而上滲流較不明顯。施工過(guò)程中，筒基以一定的速度貫入并盡量保持貫入速率的穩(wěn)定性。一旦灌入速率的變化波動(dòng)較大，孔隙水壓值的變化幅度就會(huì)驟然增加，從而導(dǎo)致土體底部由于失穩(wěn)而產(chǎn)生坍塌損壞。當(dāng)筒基貫入某一深度為土體孔隙壓力臨界點(diǎn)時(shí)，其上土體孔隙水壓均為負(fù)值，其下孔隙水壓均為正值。該情況下筒基內(nèi)的土體會(huì)產(chǎn)生負(fù)值的孔隙水壓值。由于位于海底淤泥層大都為水飽和的土體，負(fù)的孔隙水壓表明此位置的土體承受拉伸力影響，并且土體本身的抗拉性就較差，因此該部分土體極易在負(fù)孔隙水壓作用下發(fā)生破壞以至形成土塞。

表1 主筒貫入力數(shù)據(jù)分析

筒基貫入初始階段，筒壁會(huì)與土壤產(chǎn)生較小的接觸正應(yīng)力，然而隨著筒基的下沉，筒壁與土間接觸面積的不斷增加從而導(dǎo)致其接觸的正應(yīng)力也不斷增加，因此可以推斷接觸正應(yīng)力將與貫入過(guò)程的筒體貫入深度近似成線性正比關(guān)系。當(dāng)筒形基礎(chǔ)的貫入到一定深度，接觸面積不再變化因而正應(yīng)力的增加趨勢(shì)不斷減小并趨于穩(wěn)定，表明筒體周?chē)耐馏w當(dāng)受到筒基的貫入擠壓作用后產(chǎn)生的體積變形將趨于穩(wěn)定。最終可分析出土體的接觸正應(yīng)力在完全貫入后可得到接觸應(yīng)力的最大值和穩(wěn)定值。

通過(guò)上述分析可知，負(fù)壓可以減少筒內(nèi)土體有效應(yīng)力從而減少筒基與土之間接觸的正應(yīng)力。由于筒壁與土體間的摩擦阻力與接觸正應(yīng)力成正比關(guān)系，因此，接觸正應(yīng)力的減少必將引起摩擦阻力的減少。貫入過(guò)程施加負(fù)壓時(shí)，一般筒基內(nèi)土體的摩擦合作用力要小于外部土體的?？紤]到負(fù)壓在筒體沉貫過(guò)程中，對(duì)筒形基礎(chǔ)內(nèi)壁的摩擦合作用力影響較為明顯，而對(duì)筒形基礎(chǔ)筒外土體的摩擦阻力影響不明顯，因此減少貫入阻力主要從減少筒壁與內(nèi)部土體間的摩擦阻力入手。

3.3 土塞現(xiàn)象影響分析

所謂土塞現(xiàn)象, 是指在筒基貫入安裝過(guò)程中,由于筒基內(nèi)土體表面在筒內(nèi)外壓強(qiáng)差或滲流作用力的影響導(dǎo)致筒內(nèi)土體上表面不斷升高，以致于筒基在貫入安裝末尾階段升高的土體沒(méi)有按照既定設(shè)計(jì)要求提前與筒基頂蓋接觸，最終影響筒基繼續(xù)貫入而終止安裝。土塞的形成因素是復(fù)雜和多方面的，它與施工地點(diǎn)土壤類(lèi)別和土質(zhì)特點(diǎn)有關(guān)；它與土塞現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)滲流場(chǎng)的分布狀態(tài)以及筒基內(nèi)土體發(fā)生變形破壞形式和特點(diǎn)有關(guān)；它與施工過(guò)程施加的負(fù)壓、貫入速度、初始密封條件、筒基幾何尺寸和筒邊壁摩擦力等都有關(guān)。

土塞現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)對(duì)筒形基礎(chǔ)的安裝施工過(guò)程帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)并對(duì)日后的投產(chǎn)使用帶來(lái)安全方面的隱患。首先如果在設(shè)計(jì)初期沒(méi)有考慮到土塞的影響，可能在安裝過(guò)程由于筒基沒(méi)有貫入到設(shè)計(jì)深度而導(dǎo)致安裝不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，甚至導(dǎo)致安裝失敗。其次，一旦受到土塞影響，筒基未貫入設(shè)計(jì)深度會(huì)影響承載力，也會(huì)影響筒基的受力狀態(tài)，甚至使其喪失原設(shè)計(jì)的工作能力。再次，土塞現(xiàn)象導(dǎo)致筒基頂部結(jié)構(gòu)未能深埋到泥面以下，這樣會(huì)影響到筒基頂部導(dǎo)管架連接處的海底流場(chǎng)變化。通常經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，裸露的筒基頂蓋結(jié)構(gòu)會(huì)使得海流經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的渦激現(xiàn)象，變速的海流加快帶走周?chē)耐馏w，最終造成筒基周?chē)嗝姹缓Ａ髋偈硾_刷，加劇筒基承載能力下降，縮短工作壽命，危及其使用安全。

(1) 在筒形基礎(chǔ)入泥初始階段，筒壁內(nèi)側(cè)的泥土較為松軟，此時(shí)水飽和泥面有較大的滲流梯度，也極易造成筒內(nèi)土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)程度較輕的使其在滲流力作用下產(chǎn)生變形，形成土塞阻礙筒基順利貫入；土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)程度較重的使得筒基內(nèi)發(fā)生土體大量流失，未能在筒基貫入開(kāi)口處形成致密的土體封閉層，因而使得筒基內(nèi)部難以形成有效的負(fù)壓最終導(dǎo)致安裝失敗。反觀筒形基礎(chǔ)隨著入泥貫入深度的增加，筒基內(nèi)升高土體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，此時(shí)土體表面受到滲流作用力微乎其微，土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性也極小。由此可以推斷筒基安裝負(fù)壓貫入的初期是控制滲流作用破壞筒內(nèi)土體的關(guān)鍵，貫入負(fù)壓壓力不應(yīng)過(guò)大保證滲流作用力不會(huì)影響土體的破壞。

(2) 在筒形基礎(chǔ)整體貫入過(guò)程中，筒基端壁偏下區(qū)域?yàn)闈B流梯度最大的區(qū)域，同時(shí)它的影響造成筒基內(nèi)壁摩擦阻力始終小于筒基外端壁。

(3) 在完全貫入過(guò)程中，筒形基礎(chǔ)滲流場(chǎng)的分布基本相似。滲流梯度在筒基貫入始階段呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但隨著貫入深度增加，滲流力對(duì)土壤的破壞作用加大，滲流梯度又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(4) 對(duì)不同的土質(zhì)，在滲流場(chǎng)作用下筒基內(nèi)土體都會(huì)形成土塞，只是土塞影響力的大小不同。綜合單層土和分層土的研究計(jì)算結(jié)果可知：筒形基礎(chǔ)貫入過(guò)程中，筒基內(nèi)土塞數(shù)值的大小及分布情況與施工地點(diǎn)的土層分布情況密切相關(guān)。對(duì)于單層土一般來(lái)講，粘性土由于不考慮滲流因素，在負(fù)壓作用下形成的土塞數(shù)值較小，分布差異也比較明顯，通常是中部土塞最大，越靠近邊緣，土塞數(shù)值越??；非粘性土如果不考慮滲流力，它在負(fù)壓下的變形很小，按照理論研究結(jié)果而言砂土的最大位移值還不到粘性土的一半。然而考慮了滲流以后的非粘性土的土塞數(shù)值比粘性土大，土塞變化曲線也比較平緩，所以滲流力對(duì)于非粘性土的變形影響是很大的。如果施工地點(diǎn)為多層土，則除了由土的性質(zhì)不同引起土塞產(chǎn)生的情況不同以外，土層的分布狀況也對(duì)土塞的形成有一定的影響，不同的土層分布會(huì)有不同的土塞數(shù)值。土塞的大小與土的參數(shù)密切相關(guān)。

4 結(jié)論

(1) 主筒內(nèi)有三根隔水套管與筒底齊平，第一次灌入時(shí)隔水套管內(nèi)的土體底層為硬質(zhì)粘土沒(méi)有脫落，長(zhǎng)時(shí)間的滯留使得套管與管內(nèi)土體固結(jié)。筒基再次貫入時(shí)，滲流場(chǎng)對(duì)其作用不如筒基明顯，土塞影響加劇，使得貫入阻力增大。當(dāng)主筒繼續(xù)貫入時(shí)，筒內(nèi)套管已不能貫入，造成直徑為711的隔水套管出現(xiàn)傾斜，并使其周?chē)糠诌B接筋板發(fā)生變形。由于主筒內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致主筒結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)無(wú)法得到釋放而造成筒壁的變形。

(2) 筒基選型設(shè)計(jì)中，采用了直徑6 m的筒形

[][]

基礎(chǔ)，壁厚由上至下為20 mm過(guò)渡到12 mm的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且筒內(nèi)安裝了三根與筒基高度相同的隔水套管。此設(shè)計(jì)可能存在一定隱患，首先筒基的壁板過(guò)于優(yōu)化，其適應(yīng)的安裝工況較為苛刻，并且UC值較接近于1，安全裕度很低剛剛過(guò)規(guī)范校核值。另外,剛好在筒基高度一半位置采用壁厚由20 mm減薄到12 mm的優(yōu)化設(shè)計(jì)，此位置在壓桿失穩(wěn)模型中剛好為彎矩剪力較大的區(qū)域。再經(jīng)過(guò)二次貫入筒內(nèi)負(fù)壓作用，并且伴隨內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，造成了該筒形基礎(chǔ)筒壁減薄段瞬間壓潰變形。

(3) 土壤資料的提取過(guò)程，在前期設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)查的土壤情況是泥面下7.5 m左右為粘度不大沙土層；上面是粘度較大的粘土層；設(shè)計(jì)土質(zhì)資料中顯示表層3.5 m內(nèi)為非常軟的褐色粘土，然而實(shí)際據(jù)工程船起錨帶出的泥土和隔水套管內(nèi)泥土都較硬的情況來(lái)看，海上施工現(xiàn)場(chǎng)土壤土質(zhì)參數(shù)情況不能完全與設(shè)計(jì)的土壤調(diào)查資料相符。因此土壤資料提取是否達(dá)到前期設(shè)計(jì)覆蓋范圍有待研究。

(4) 在土壤分析報(bào)告中，距泥面7.5 m處為質(zhì)地較硬的粘性沙土層，粘性質(zhì)地土體的側(cè)面摩擦阻力驟然增大。由于筒形基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)了兩次貫入，第一次貫入和提升可能造成筒基底部有一定變形。在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間海上施工，筒基周?chē)寥赖臄_動(dòng)及固結(jié)，當(dāng)再次貫入過(guò)程時(shí)筒底受到較大的側(cè)摩阻變化。副筒底部由圓形變成了明顯的多邊形，并且棱角處均出現(xiàn)在筒頂加強(qiáng)筋板延伸的底部處。可見(jiàn)筒體在灌入時(shí)受到較大的阻力，在兩端有筋板加強(qiáng)為剛性約束，筒壁圓弧形底部因側(cè)摩阻力加大而迫使其受拉應(yīng)力變?yōu)橹本€型筒壁底部。

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CaseAnalysisofInstallationFailedforBucketFoundation

ZHANGYi-fei

(China Classification Society Tianjin Branch， Tianjin 300457, China)

Based on the whole process of bucket foundation installation, the key links of failed installation are recorded. The design and theoretical knowledge of bucket foundation are used to analyze the influences of penetration force, negative pressure penetration and soil plug effect. The causes of failed installation of bucket foundation are pointed out and analyzed, which can provide a reference for the offshore installation of marine structures in the future.

Bucket foundation Installation Negative pressure Soil plug

張翊飛(1980-)，男，工程師。

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