CN107724420B - 一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构，该装置针对当前吸力桶基础在粉土海床安装时存在的海床土体渗蚀、对潜水泵功率要求过高、土塞隆起严重等系列问题，对传统吸力桶进行了结构改进，在传统吸力桶内设置圆盘活塞，并通过弹簧将圆盘活塞与桶盖进行连接。在吸力贯入过程中，圆盘活塞顶住下部土体或者在与下部土体形成的空间中存在小量负压，这大大减小了对周围土体破坏并解决了土体渗透系数过大和严重土塞导致安装失败的工程难题。另外，结构吸力桶基础施工方式与传统吸力桶一致，在陆上完成吸力桶结构改造工作，不会增加海上作业的时间和难度，操作、施工简便。

Description

一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构及其安装方法

技术领域

本发明属于吸力桶型基础设计与安装工程技术领域，涉及到一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构及其安装方法，解决粉土海床吸力桶型基础无法安装到位的工程难题，提高吸力桶型基础的安装质量。

背景技术

吸力桶型基础是近年来新发展的一种用于水下安装的基础形式。它是一种底部敞开、上端封闭并设抽水排气口的大型圆柱钢或混凝土结构，具有定位准确、安装方便、节约材料、抗倾覆能力强以及可重复使用等优点，具有广阔发展前景。

目前，吸力桶型基础的安装过程主要有两个阶段。第一，自重贯入阶段：吸力桶基础沉入海床指定位置后，由于自重作用，基础将贯入海床一定深度范围，吸力桶内形成密闭环境；第二，负压贯入阶段：潜水泵从桶顶部预留抽水排气口抽水，桶内形成持续作用的负压，使其贯入到指定深度。安装过程主要存在的问题在于负压大小的控制，负压过小，吸力桶难以贯入，负压过大，海床上桶内土体可能发生破坏产生过量土塞，大大降低基础安装质量甚至无法安装。

粉土海床广泛分布于我国东南沿海海域。目前来看，吸力桶型基础在粉土海床中的安装技术仍有很多问题亟待解决。研究表明，桶内外压差作用下，桶周边土体内将形成由桶外向桶内的渗流场，在渗流力作用下，粉土中的细小颗粒将通过大颗粒之间的通道发生移动，进而造成细小颗粒的流失，这使得土体渗透系数变大，水会从桶底大量涌入桶内，对潜水泵功率提出更大的要求，并增加安装难度，严重时会导致安装失败。另外，细小颗粒流失造成土体变得松散，渗流水体对松散的土体颗粒产生侵蚀作用，随着渗流水体搬运土颗粒过程的持续进行，桶内部土颗粒会持续累积，这还会造成海床表层一定深度的海床土体液化失稳，导致在负压贯入阶段的后期会在桶内形成过高土塞，吸力桶基础无法达到预定安装深度，削弱基础承载能力，威胁基础和结构的安全。目前，工程上对于土塞问题的解决是采用取出桶内土塞后继续完成桶体沉贯的方法，这将大大增加海上作业时间，并带来经济成本的增加。目前，工程上尚未出现某种结构的吸力桶基础能够防止上述问题的出现。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构及安装方法，减小吸力桶负压安装过程中对周围土体的破坏，抑制基础内土塞的发展，以提高吸力桶型基础在粉土海床中的安装质量。

本发明采用以下技术方案：

一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构，包括传统吸力桶型基础，在其桶盖上设有抽水排气口，潜水泵与桶盖连接，该装置还包括滑动轨道、圆盘活塞、弹簧、铁环和铁钩；滑动轨道竖直设于吸力桶型基础的内壁，圆盘活塞由钢制圆盘和外围的密封橡胶层构成，两者采用高强胶进行粘连，橡胶层与桶内壁贴紧实现密封，钢制圆盘边沿设有钢爪用于嵌入滑动轨道内，圆盘活塞装入桶内后，滑动轨道底部封闭(如采用铁板进行焊接封闭，防止圆盘活塞滑出)，在吸力桶型基础的桶盖与圆盘活塞之间设置有弹簧，弹簧下端焊接在圆盘活塞上，上端焊接在桶盖上，铁环与铁钩均位于弹簧内部，铁环焊接在圆盘活塞上；铁钩焊接在桶盖上。

进一步的，所述的弹簧中心距圆盘活塞边沿的距离为1/4的圆盘活塞半径。以防圆盘活塞发生翻转；在吸力桶型基础的桶盖与圆盘活塞之间均匀设置四条弹簧。弹簧的初始长度应当与吸力桶高度相当，且其刚度不宜过大。

所述的滑动轨道共四条，为槽型轨道，均分于吸力桶型基础内壁，圆盘活塞的钢制圆盘边沿设置四个钢爪，对应嵌入于四条滑动轨道内。

为便于海上作业，需要在陆地上将吸力桶型基础结构组装完成，运到海上指定位置进行安装。

该吸力桶型基础结构相比于传统的吸力桶主要区别在于设置了圆盘活塞和弹簧，可有效的防止桶周围土体渗透系数的增大和严重土塞导致的安装失败，提高安装质量。安装的主要过程和原理如下：

1、基础下沉。将吸力桶型基础结构注满水，桶盖上的抽水排气口处于开启状态。基础在自重作用下沉入海底指定位置，下沉结束后，圆盘活塞位于基础底部且紧贴海床面。

2、基础贯入。

(1)自重贯入阶段，此阶段沉贯阻力较小，自重作用下桶壁向下切入海床一定深度，桶盖与底部的圆盘活塞之间的距离减小，弹簧处于压缩状态，对圆盘活塞施加向下的压力。相比传统吸力桶基础，此阶段向下贯入海床深度有所减小。

(2)吸力贯入阶段，此阶段沉贯阻力较大，仅依靠基础自重无法贯入。利用潜水泵从桶盖上预留的抽水排气口进行抽水，在桶内形成一定的负压，将其压入到指定深度。相比于传统吸力桶基础，本发明由于桶底部圆盘活塞的存在，圆盘活塞和桶盖之间基本处于密封状态，桶内负压较易施加，对潜水泵功率要求低。随着桶壁的不断切入土体，圆盘活塞与桶壁之间发生相对滑动，弹簧不断被压缩。底部圆盘活塞受到向上的吸力和向下的弹簧力以及自身浮重力作用，桶内负压的大小决定圆盘活塞处于贴紧海床面的状态还是处于向上滑动状态。若负压比较小，圆盘活塞贴紧海床面，可有效的阻止粉土中细小颗粒的流失及最终渗蚀破坏的发生，也不会发生土塞破坏。若负压比较大，圆盘活塞会处于向上运动状态，则圆盘活塞和底部海床面之间将形成一定的空间，该空间内形成的负压大大小于上部桶盖和圆盘活塞之间的负压，该空间会被水充满，由此在粉土海床的内形成的渗流力较小，粉土流失细小颗粒的速度和数量均较小，不会发生土体渗蚀破坏或形成大量土塞，另外，吸力也会对圆盘活塞施加向下的拉力，延缓或阻止活塞进一步向上运动。当达到指定贯入深度时，圆盘活塞上的铁环与桶盖上的铁钩勾住，弹簧力消失，该方法有效的避免了吸力桶负压消散后弹簧对桶盖的向上作用力，该作用力不利于基础的稳定和后期的抗拔承载。

本发明提出的用于粉土海床的吸力桶型基础结构，与现有的传统吸力桶基础相比，主要有以下突出优点：

1、很好的解决了吸力桶安装过程中因土体渗蚀破坏和大量土塞造成的安装失败和安装质量差的工程难题。

2、避免了粉土细小颗粒流失造成的土体渗透性过大问题，从而有效避免了对潜水泵过大功率的要求。

3、减小了安装过程中对周围土体的扰动和破坏，提高了基础后期承载力和稳定性。

附图说明

图1是本发明的外部主视图；

图2是图1的剖视图；

图3是图2中B-B剖视图；

图中：1、潜水泵，2、吸力桶基础，3、抽水排气口，4、滑动轨道，5、圆盘活塞橡胶层，6、圆盘活塞，7、弹簧，8、铁环，9、铁钩。

具体实施方式

下面结合附图和施工过程对本发明做进一步说明。

本发明的吸力桶型基础结构，包括潜水泵1，通过螺栓与桶盖连接；吸力桶基础2(含有桶盖)，桶盖上有抽水排气口3；滑动轨道4焊接在桶型基础2内壁上，滑动轨道底端进行闭口处理，防止圆盘活塞6从滑动轨道4上滑出；圆盘活塞6有钢制圆盘和外围的密封橡胶层5构成，两者采用高强胶进行粘连，橡胶层与桶内壁贴紧，并涂抹一定的润滑油，圆盘活塞6有四个钢爪嵌入固定在滑动轨道4内，防止滑动过程中发生翻转；四根刚度系数适当的弹簧7下端焊接在圆盘活塞6上，上段焊接在吸力桶2桶盖上，弹簧中心到圆盘活塞边沿的距离为1/4的圆盘活塞半径；铁环8放在弹簧7内部，焊接在圆盘活塞6上；铁钩9放在弹簧7内，焊接在吸力桶2的桶盖上，当弹簧压缩到一定程度(吸力桶贯入到指定位置)时，圆盘活塞6上的铁圈8与桶盖上焊接的铁钩9勾住，弹簧失去作用。

本发明所采用的施工流程如下：

1)将滑动轨道焊接在桶内壁上，将钢制圆盘与橡胶层进行粘结，完成制作圆盘活塞；

2)将圆盘活塞安装进滑动轨道，之后把轨道底部用适当厚度的铁片进行焊接封闭，完成吸力桶基础结构的制作；

3)将吸力桶内注满水后下沉到指定海床位置；

4)进行自重贯入和吸力贯入，贯入指定位置后，将抽水排气口进行封闭。

Claims (4)

1.一种用于粉土海床的吸力桶型基础结构，包括传统吸力桶型基础，在其桶盖上设有抽水排气口，潜水泵与桶盖连接，其特征在于，该装置还包括滑动轨道、圆盘活塞、弹簧、铁环和铁钩；滑动轨道竖直设于吸力桶型基础的内壁，圆盘活塞由钢制圆盘和外围的密封橡胶层构成，两者采用高强胶进行粘连，橡胶层与桶内壁贴紧，钢制圆盘边沿设有钢爪用于嵌入滑动轨道内，圆盘活塞装入桶内后，滑动轨道底部封闭，在吸力桶型基础的桶盖与圆盘活塞之间设置有弹簧，弹簧下端焊接在圆盘活塞上，上端焊接在桶盖上，铁环与铁钩均位于弹簧内部，铁环焊接在圆盘活塞上；铁钩焊接在桶盖上。

2.根据权利要求1所述的用于粉土海床的吸力桶型基础结构，其特征在于，所述的弹簧中心距圆盘活塞边沿的距离为1/4的圆盘活塞半径。

3.根据权利要求1所述的用于粉土海床的吸力桶型基础结构，其特征在于，所述的滑动轨道共四条，均分于吸力桶型基础内壁，圆盘活塞的钢制圆盘边沿设置四个钢爪，对应嵌入于四条滑动轨道内。

4.一种如权利要求1所述的用于粉土海床的吸力桶型基础结构的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基础下沉：将吸力桶型基础结构注满水，桶盖上的抽水排气口处于开启状态，基础在自重作用下沉入海底指定位置，下沉结束后，圆盘活塞位于基础底部且紧贴海床面；

2)基础贯入：在基础在自重贯入后，利用潜水泵从桶盖上预留的抽水排气口进行抽水，在桶内形成负压，随着桶壁的不断切入土体，圆盘活塞与桶壁之间发生相对滑动，弹簧不断被压缩，当基础达到指定贯入深度时，圆盘活塞上的铁环勾住桶盖上的铁钩，安装完成。