CN108677991B - 一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构及施工方法，包括一个吸力式沉箱结构，以吸力式沉箱结构的轴线为中心，在吸力式沉箱结构的外圈设有至少一圈吸力式桩，每圈吸力式桩包括多个吸力式桩，多个吸力式桩沿吸力式沉箱结构的外圈均匀分布；吸力式沉箱结构与吸力式桩之间用连接装置连接。通过钢丝绳将吸力式沉箱结构与吸力式桩相连，持久地提高吸力式沉箱结构地基稳定性，有效地减少吸力式沉箱结构在液化地层或软弱地层的变形；并且将原有吸力式沉箱结构向外柔性延伸，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。与此同时，吸力式沉箱与吸力式桩基础作为海洋石油开采平台深基础结构，其施工工艺成熟、方便快捷。

Description

一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构及施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其在深海区域能源开采平台基础结构建设，提供了一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构及施工方法。

背景技术

吸力式沉箱基础结构是一种底端敞开、上端封闭的大直径钢质圆桶结构，具有造价低、可重复使用等优势，在深水海洋平台工程中的应用越来越多。然而，波浪循环荷载、海流引起的冲刷与地震作用等均会影响海洋基底的承载力，进而危及吸力式沉箱结构的安全。在深海地区采用吸力式沉箱基础作为海洋平台的基础结构，其地基稳定至为重要；若在不同动荷载作用下海洋地基基础发生液化作用，致使地基基础不稳，极易造成吸力式沉箱基础结构倾覆变形，从而危及上部海洋平台人员生命安全和损坏生产设备。与此同时，海洋环境不同于陆地，其环境因素多变复杂，且海床地质多为软黏土或砂土；在波浪、海流、地震等动荷载作用下，极易诱发海洋平台基础结构失稳破坏。然而传统吸力式沉箱基础结构已不能保证深海液化地基上的海洋平台的稳定性，这就制约了吸力式沉箱结构的发展和应用。为此，将传统吸力式沉箱结构与吸力式桩结构组成一种新型吸力式沉箱基础结构，以满足易液化的软弱地层或深海地区水下结构的施工与稳定。

同时，由于海洋吸力式沉箱基础结构体积庞大，运输和安装相对复杂；大体积吸力式沉箱基础结构在现场安装过程中，在内外压差作用下沉入海床内，由于海床地层软黏土或砂土不均匀性致使大体积沉箱基础结构内存有空气，无法满足沉箱结构全部沉入海床，这样造成吸力式沉箱基础结构存在不稳定安全隐患，极易造成上部海洋开采平台倾覆变形，从而危及施工人员生命安全和损坏生产设备。与此同时，大体积吸力式沉箱基础结构的施工过程需要投入大量的人力、设备与财力，同时还增加了施工风险。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于易液化地层的新型海洋平台吸力式沉箱结构及其施工方法，该结构能够有效地提高吸力式沉箱结构的适用范围，减少吸力式沉箱结构地基失稳破坏、持久地提高其自稳性能，保证吸力式沉箱结构施工和运营期间的人员安全和设备运转。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构，包括一个吸力式沉箱结构，以吸力式沉箱结构的轴线为中心，在吸力式沉箱结构的外圈设有至少一圈吸力式桩，每圈吸力式桩包括多个吸力式桩，多个吸力式桩沿吸力式沉箱结构的外圈均匀分布；吸力式沉箱结构与吸力式桩之间用连接装置连接。

进一步的，所述的吸力式桩为顶部封闭、底部敞口的空心桩结构，在其顶部设有钢丝绳连接部。

进一步的，所述的连接装置采用钢丝绳，钢丝绳的材料选择碳素钢。

进一步的，所述的钢丝绳的一端固定在吸力式桩的顶部，另一端固定在吸力式沉箱结构。

进一步的，所述的吸力式桩和吸力式沉箱结构的高度相等。

进一步的，所述的吸力式沉箱结构，包括多个两端敞口的圆筒形结构；每个圆筒形结构的顶部设有内凹的安装槽，所述的安装槽用于与圆形钢板配合；多个筒形结构上下拼接在一起，位于最顶层的筒形结构顶部配合一个圆形钢板；在圆形钢板顶部设有钢丝绳连接部。

进一步的，位于最底层的圆筒形结构的侧壁底部厚度从内到外逐步减小，形成尖锐的底部，方便插接。

进一步的，除了最底层的圆筒形结构外，其它圆筒形结构的底部设有与下层筒形结构顶部安装槽配合的凸起。

进一步的，吸力式沉箱结构的长径比为1:2，厚度0.2m；

进一步的，所述吸力式桩的长径比为3:1。

进一步的，所述的吸力式桩的中心到吸力式沉箱中心的距离为吸力式桩直径的2~3倍。

具体的安装方法如下：

首先，将圆形钢板通过第一节圆桶顶部滑丝旋转固定在圆桶顶部，使其成为一个吸力式沉箱结构，即第一节吸力式沉箱结构；

其次，在桶体内外施做压力差，安装第一节吸力式沉箱结构；

再次，第一节吸力式沉箱结构安装完毕后，将圆形钢板与第一节圆桶结构分离；再次，将圆形钢板与第二节圆桶结构相连，组成第二节吸力式沉箱结构，同样方式将其下沉安装就位，以此类推安装其他节数的沉箱基础结构，直至达到设计要求；

最后，当吸力式沉箱结构安装完成后，以吸力式沉箱结构为圆心，在设定半径的圆弧上平均布设多个吸力式桩，吸力式沉箱结构与吸力式桩之间用钢丝绳连接；如果该海洋区域液化作用强度高，可以再布设一圈吸力式桩，以此类推。

本发明的工作原理为：

通过钢丝绳将吸力式沉箱结构与吸力式桩相连，持久地提高吸力式沉箱结构地基稳定性，有效地减少吸力式沉箱结构在液化地层或软弱地层的变形；并且将原有吸力式沉箱结构向外柔性延伸，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。与此同时，吸力式沉箱与吸力式桩基础作为海洋石油开采平台深基础结构，其施工工艺成熟、方便快捷。

本发明的有益效果为：

1.该装置是通过钢丝绳将吸力式沉箱基础与吸力式桩相连，持久地提高吸力式沉箱结构地基稳定性，有效地减少吸力式沉箱结构在液化地层或软弱地层的变形；并且将原有吸力式沉箱结构向外柔性延伸，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。

2.通过圆形钢板与多节圆桶结构相连，使其成为多节小型沉箱基础结构，在内外压差作用下逐节下沉安装。这种方式可以有效地减小不均匀地层引起的圆桶结构沉降不均与桶体内部存在空气等问题，持久地提高沉箱结构地基稳定性，有效地减少沉箱结构在软弱地层的失稳变形；并且，将原有沉箱结构长度减小（这里是指在运输过程中，单节的沉箱结构长度相对于原先的整体式结构长度减少），使其具有一定的柔性，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。

3. 吸力式组合基础结构稳定性方面：能够有效地提高吸力式沉箱结构的适用范围，减少吸力式沉箱结构在液化地层中的地基失稳破坏、持久地提高其自稳性能，保证其上部海洋平台结构施工和运营期间的人员安全和设备运转。

4.恶劣地质条件适应性方面：打破原有吸力式沉箱结构柔性变形适应性差等不足，使其具有一定的柔性，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。

5.施工方面：吸力式沉箱结构与吸力式桩基础作为海洋石油开采平台深基础结构，其施工工艺成熟、方便快捷。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2为本发明中的吸力式沉箱结构中圆形钢板的示意图。

图3为本发明中吸力式沉箱结构中第一节圆桶结构的纵断面图。

图4为本发明中吸力式沉箱结构中其它节圆桶结构的纵断面图。

图5为本发明中吸力式沉箱基础结构组装完成的示意图。

图6为本发明吸力式沉箱结构的吸力式桩基础示意图。

图7为本发明吸力式组合基础结构建设完成的俯视图。

图8为本发明吸力式组合基础结构建设完成的示意图。

其中，单位：m；1、圆形钢板；2、第一节圆桶结构；3、其它节的圆桶结构；4、吸力式沉箱结构；5、吸力式桩基础；6、钢丝绳，7、钢丝绳连接部，8、钢丝绳连接部。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，传统吸力式沉箱基础结构已不能保证深海液化地基上的海洋平台的稳定性，这就制约了吸力式沉箱结构的发展和应用。为此，将传统吸力式沉箱结构与吸力式桩结构组成一种新型吸力式沉箱基础结构，以满足易液化的软弱地层或深海地区水下结构的施工与稳定。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2所示，本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示：圆形钢板尺寸为直径9.9m，高度0.2m；在其顶部设有钢丝绳连接部7；

如图2所示，装配式海洋吸力式沉箱基础结构第一节的圆桶尺寸为直径10m，高度3m，厚度0.2m；其侧壁底部厚度从内到外逐步减小，形成尖锐的底部，方便插入到沉人海床中；其顶部设有内凹的安装槽，所述的安装槽用于与圆形钢板配合。

如图3所示，装配式海洋吸力式沉箱基础结构其它节的圆桶尺寸为直径10m，高度3m，厚度0.2m；底部设有与下层筒形结构顶部安装槽配合的凸起；其顶部设有内凹的安装槽，所述的安装槽用于与圆形钢板配合。

如图4所示，按照顺序，分别将每节圆桶结构与圆形钢板连接，利用内外压差将本节圆桶结构下沉人海床内，吊起圆形钢板，安装下一节圆桶结构，以此下沉多节圆桶结构，从而使其组合拼装成一个完整的吸力式沉箱基础结构。

具体的，装配式海洋吸力式沉箱基础结构施工方法如下：

如图3所示，吸力式桩基础为直径3m，长度10m的顶部封闭和底部敞口的圆桶钢结构，钢结构采用厚度为0.03m的加强钢筋板。

如图7、图8所示，通过钢丝绳将吸力式沉箱基础与吸力式桩相连，使其组成一个整体基础结构，吸力式沉箱基础与吸力式桩基础之间的距离为3m。通过钢丝绳将吸力式沉箱基础与吸力式桩相连，持久地提高吸力式沉箱结构地基稳定性，有效地减少吸力式沉箱结构在液化地层或软弱地层的变形；并且将原有吸力式沉箱结构向外柔性延伸，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。与此同时，吸力式沉箱与吸力式桩基础作为海洋石油开采平台深基础结构，其施工工艺成熟、方便快捷。

新型吸力式沉箱基础结构施工方法如下：

(1) 圆形钢板与圆桶结构制作

直径为10m，高度为3m，厚度0.2m的圆桶结构若干；直径为9.9m，高度为0.2m的圆形钢板，均可在预制厂预制。

(2) 第一节圆桶结构安装

将第一节圆桶结构与圆形钢板连接，利用内外压差将本节圆桶结构下沉人海床内，吊起圆形钢板。

(3) 第二节圆桶结构安装

将第二节圆桶结构与第一节圆桶结构顶部相连，再将第二节圆桶结构与圆形钢板连接，利用内外压差将本节圆桶结构下沉人海床内，吊起圆形钢板。其他各节圆桶结构安装方法相同。从而组合拼装成一个完整的吸力式沉箱基础结构。

(4) 吸力式桩基础安装

吸力式桩基础为直径3m，高10m的圆桶钢结构，钢结构采用厚度为0.03m的加强钢筋板。施工方法与海洋石油开采平台吸力式基础安装方式相同。

(5) 钢丝绳相连

通过钢丝绳将吸力式沉箱结构与吸力式桩相连，使其组成一个整体基础结构，吸力式沉箱基础与吸力式桩基础之间的距离为3m。

具体的连接方式是：在吸力式沉箱结构的最顶部的圆形钢板上设置一个钢丝绳连接部7，在每个吸力式桩的顶部也设有一个钢丝绳连接部8，钢丝绳依次穿过第一个吸力式桩顶部的钢丝绳连接部、以及吸力式沉箱结构顶部的钢丝绳连接部、以及与第一吸力式桩在同一条直径线上的第二个吸力式桩的钢丝绳连接部上；钢丝绳的两端分别固定在两个对应位置的吸力式桩的钢丝绳连接部上；其他吸力式桩的连接方式参考该方法，最终完成固定，具体的可以参考图7和图8；

该装置是通过钢丝绳将吸力式沉箱基础与吸力式桩相连，持久地提高吸力式沉箱结构地基稳定性，有效地减少吸力式沉箱结构在液化地层或软弱地层的变形；并且将原有吸力式沉箱结构向外柔性延伸，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。

吸力式沉箱结构稳定性方面：能够有效地提高吸力式沉箱结构的适用范围，减少吸力式沉箱结构在液化地层中的地基失稳破坏、持久地提高其自稳性能，保证其上部海洋平台结构施工和运营期间的人员安全和设备运转。

恶劣地质条件适应性方面：打破原有吸力式沉箱结构柔性变形适应性差等不足，使其具有一定的柔性，可以有效适应软弱海床等不良地质条件，具有可调节性。

施工方面：吸力式沉箱与吸力式桩基础作为海洋石油开采平台深基础结构，其施工工艺成熟、方便快捷。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，吸力式组合基础结构包括一个吸力式沉箱结构，以吸力式沉箱结构的轴线为中心，在吸力式沉箱结构的外圈设有至少一圈吸力式桩，每圈吸力式桩包括多个吸力式桩，多个吸力式桩沿吸力式沉箱结构的外圈均匀分布；吸力式沉箱结构与吸力式桩之间用连接装置连接；

所述的吸力式桩和吸力式沉箱结构的高度相等；

所述的吸力式沉箱结构，包括多个两端敞口的圆筒形结构；每个圆筒形结构的顶部设有内凹的安装槽，所述的安装槽用于与圆形钢板配合；多个筒形结构上下拼接在一起，位于最顶层的筒形结构顶部配合一个圆形钢板；在圆形钢板顶部设有钢丝绳连接部；

吸力式组合基础结构的施工方法为：

首先，将圆形钢板通过第一节圆桶顶部滑丝旋转固定在圆桶顶部，使其成为一个吸力式沉箱结构，即第一节吸力式沉箱结构；

其次，在桶体内外施做压力差，安装第一节吸力式沉箱结构；

再次，第一节吸力式沉箱结构安装完毕后，将圆形钢板与第一节圆桶结构分离；再次，将圆形钢板与第二节圆桶结构相连，组成第二节吸力式沉箱结构，同样方式将其下沉安装就位，以此类推安装其他节数的沉箱基础结构，直至达到设计要求；

最后，当吸力式沉箱结构安装完成后，以吸力式沉箱结构为圆心，在设定半径的圆弧上平均布设多个吸力式桩，吸力式沉箱结构与吸力式桩之间用钢丝绳连接。

2.如权利要求1所述的一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，所述的吸力式桩为顶部封闭、底部敞口的空心桩结构；在圆形钢板顶部设有钢丝绳连接部。

3.如权利要求1所述的一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，所述的连接装置采用钢丝绳，钢丝绳的材料选择碳素钢。

4.如权利要求1所述的一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，所述的钢丝绳的一端固定在吸力式桩的顶部，另一端固定在吸力式沉箱结构。

5.如权利要求1所述的一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，位于最底层的圆筒形结构的侧壁底部厚度从内到外逐步减小，形成尖锐的底部，方便插接。

6.如权利要求1所述的一种适用于易液化地层的吸力式组合基础结构的施工方法，其特征在于，除了最底层的圆筒形结构外，其它圆筒形结构的底部设有与下层筒形结构顶部安装槽配合的凸起。