CN114182728B - 一种可固结土体的桩靴及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可固结土体的桩靴基础及其安装方法，属于海洋工程技术研究领域。其包括桩靴外壳、靴尖、抽水管、隔断肋板、储水仓等；本发明的桩靴为纺锤形钢制外壳，内部设有隔断肋板以增加其整体刚度；桩靴外侧设置有横向和竖向的沟槽及排水孔，排水孔将桩靴外部与内部储水仓连通；使用高透水性纱布包裹，防止沟槽及排水孔堵塞；桩靴贯入结束后，通过抽出储水舱内的水，降低仓内的压力，周围土体内的孔隙水在桩靴内、外压差的作用下，经排水孔流入内部储水仓，使周围土体快速排水固结，可大大提高桩靴基础的承载力和稳定性；在桩靴回收时可通过向储水舱内注入高压水体，使桩靴与土体之间形成一层水膜，起润滑作用，可减小桩靴上拔时的阻力。

Description

一种可固结土体的桩靴及其安装方法

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种自升式平台用可固结土体的桩靴及其安装方法。

背景技术

由于海床地基的沉积特性，不可避免地遇到了大量的软黏土地基，并且厚度往往很大，覆盖范围也非常广泛。随着海上能源开采逐渐向深海推进，适用海洋采油平台的桩靴基础受到海洋工程技术界的广泛关注。桩靴基础因其安装简单、便于操作、成本低的优点已在自升式平台中得到大量应用。桩靴贯入海床后，会导致桩靴周围土体被重塑，其内部孔隙水压力累计，导致桩靴周围土体强度折减，桩靴承载力及其稳定性降低。另外在自升式海洋平台服役结束后，需要将桩靴从海床里拔出。在此过程中，由于土体的自重及土对桩靴的吸附作用，导致拔桩困难。为了解决拔桩困难以及增加桩靴在服役期间的承载力和稳定性，相关研究者们对桩靴进行了改进。现有技术的相关研究报道有：

中国发明专利“一种防倾覆自升式平台桩靴”(专利号：ZL201310335199.9)，通过由上顶板、下底板连接成的类似“铁饼”状的空心扁圆形外壳和在外壳周围增设伸缩管的方式，提出了一种防倾覆自升式平台桩靴基础，可以达到抗倾覆，防滑移的目的。

中国发明专利“一种自升式钻井平台的桩靴”(专利号：ZL202010174028.2)，提出了一种在内部两侧增设侧杆及在底部设置抓地刺的桩靴，可以大大提高桩靴的承载力。

中国发明专利“一种复合型桩靴”(专利号：ZL202110268609.7)，提出了一种复合型桩靴，具体采用子母型结构，在作业状态下，母桩靴提供水平方向的支撑，子桩靴提供垂向的支撑，可以增加上部平台的稳定性。

中国发明专利“一种用于自升式平台耦合型仿生桩靴”(专利号：ZL201610141445.0)，提出了一种耦合型仿生桩靴，具体由蛋形仿生外形的桩靴上壳体和田螺仿生外形的下壳体组成；在插桩过程中，所述具有田螺仿生外形的桩靴下锥体与海底接触，待到桩靴所受阻力达到一定值，桩靴不再继续下陷，平台稳定站立在海上，桩靴所受阻力小，插桩效率高；在拔桩过程中，蛋形仿生外形的上壳体可使平台在拔桩时能减少海底淤泥对桩靴的阻力影响，使拔桩速度更快。

中国实用新型专利“一种减小上拔阻力的自升式平台桩靴”(专利号：ZL202020344773.2)，提出一种设置有轴向通气孔，所述通气孔成对设置且均匀分布，每对通气孔均关于桩靴轴线对称分布，每个通气孔内均设置有通气管，通过与外部大气相连，减小了上拔过程中土体与基础底部形成的吸附力。

中国发明专利“一种平台桩靴冲桩喷头结构”(专利号：ZL202010309412.9)，提出了一种平台桩靴冲桩喷头结构，可用于冲刷桩靴表面附着的土体，以减小桩靴上拔时的阻力。

中国发明专利“一种鞋式可海底自弃式自升式钻井平台桩靴和钻井平台”(专利号：ZL201910231609.2)公开了一种可海底自弃式自升式钻井平台桩靴，可以在桩腿入泥深度较深导致拔桩作业困难时，通过牵引绳的作用可以对桩鞋进行解脱以达到减小桩腿自重的目的，使得拔桩作业受到的阻力更小，拔桩作业更加顺利。但该种方式具有不可重复利用性，且在原位遗留下“桩鞋”，会影响下一次自升式平台再次安装。

中国发明专利“一种桩靴”(专利号：ZL201810690548.1)，提出了一种螺旋型的桩靴，使用额外动力源使桩靴可快速贯入土体。

由此可见，上述现有技术主要是通过增设其他机构或提供额外动力源增加桩靴的承载力及抗倾覆能力，亦或者基于仿生学减小贯入阻力而达到提高桩靴承载力的目的另外现有技术对于拔桩时的主要处理方式还是以在拔桩时使用冲桩喷头喷射高压气体、水体或两者的混合物为主，这种方式工艺复杂，提高了桩靴的制造难度，也有在桩靴底部增加通气降低土体中的负孔隙水压力对桩靴的吸附力，但土体与桩靴的黏附作用仍然存在。在现有技术中鲜有对通过提升桩靴周围土体抗剪强度，进而增加桩靴承载力及稳定性的报道。因此，基于土力学有效应力原理，研发一种可消散土体中超孔隙水压力，可固结土体的桩靴及其安装方法，显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术中尚未涉及的如何提高桩靴周围土体强度的问题，本发明的目的之一在于对桩靴周围受扰动的土体进行固结，增加土体强度，为提升桩靴承载力及其稳定性提供新的思路和解决方法；另一目的在于，在拔桩时通过向桩靴内部注入高压水体，使桩靴外壳和土体之间填充一层高压水膜，以减小土体对桩靴的黏附作用，降低土体对桩靴侧面的摩擦力，减小平台拔桩时的阻力。

为了实现上述目的，本发明所存在的技术难点在于：

由于海底软黏土的渗透系数很低，桩靴贯入深度大，土体缺少有效的排水路径。因此，桩靴周围土体超孔隙水压力累计，且很难消散，导致桩靴周围土体有效应力降低，由此使得桩靴的承载力及稳定性大大降低。其次，海洋平台服役结束后拔桩时，桩靴在土中既受到土体的黏附作用，也受到土体对桩靴侧面的摩擦力，还会受到负孔隙水压力的影响，这些因素会显著增加拔桩时的难度。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种可快速固结土体的桩靴，其包括桩靴外壳、靴尖、抽水管、隔断肋板和内部储水仓；

所述的桩靴外壳为钢制纺锤型外壳(2)，由上外壳(3)和下外壳(1)组成，上外壳(3)和下外壳(1)通过焊接组合在一起，桩靴上外壳(3)与自升式平台桩腿(9)连接，下外壳(1)的底板(11)下端焊接靴尖(12)。

所述的桩靴外壳(2)的表面等间距设置有环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)，环向沟槽(14)等间距均匀布置，竖向沟槽(15)之间等角度均匀布置；

所述的桩靴外壳(2)包裹一层高强度透水纱布(5)；

所述的隔断肋板(10)上均匀的分布有圆孔(13)，可使水在储水仓(6)内自由流动，每个隔断肋板(10)分别与上外壳(3)和下外壳(1)焊接在一起。

所述的环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)交汇处设置贯穿桩靴外壳(2)的排水孔(4)，与内部储水仓(6)连通；

所述的靴尖(12)，为钢制锥形体，焊接在桩靴主体的下部；

所述的上外壳(3)顶板预设一个贯穿外壳厚度的圆孔；圆孔内部插入抽水管(8)；

所述的储水仓(6)为隔断肋板(10)与桩靴上外壳(3)、下外壳(1)之间的间隙，用于储存桩靴周围土体固结排出的水体；

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

通过在桩靴外壳(2)外侧设置环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)，并在环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)交汇处设置排水孔，实现土体中水穿过桩靴外壳自由流进桩靴内部；

通过在桩靴外壳(2)包裹高透水纱布(5)，使土体中的孔隙水穿过透水纱布，流入环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)，同时防止土体堵塞环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)以及排水孔(4)；

通过在桩靴上顶板(7)上安装抽水管(8)，在桩靴到达指定位置时进行抽水，以实现降低桩靴内部水压，增加桩靴内、外侧的水头差，加快桩靴周围土体排水固结；在平台服役结束后进行拔桩时，通过抽水管(8)向桩靴内部注入高压水，通过桩靴外壳上的排水孔排出桩靴，在桩靴和土体之间形成高压水膜，起到润滑作用，减小拔桩时的阻力；

通过设置储水仓(6)，存储土体流入桩靴内部的水；

所述的桩靴主体(2)、靴尖(12)、储水仓(6)、抽水管(8)和透水纱布(5)作为一个整体，实现了桩靴贯入土体后，对桩靴周围土体排水固结，提高桩靴周围的土体强度，桩靴承载力及稳定性得到大幅度提高；此外，在拔桩时，注入高压水，在桩靴和土体之间形成水膜，也能降低拔桩阻力，利于桩靴的回收。

本发明的另一目的在于提供一种可固结土体的桩靴的安装方法。

一种可固结土体的桩靴基础的安装方法，包括以下步骤：

第一步、装配桩靴

首先，将多个隔断肋板(10)逐个焊接在下外壳(1)上；再将上外壳(3)放置在下外壳(1)上部，通过焊接与下外壳(1)和隔断肋板(10)连接，通过设置隔断肋板(10)可增加桩靴整体的刚度；

然后，将上外壳顶板(7)与上外壳(3)通过焊接相连；再将抽水管焊接在上外壳顶板预留的开口处，保证装配后整体的气密性良好；将靴尖(12)和下外壳(1)的底板(11)焊接在一起；

最后，在装配完的桩靴基础(2)外侧包裹透水纱布(5)；

第二步、安装桩靴

当海洋平台到达定位位置后，下放桩腿(9)，桩靴随桩腿在平台自重的作用下贯入土体；

然后，在抽水管(8)上连接真空泵，将储水仓内部的水和气体抽出，使桩靴内部与外部土体形成压差，从而使土体孔隙水压力快速消散；

第三步、回收桩靴

当平台作业完成后进行拔桩时，通过抽水管(8)向储水仓(6)内注入高压水体，通在桩靴外壳(2)和土体之间形成一层高压水膜，起到润滑作用，可以有效减少桩靴与土体之间的阻力，使桩靴更容易回收。

与现有技术相比，不需要现有技术要求的增加附属机构(如伸缩管、侧杆及冲桩喷头等)，桩靴主体也不需要使用仿生曲线增加制造工艺难度。本发明带来了以下有益技术效果：

通过排出桩靴周围重塑土体内部的水，土体内部超孔隙水压力消散，土体排水固结，强度增加，桩靴的承载力及稳定性提高。

桩靴包裹透水纱布(5)，增加了桩靴的粗糙度，进一步增加了桩靴与土体之间的摩阻力，桩靴承载力及其稳定性进一步提高。

在拔桩过程中，通过向桩靴内部注入高压水体，高压水体通过桩靴周围的排水孔填充在桩靴外壳(2)和土体之间，既可以消散桩靴下壳体(1)底部的负孔隙水压力，还可以减小土体对桩靴摩阻力，极大的减小了拔桩力。

综上所述，本发明一种可固结土体的桩靴基础，具有制造简单，安装快捷，可快速固结桩靴周围受扰动的土体，增加土体抗剪强度，桩靴抗拔承载力及其稳定性显著提高，另外在平台拔桩过程中，通过注入高压水，达到降低拔桩阻力的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明:

图1为本发明一种可固结土体的桩靴的剖面图；

图2为本发明一种可固结土体的桩靴外部细节示意图；

图中：

1、下外壳，2、桩靴外壳，3、上外壳，4、排水孔，5、透水纱布，6、内部储水仓，7、顶板，8、抽水管，9、桩腿，10、隔断肋板，11、底板，12、靴尖，13、肋板圆孔，14、横向沟槽，15、竖向沟槽。

具体实施方式

本发明提出了一种可固结土体的桩靴基础及其安装方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，一种可固结土体的桩靴，包括1、下外壳，2、桩靴外壳，3、上外壳，4、排水孔，5、透水纱布，6、内部储水仓，7、顶板，8、抽水管，9、桩腿，10、隔断肋板，11、底板，12、靴尖，13、肋板圆孔，14、横向沟槽，15、竖向沟槽。

上述部件中，桩靴外壳(2)由下外壳(1)和上外壳(3)焊接而成；

顶板(7)焊合在上外壳(3)中部，底板(11)焊合在下外壳(1)中部，靴尖(12)焊合在底板(11)底部；

桩靴外壳(2)上设置有环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)，在环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)交汇处设有贯穿外壳的排水孔(4)；

多个隔断肋板(10)与上外壳(3)、下外壳(1)通过焊接相连，中间形成的空腔即为储水仓(8)；隔断肋板(10)上布置连通孔(11)；

上外壳(3)的顶板(7)上设置抽水管(8)，抽水管(8)连接真空泵；

在桩靴外壳(2)上包裹一层高强度透水纱布(5)。

本发明可满足桩靴的正常使用及回收，在使用时通过将桩靴贯入海床一定深度后，通过抽水管(8)抽水，桩靴的内外侧产生压力差，桩靴周围土体内的孔隙水穿过透水纱布(5)，汇集到环向沟槽(14)和竖向沟槽(15)，经过排水孔(4)进入桩靴内部储水仓(6)；当海洋平台服役结束后需要回收桩靴时，通过抽水管(8)向储水仓(6)内注入高压水体，通过排水孔(4)，在桩靴外壳(2)和土体之间形成一层高压水膜，减少桩靴上拔时的阻力。

本发明一种可固结土体的桩靴基础可以在桩靴贯入土体后快速固结桩靴周围受扰动的土体，增加土体抗剪强度，桩靴抗拔承载力及其稳定性显著提高；另外在桩靴回收时，通过注入高压水，使桩靴基础和土体之间形成高压水膜，减少桩靴基出上拔时产生的阻力，有利于桩靴的顺利拔出。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会超越权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种可固结土体的桩靴基础，其包括桩靴外壳（2）、靴尖（12）、抽水管（8）、隔断肋板（10）、储水仓（6）和透水纱布（5），其特征在于：

桩靴外壳（2）为钢制纺锤型外壳，由上外壳（3）和下外壳（1）组成，上外壳（3）和下外壳（1）通过焊接组合在一起，顶板（7）焊合在上外壳（3）中部，底板（11）焊合在下外壳（1）中部；

所述的桩靴外壳（2）上设有环向沟槽（14）和竖向沟槽（15），所述的环向沟槽（14）和竖向沟槽（15）交点处设置排水孔（4），所述的排水孔（4）贯穿桩靴外壳与储水仓（6）连通；桩靴外侧包裹一层高强度透水纱布（5），以此防止桩靴周围土体堵塞环向沟槽（14）和竖向沟槽（15）以及排水孔（4）；

所述的顶板（7）为钻有圆孔的钢制圆板；所述的圆孔，其内部插入抽水管（8）；

所述的隔断肋板（10）为开有肋板圆孔（13）的钢板，与桩靴上外壳（3）和下外壳（1）通过焊接连接，均匀的分布在桩靴内部；

所述的抽水管（8）上端与真空泵连接，下端连接储水仓（6），所述的储水仓（6）为隔断肋板（10）与桩靴上外壳（3）、下外壳（1）之间的间隙，用于储存桩靴周围土体固结排出的水体；

所述的靴尖（12），为钢制圆锥体，焊接在底板（11）的底部。

2.根据权利要求1所述的可固结土体的桩靴基础，其特征在于：所述的桩靴外壳（2）外部设置环向沟槽（14）和竖向沟槽（15），所述的环向沟槽（14）沿桩靴长度方向等间距设置；所述的竖向沟槽（15）沿桩靴环向等角度布置；所述的环向沟槽（14）和竖向沟槽（15）的交点处设置排水孔（4），与内部储水仓（6）连通。

3.根据权利要求1所述的可固结土体的桩靴基础，其特征在于：桩靴外侧包裹一层透水纱布（5）；所述的透水纱布（5）具有较高的透水性和抗拉强度，可以阻挡桩靴周围土体颗粒进入环向沟槽（14）和竖向沟槽（15）。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种可固结土体的桩靴基础的安装方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

第一步、安装所述的一种可固结土体的桩靴基础，包括以下子步骤：

首先，根据设计要求，将桩靴基础的下外壳（1）和上外壳（3）组装在一起，将透水纱布（5）包裹在桩靴外壳（2）上；

然后，将自升式海洋平台拖航至指定位置，下放桩腿（9），使桩靴基础贯入海床指定贯入深度；

最后，将抽水管（8）连接抽水泵，将储水仓（6）内部的空气和水抽出，此时储水仓（6）内部压力降低，桩靴内、外产生压力差，桩靴周围土体内部的水在压力差的作用下，穿过透水纱布（5），通过环向沟槽（14）和竖向沟槽（15）汇集到排水孔（4），再进入储水仓（6）；在此过程中桩靴周围土体快速排水固结，土体抗剪强度增加，桩靴拉拔承载力和稳定性大大提升；

第二步、当自升式海洋平台服役结束后，回收桩靴；

使用高压注水泵连接抽水管（8），将高压水泵入桩靴内部储水仓（6），此时桩靴内部的高压水会通过排水孔（4）排出桩靴外，在桩靴外壳（2）和土体之间形成高压水膜，起到润滑的作用，有效减少桩靴在上拔时的阻力。