CN116729555A - 一种重固结吸力锚及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重固结吸力锚及其使用方法，属于海洋工程锚固基础的研究技术领域。重固结吸力锚包括吸力锚和固结装置。本发明的吸力锚为密封性良好的钢制圆筒结构，其顶部密封，底部敞开；吸力锚外侧设置有加劲肋，加劲肋通过集水管连通；加劲肋外侧包裹土工布，防止吸力锚外部土体堵塞加劲肋排水孔。吸力锚安装完成后，关闭沉贯阀门，打开固结阀门，抽出集水管中的水体，使加劲肋内部水压下降，即产生水头差。吸力锚外侧土体中的水在水头差的作用下，经过排水孔，流入加劲肋，通过集水管排出。锚身周围的土体排水固结，土体抗剪强度增加，提高吸力锚拉拔承载力和稳定性，减少吸力锚施工周期。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程深海锚泊技术领域，尤其涉及一种重固结吸力锚及其使用方法。
背景技术
随着海上能源开采逐渐向深海推进，适用深海采油平台的锚泊系统受到海洋工业界的广泛关注。吸力锚因其安装简单、便于操作、成本低的优点已在海洋工程建设中得到大量应用。由于海床地基的沉积特性，不可避免地遇到了大量的不良软黏土地基，并且厚度往往很大，覆盖范围也非常广泛。吸力锚贯入海床后，由于海底软黏土的渗透系数很低，吸力锚贯入深度大，吸力锚周围的土体受到剧烈的扰动。由于缺少有效的排水路径，导致吸力锚周围土体内部超孔隙水压力累计，且难以消散，导致吸力锚周围土体有效应力减小，抗剪强度降低。由此使得吸力锚的承载力及稳定性大大降低。为了增加吸力锚拉拔承载力及其稳定性，相关研究者们对吸力锚进行了改进。现有技术的相关研究报道主要有：
公开号为CN113338330A的中国专利公开了一种仿刺吸式口器吸力锚，该吸力锚在锚桶外壁均匀布设凸刺，通过增大外壁与土体摩擦提高基础抗拔承载力。但凸刺尖端与土体接触将产生应力集中，应力集中对吸力锚抗拔承载力造成极大损失，且新增凸刺使锚侧壁厚度增加，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，不能贯入预期埋深。
公开号为CN108239977A、CN205314125U和CN206815361U的中国专利分别公开了一种可增强抗拔力的吸力锚，该吸力锚在桶壁外侧设置有一定坡度的环形凹槽，通过增大外壁与地基土接触面积提高基础的抗拔承载力，但新增环形凹槽增大了锚侧壁厚度，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
公开号为CN108425379A的中国专利公开了一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法，该吸力锚内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起，基础侧壁内壁空心环形凸起的侧壁形成倒钩状结构，通过增大内壁与土体摩擦提高基础抗拔承载力，但空心环形凸起不能调动桶外土体抵抗水平荷载和弯矩，故对抗拔承载力提高有限，且新增空心环形凸起增大了锚侧壁厚度，沉贯过程中吸力锚础尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
公开号为CN107299645A的中国专利公开了一种深海竹节式吸力锚，该吸力锚包括竹节式锚桶、轴承和可旋转喷头，通过增大基础侧壁与土体摩擦力提高基础抗拔承载力，但桶壁呈竹节状使得锚侧壁厚度增大，故沉贯过程中吸力锚尖端阻力增大，难以贯入设计深度。
公开号为CN115522562A的中国专利公开了一种仿生鳞片式桶壁式吸力基础，它包括一个顶部封闭，底部开口的桶体，桶体顶部设有可以打开和关闭的排水口。桶体外壁布置有仿生鳞片结构，一组横向和竖向都连续的多层仿生鳞片结构成为一个仿生鳞片组。通过对现有吸力基础进行改进，显著降低沉贯阻力和沉贯土塞高度，提升基础抗拔承载力。
公开号为CN 115924001 A的中国专利公开了一种吸力锚增固装置、吸力锚及吸力锚安装方法，提供一种吸力锚增固装置、吸力锚及吸力锚安装方法。通过操纵所述控制机构，能够使所述锚爪与所述基体成预设角度。不仅有利于提高吸力锚的竖向及抗拔承载力，更有利于提高吸力锚安装效率。
公开号为CN 114604362 A的中国专利公开了一种横向拓展轮辐式吸力锚，该横向拓展轮辐式吸力锚包括：内筒、外筒和多个第一辐板，外筒设置于内筒外，并且外筒的纵向长度小于内筒的纵向长度，第一辐板设置于外筒与内筒之间，并且，第一辐板的外侧与外筒固结，第一辐板的内侧与内筒固结，第一辐板上设置有多个第一通孔，多个第一辐板绕内筒圆周分，解决了吸力锚的承载力较差的技术问题。
公开号为CN 108425379 B的中国专利公开了一种深海内环式海底吸力锚及其安装方法，该吸力锚包括吸力主桶，吸力主桶内壁沿轴向等间距布置若干空心环形凸起。该吸力锚能够更加顺利的下沉、贯入土体，沉放至预定的设计深度，在增加侧摩阻力的发挥下最大程度的减小对桶外土体的扰动，极大地提高各种工况下的吸力锚竖向承载力和极限抗拔承载力。
由此可见，上述现有技术主要从提高吸力锚与海床土的接触面积，基于仿生学研发了能够减小贯入阻力，提高承载力的新型吸力锚。然而，现有技术中，尚无通过重固结吸力锚周围土体，提高土体抗剪强度，强化吸力锚与土体界面强度，进而增加吸力锚承载力及稳定性的报道。因此，基于土力学有效应力原理，研发一种重固结吸力锚及其使用方法，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锚身周围土体强度的问题，本发明的目的之一在于提供了一种重固结吸力锚，能对吸力锚周围受扰动的土体进行重固结，降低累计的超孔隙水压力，增加土体抗剪强度，提高吸力锚与土体界面之间的强度，为提升吸力锚承载力及其稳定性提供新的思路和解决方法。
本发明采用以下的技术方案：
一种重固结吸力锚，包括吸力锚和固结装置，所述吸力锚包括圆桶，圆桶的顶部焊接有顶板，圆桶的外下部固定连接有锚眼板，所述顶板上连接有抽水管，抽水管上设置有沉贯阀门。
所述固结装置包括集水管和多个圆环形的加劲肋，多个加劲肋自上而下依次固定连接在圆桶的外壁上，所述加劲肋的表面开设有多个排水孔，加劲肋的表面还粘接有一层土工布；所述集水管与抽水管连接，集水管与加劲肋均连通，集水管上设置有固结阀门。
优选地，所述圆桶是由钢板巻制而成的，圆桶的壁厚为其外径的1/100。
优选地，所述加劲肋是由空心钢制方管卷曲成圆环形制成的，多个加劲肋等间距的均匀的固定连接在圆桶的外壁上。
优选地，所述排水孔开设在加劲肋的上侧面、下侧面和外侧面，排水孔贯穿加劲肋的管壁，排水孔沿加劲肋环向等间距布置。
优选地，所述土工布粘接在加劲肋的上侧面、下侧面和外侧面，土工布为具有透水性的土工合成材料。
优选地，所述抽水管为钢制圆管，抽水管与圆桶内部相连通。
优选地，所述锚眼板上开设有用于连接锚链的锚眼。
优选地：所述的集水管包括水平段和竖直段，所述固结阀门设置在水平段，所述竖直段包括多个分节管，分节管连接在加劲肋的排水孔上，从而实现集水管与加劲肋均连通。
本发明另一个目的是提供了一种重固结吸力锚的使用方法。
一种重固结吸力锚的使用方法，采用如上所述的一种重固结吸力锚，使用方法包括以下步骤：
步骤1：根据设计要求，关闭固结阀门，打开沉贯阀门，重固结吸力锚吊装就位，在自身重力的作用下沉入海床，吸力锚内部形成封闭水体；抽水管连接抽水泵，将吸力锚内部封闭的水体慢慢抽出，吸力锚沉贯至设计深度，关闭沉贯阀门。
步骤2：将固结阀门打开，抽水泵继续抽出集水管中的水，集水管内水被抽出，加劲肋内部水压下降；加劲肋内外部产生水头差，外部土体中的水在水头差的作用下透过土工布经过排水孔进入加劲肋，再由集水管到达抽水管排出。
步骤3：持续抽水完成后，关闭固结阀门，移除抽水泵；吸力锚周围土体完成快速固结，土体抗剪强度迅速增加，吸力锚拉拔承载力和稳定性大大提升，大大缩短吸力锚安装周期。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种重固结吸力锚及其使用方法，通过在圆桶的外侧壁设置加劲肋，提高圆桶的抗压强度，可避免吸力锚负压沉贯过程中圆桶发生屈曲破坏，同时减小了圆桶的厚度，降低用钢量；通过在加劲肋上、下和外侧面设置排水孔实现吸力锚周围土体中的水穿过加劲肋外壁流进加劲肋内部，汇集到集水管；土工布能够实现土中的水流入加劲肋，同时阻止土体进入加劲肋内部，防止土体堵塞排水通道。土工布也增加了加劲肋和土体之间的粗糙度，进一步增加了加劲肋与土体之间的摩阻力，吸力锚承载力及其稳定性进一步提高。
通过打开固结阀门，关闭沉贯阀门，实现抽出集水管和加劲肋内部的水，加劲肋内部水压降低，吸力锚外部土体固结，土体抗剪强度增加，吸力锚承载力和稳定性提升。通过增加抽水泵的功率，增大加劲肋内、外侧水头差，加快吸力锚外侧土体排水固结，减小施工周期。加劲肋的设计还可极大地提高加劲肋周围受扰动的土体固结，提高被扰动土体强度恢复速率，吸力锚可快速进入工作状态，节省施工周期。
与现有技术相比，本发明不需要已有技术所要求的增加复杂的锚爪、辐板、空心环形凸起或者制作竹节状或者鳞片式的桶壁，大大降低锚固系统的制造成本。本发明通过排出吸力锚周围重塑土体内部的水，土中的超孔隙水压力得到有效消散，实现土体排水固结，土体抗剪强度增加，吸力锚承载力及稳定性大大提高。
综上所述，本发明制造简单，安装快捷，可快速固结吸力锚周围受扰动的土体，增加土体抗剪强度，吸力锚抗拔承载力及其稳定性显著提高。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明一种重固结吸力锚外部细节示意图。
图2为本发明一种重固结吸力锚的竖向剖面图。
图中：1、抽水管，2沉贯阀门，3、土工布，4、圆桶，5、锚眼板，6、固结阀门，7、顶板，8、集水管，9、加劲肋，10、排水孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
实施例1，结合图1和图2，一种重固结吸力锚，包括吸力锚和固结装置。其中，吸力锚包括圆桶4，圆桶4的顶部焊接有顶板7，圆桶4的外下部固定连接有锚眼板5，顶板7上连接有抽水管1，抽水管上设置有沉贯阀门2。
圆桶4是由钢板巻制而成的，圆桶4的壁厚为其外径的1/100。
在本实施例中，圆桶4是由厚度为0.02m～0.05m、宽度为1m的钢板巻制而成的圆管上下焊接而成的，多个圆管焊接在一起，达到圆桶4的目标高度。
顶板7的厚度约等于4倍的圆桶4的桶壁厚度，其为实心钢制圆板。
锚眼板5上开设有用于连接锚链的锚眼。锚眼板5为外径0.5m的半圆环形钢板，其厚度和宽度为2倍的圆桶4的桶壁厚度。锚眼板5距离圆桶4顶部的距离约为整个圆桶4高度的2/3。
在本实施例中，抽水管1为直径0.2~0.5m的钢制圆管，其管壁厚度等于圆桶4的桶壁厚度的一半，抽水管1与圆桶4内部相连通。
固结装置包括集水管8和多个圆环形的加劲肋9，多个加劲肋9自上而下依次固定连接在圆桶4的外壁上。具体的，加劲肋9是由宽和高等于2倍圆桶4的桶壁厚度的空心钢制方管卷曲成圆环形制成的，加劲肋9管壁的厚度等于圆桶4的桶壁的厚度，多个加劲肋9等间距的均匀的固定连接在圆桶4的外壁上。
加劲肋9的表面开设有多个排水孔10，加劲肋9的表面还粘接有一层土工布3。集水管8与抽水管1连接，集水管8与加劲肋9均连通，集水管8上设置有固结阀门6。
排水孔10开设在加劲肋9的上侧面、下侧面和外侧面，排水孔10贯穿加劲肋9的管壁，排水孔10沿加劲肋9环向等间距布置。
土工布3粘接在加劲肋9的上侧面、下侧面和外侧面，土工布3为具有透水性的土工合成材料。土工布3的厚度为0.001~0.005m，其渗透系数k=1.0 ～9.9之间。
集水管8管壁的厚度为0.005m，集水管8包括水平段和竖直段，固结阀门6设置在水平段。竖直段包括多个分节管，分节管连接在加劲肋9的排水孔10上，从而实现集水管8与加劲肋9均连通。
沉贯阀门2和固结阀门6都是有一个手柄的球形阀，阀芯是一个球，中间一个空洞，阀门手柄只能够转90度，顺时针旋转水阀手柄到与给水管道垂直的时候阀门是关闭阀门，而逆时针旋转阀门手柄使手柄与管道同向，开启阀门。
加劲肋9能提高圆桶4的抗压强度，可避免吸力锚负压沉贯过程中圆桶发生屈曲破坏，同时减小了圆桶的厚度，降低用钢量。
排水孔10实现吸力锚周围土体中的水穿过加劲肋9外壁流进加劲肋内部，汇集到集水管8。
土工布3能够实现土中的水流入加劲肋9，同时阻止土体进入加劲肋9内部，防止土体堵塞排水通道。
抽水管1连接抽水泵，使用时关闭固结阀门6，打开沉贯阀门2，实现抽出吸力锚内部水，吸力锚内部水压降低，吸力锚沉贯安装。打开固结阀门6，关闭沉贯阀门2，实现抽出集水管8和加劲肋9内部的水，加劲肋9内部水压降低，吸力锚外部土体固结，土体抗剪强度增加，吸力锚承载力和稳定性提升。通过增加抽水泵的功率，增大加劲肋内、外侧水头差，加快吸力锚外侧土体排水固结，减小施工周期。土工布3也增加了加劲肋和土体之间的粗糙度，进一步增加了加劲肋9与土体之间的摩阻力，吸力锚承载力及其稳定性进一步提高。
圆桶4、顶板7、抽水管1、锚眼板5和沉贯阀门2作为一个整体，实现了吸力锚贯入安装和承载。加劲肋9、集水管8、排水孔10、土工布3和固结阀门6作为一个整体对吸力锚周围土体进行排水固结，提高土体抗剪强度，吸力锚承载力及稳定性得到大幅度提高。
实施例2，一种重固结吸力锚的使用方法，采用实施例1的一种重固结吸力锚，使用方法包括以下步骤：
步骤1：根据设计要求，关闭固结阀门6，打开沉贯阀门2，重固结吸力锚吊装就位，在自身重力的作用下沉入海床，吸力锚内部形成封闭水体；抽水管1连接抽水泵，将吸力锚内部封闭的水体慢慢抽出，吸力锚沉贯至设计深度，关闭沉贯阀门2；
步骤2：将固结阀门6打开，抽水泵继续抽出集水管8中的水，集水管8内水被抽出，加劲肋9内部水压下降；加劲肋9内外部产生水头差，外部土体中的水在水头差的作用下透过土工布3经过排水孔进入加劲肋，再由集水管8到达抽水管1排出；
步骤3：持续抽水完成后，关闭固结阀门6，移除抽水泵；吸力锚周围土体完成快速固结，土体抗剪强度迅速增加，吸力锚拉拔承载力和稳定性大大提升，大大缩短吸力锚安装周期。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种重固结吸力锚，其特征在于，包括吸力锚和固结装置，所述吸力锚包括圆桶（4），圆桶（4）的顶部焊接有顶板（7），圆桶（4）的外下部固定连接有锚眼板（5），所述顶板上连接有抽水管（1），抽水管（1）上设置有沉贯阀门（2）；
所述固结装置包括集水管（8）和多个圆环形的加劲肋（9），多个加劲肋（9）自上而下依次固定连接在圆桶（4）的外壁上，所述加劲肋（9）的表面开设有多个排水孔（10），加劲肋（9）的表面还粘接有一层土工布（3）；所述集水管（8）与抽水管（1）连接，集水管（8）与加劲肋（9）均连通，集水管（8）上设置有固结阀门（6）。
2.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述圆桶（4）是由钢板巻制而成的，圆桶（4）的壁厚为其外径的1/100。
3.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述加劲肋（9）是由空心钢制方管卷曲成圆环形制成的，多个加劲肋（9）等间距的均匀的固定连接在圆桶（4）的外壁上。
4.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述排水孔（10）开设在加劲肋（9）的上侧面、下侧面和外侧面，排水孔（10）贯穿加劲肋的管壁，排水孔（10）沿加劲肋环向等间距布置。
5.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述土工布（3）粘接在加劲肋（9）的上侧面、下侧面和外侧面，土工布（3）为具有透水性的土工合成材料。
6.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述抽水管（1）为钢制圆管，抽水管（1）与圆桶（4）内部相连通。
7.根据权利要求1所述的一种重固结吸力锚，其特征在于，所述锚眼板（5）上开设有用于连接锚链的锚眼。
8.根据权利要求1所述的重固结吸力锚，其特征在于：所述集水管（8）包括水平段和竖直段，所述固结阀门（6）设置在水平段，所述竖直段包括多个分节管，分节管连接在加劲肋的排水孔（10）上，从而实现集水管（8）与加劲肋（9）均连通。
9.一种重固结吸力锚的使用方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的一种重固结吸力锚，使用方法包括以下步骤：
步骤1：根据设计要求，关闭固结阀门（6），打开沉贯阀门（2），重固结吸力锚吊装就位，在自身重力的作用下沉入海床，吸力锚内部形成封闭水体；抽水管（1）连接抽水泵，将吸力锚内部封闭的水体慢慢抽出，吸力锚沉贯至设计深度，关闭沉贯阀门（2）；
步骤2：将固结阀门（6）打开，抽水泵继续抽出集水管（8）中的水，集水管（8）内水被抽出，加劲肋（9）内部水压下降；加劲肋（9）内外部产生水头差，外部土体中的水在水头差的作用下透过土工布（3）经过排水孔（10）进入加劲肋（9），再由集水管（8）到达抽水管（1）排出；
步骤3：持续抽水完成后，关闭固结阀门（6），移除抽水泵。
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