张力腿平台整体式负压基础沉贯及抗拔模型实验

李嘉文 ，杨树耕 ，姜宜辰，邹 星，张振宇 ，梁 静

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；

3. 中海油研究总院，北京 100027)

在世界各国对人类共同拥有的深海资源激烈竞争的形势下，我国必须高度重视对深海平台技术的研究．张力腿平台(tension leg platform，TLP)作为深海理想的平台型式，得到了广泛的重视和发展．张力腿平台主要使用桩基础．桩基础在深海中，耗钢量大，打桩难度高，施工周期长，而桶形基础成本较低，施工周期短，便于运输和安装，可以重复使用，对土体勘察比较容易，特别适用于深海软土地基[1-5]．因此桶形基础是一种比桩基础更适合张力腿平台的基础形式．

然而目前桶形基础用于张力腿平台时适用水深仅为330～350,m，造成该问题的主要原因是桶形基础依靠潜水泵系统抽吸形成负压．泵能产生的水头差决定了桶形基础的适用水深．

针对这一问题，在深入研究负压桶形基础后，笔者提出一种新型的、适用于上千米水深的张力腿平台整体式负压基础设计方案．为验证此负压沉贯方案的可行性，根据负压沉贯的原理，笔者设计了模拟海底高压环境的实验罐以及模拟抗压储水舱的附有储水罐的桶形基础(简称桶基)，进行沉贯实验．同时，设计了动、静抗拔装置，以探求动载荷与静载荷的关系，为张力腿平台整体式负压基础的实际应用提供依据和经验．

1 整体式负压基础

张力腿平台整体式负压基础由抗压储水舱、桶形基础以及桁架连接构件等组成，如图1 所示．在这种设计中，改变传统的用泵抽吸形成负压的方式，利用海底高压将桶基内的海水压到桶基上部的储水舱中.

图1 张力腿平台整体式负压基础示意Fig.1 Integrative suction foundation for TLP

具体操作工作分成以下4 个阶段，工作原理及各部分名称如图2 所示．

图2 抗压储水舱工作原理示意Fig.2 Principle demonstration of crush-resistant water storage tank

(1) 整体式负压基础下沉到海底时，在自重作用下，桶基下缘会嵌入土中一定深度．此时，打开单向通海阀，桶基内部海水会从通海阀排出，桶基继续下沉，最终形成桶内水体的封闭状态．在此过程中，抗压储水舱与桶基之间的电子阀门1 保持关闭状态，抗压储水舱内部为大气常压状态．

(2) 关闭通海阀，打开阀门1，因桶基内水压大于储水舱内的空气压力，桶基内部海水会流入储水舱．当桶内大量海水流入储水舱后，桶内海水压力会逐渐变小．由于桶外海水压力保持不变，会产生对桶基向下的压力．在此压力作用下，桶基便可不断下沉，直至沉贯完成．

(3) 当桶内海水大量流入储水舱后，舱内压强不断增大．为避免舱内气压过大，适时开启阀门2，使空气排出．整个沉贯过程中随时监控储水舱内气压，通过调整阀门1 和阀门2 的开闭程度，调整桶基内压力，进而控制沉贯速度．实现桶基的逐步贯入，最终达到设计深度[6]．

(4) 在基础贯入预定深度以后，关闭阀门1 和阀门2，抗压储水舱压力稳定．桶基内外压力差逐渐消失，桶内压力恢复到周围环境压力．经过一段时间固结以及试拉之后，桶基即可承受抗拔力．继而可将张力腿系统与平台主体相连，平台开始工作．

整体式负压基础设计时的另一个创新之处是它的整体性．以往的桶形基础都是采用单个桶基、逐一沉贯的方式来施工的．这种沉贯方式的缺点在于施工周期相对较长，在海况复杂的深海海域施工时，不仅会增加成本，还可能出现难以预料的风险；而且，如果4 个桶基单独进行沉贯，由于水深的原因，沉贯位置不易控制，很可能造成张力腿之间不平行，因而对平台的安全造成威胁．故本文设计时采用整体式方案，即通过桁架连接构件将4 个桶基连成整体，可同时进行沉贯，缩短海上施工时间，节省施工成本，降低操作风险；4 桶形成整体，既保证4 个桶基的相对位置不变，又保证桶基垂直海底表面，使得桶基能够垂直沉贯，且沉贯位置相对固定，可确保4 个张力腿保持平行；此外，4 桶形成整体后，有利于抵御海底冲刷，增强基础整体抗倾抗滑能力，同时也大大提高了单桶稳定性．

2 计算公式

2.1 沉贯实验计算公式

在沉贯过程中的下沉阻力计算公式采用考虑渗流的下沉阻力计算公式[7]，即

式中：R 为下沉阻力；D 为桶基直径；h 为下沉深度；KN为与内表面摩擦阻力有关的系数；KW为与外表面摩擦阻力有关的系数；KP为关联qch与端阻力的经验系数；f 为桶基侧壁单位面积摩阻力；qch为平均标贯阻力；t 为桶基壁厚．根据多项工程实践及分析得到的折减系数取值范围为：KN＝0～0.3，KW＝0.3～0.6，KP＝0.001～0.002[8]．

桶基下沉力公式为

式中：T 为下沉力；W 为桶基水中重量；pΔ 为桶内外压力差．

沉贯条件为T＞R．当R＝T 时，沉贯达到最大深度，此时下沉加速度为零，即

由于总渗流量很难直接测量，因此可根据沉贯到底的总流量求得，桶基负压沉贯到底的示意如图3所示．

图3 桶基负压沉贯完成状态示意Fig.3 Final status of the suction penetration of bucket foundation

总渗流量计算公式为

式中：QSL为总渗流量；Q 为总流量；QCG为负压沉贯深度引起的流量；QT为土塞隆起部分所置换的水量．

土塞高度计算公式为

式中：Z 为土塞高度；ht为桶基高度；hCG为沉贯深度；h0为初始贯入高度[9-10]．

2.2 抗拔实验计算公式

抗拔实验使用砂土地基，安装在砂中的负压桶形基础受到持续的上拔载荷时，它的失效是在排水状态(没有吸力)时发生，此时桶基将被从砂土中拔出，拔出阻力则为桶裙内外壁的摩擦阻力，因此抗拔力公式为

在单层土系统中

式中：Pe、Pi分别为桶基截面的外、内周长；Km为系数，在拉拔状态下是 Nm的0.5 倍．系数 Nm等价于API 中的单位面积侧摩阻力 fi= Kp tanδ中的K tanδ，土层静止侧压力系数K ＝0.8，δ为土与桶壁的摩擦角．桶基各尺寸如图4 所示．

图4 桶基总体尺寸示意Fig.4 Dimensions of a bucket foundation

根据以上计算公式，可以初步估计完成实验所需的沉贯负压和静抗拔力，以此设计实验仪器，并在实验后分析实验数据与理论值的关系．

3 实验方法

3.1 实验仪器

3.1.1 沉贯实验仪器

实验中采用均匀细砂土制作地基模型，地基模型直径1.6,m，高度0.75,m．实验前在地基模型中充水，使砂土充分饱和，静置一段时间使其固结．地基模型置于实验罐内．实验罐如图5 所示，直径1.6,m、高1.6,m 的钢制圆桶，侧面装有观察窗，上下分别由阀门连接进、出水管，顶部设置法兰密封罐盖．密封罐盖后，可通过向罐内加水使内部压力增加，模拟海底高压状态．

由于实验罐尺寸的限制，同时由于本文重在验证负压沉贯的可行性，因此，本实验仅验证单个桶基是否可以顺利完成沉贯．实验装置如图6 所示，通过调节进水阀门和出水阀门控制进、出水流量，以控制沉贯速度(模拟图2 中阀门1、2 作用)．位于进水口和出水口的压力表用来记录水压，为计算桶内负压提供数据．储水罐用来储存从桶基内部排出的水，以测量总流量和渗流量．

图5 实验罐Fig.5 Experimental tank

图6 测量负压原理示意Fig.6 Operational principle of the measurement of negative pressure in the suction caisson

实验中使用3 种尺寸的钢制桶基模型进行沉贯实验，其参数如表1 所示．

表1 桶基模型参数Tab.1 Parameters of bucket foundation models

3.1.2 抗拔实验仪器

抗拔实验同样在实验罐中进行，实验时将密封罐盖取下．静、动抗拔实验各部分装置如图7 和图8所示．

图7 静抗拔实验各部分装置Fig.7 Static loading experimental apparatus

图8 动抗拔实验各部分装置Fig.8 Dynamic loading experimental apparatus

静抗拔力实验中，使用滑轮和拉压传感器测量极限静抗拔力．

动抗拔力实验中，使用调频电机带动偏心轮旋转产生不同频率的动载荷．连接在偏心轮的滑杆在导向轮控制下上下往复运动．拉压传感器一端与滑杆相连，另一端通过弹簧和弹簧调节杆与桶基模型相连．电机转动时，传感器显示屏显示出动载荷的变化．动载荷的幅值和周期可通过改变弹簧调节杆长度和电机频率调节．

3.2 实验过程

3.2.1 沉贯实验过程

测量桶内负压的方法如图6 所示，主要根据桶外压力表所测压力 1p 、4p 以及伯努利方程，计算过程如下：

故驱动桶基沉贯的负压为

同时可以看出，通过调节进、出水阀，以改变进出水压力，以控制桶内负压．

实验时首先将桶基放入实验罐水中，使其内部完全充满水，并将软管放入桶基内部．将桶基插入泥面一定距离，调节桶基水平．打开阀门，每隔2,min 记录桶内水位变化、桶基沉贯位移和压力表示数．当出水管中出现大量沙子，可认为桶基沉贯到底，记录总排水量与桶顶距泥面距离．

3.2.2 抗拔实验过程

抗拔实验分为静抗拔实验和动抗拔实验．静抗拔实验通过滑轮向1 号桶施加静上拔力，直至桶基被拔起．记录传感器示数，最大示数即为极限抗拔力．

动抗拔实验可模拟张力腿平台的张力腿工作情况．张力腿受到预张力处于拉张的绷紧状态，实验通过调节弹簧长度模拟张力腿预张紧状态．波浪载荷为动载荷，是一个上下波动的值，通过张力腿传递到桶基顶部．实验通过偏心轮旋转带动滑杆上下运动模拟波浪载荷对桶基的作用．实验时通过调节弹簧杆来调节弹簧长度，使弹簧预张紧，该预张力即为动载荷幅值．启动电机，采集传感器示数．改变电机转动频率与初始预张力大小，观察拉力变化．

4 实验成果

4.1 沉贯实验成果

实验中1 号桶在不加罐盖情况下无法沉贯到位，需要加盖形成密闭高压环境完成沉贯．2 号桶和3 号桶由于直径较小，在不加盖情况下依靠排水可沉贯到位．根据实验数据绘制了不同目的的实验曲线，得出如下分析结论．

(1) 使用2 号桶做了2 次沉贯实验，每次沙子固结时间分别为0.5,h(H(t))和1.0,h(H′(t))，实验数据如图9 所示，初始沉贯时沉降深度随时间线性增加，2 组实验最终沉贯深度不同．第1 组固结时间短，砂土渗流量大，负压小，因此最终沉贯深度小．

图9 2号桶沉贯深度与时间的关系Fig.9 Relationship between penetration depth and penetration time of the No.2,bucket

(2) 随着沉贯时间和沉贯深度增加，桶外压力增加，桶内压力减小，负压不断增加．负压使桶内土中渗流向上，有效应力减小，桶内侧摩阻力和桶端摩阻力减小；桶外土中渗流向下，有效应力增加，桶外侧摩阻力增加．而且沙土渗透性较强，总体效应使沉贯阻力大幅减小，因此较小的负压便使桶基完成沉贯．如图10 所示，由于第1 组实验砂土p(t)固结时间比第2 组实验p’(t)固结时间短，沉贯中渗流较大，导致桶内压力减小，因此负压较小．如果负压过大，桶内土有效应力减小为零，会发生土体液化失稳，应该避免这种现象发生．

图10 2号桶内负压与时间的关系Fig.10 Relationship between negative pressure and penetration time of the No.2,bucket

(3) 沉贯速度v(t)在沉贯初期增加至最大值后随时间减小，如图11 所示．沉贯速度主要受侧摩阻力和桶内负压影响，由于沉贯深度增加，桶基与泥土接触面积不断增加，负压增加速度比摩擦力增加速度小，使沉贯速度变化率不断减小，直至为零．

图11 2号桶沉贯速度与时间的关系Fig.11 Relationship between penetration velocity and penetration time of the No.2,bucket

(4) 沉贯阻力T(H)较小，且变化平稳，如图12所示．这一特性对桶形基础沉贯就位提供了极为有利的条件，有助于桶基安全沉贯到底，减小了施工难度．

(5) 总流量与渗流量的关系．根据前文分析，可从沉贯到底的总流量中计算出总渗流量，2 号桶渗流量计算结果如表2 所示，砂土渗透率很高，渗流率较大．因此实验得出的2 号桶和3 号桶的下沉阻力(576,N、337,N)远小于理论计算值(1 076,N、810,N)．

图12 2号桶下沉阻力与沉贯深度的关系Fig.12 Relationship between the resistance and penetration depth of the No.2,bucket

4.2 抗拔实验成果

由于负压沉贯方式与用泵抽吸的方式不同，为确定通过负压沉贯后桶基产生的抗拔力与传统桶基相同，本文分别对静抗拔力和动抗拔力进行了测试．

(1) 在静抗拔实验中，对1 号桶施加静上拔力，静抗拔实验传感器示数显示静抗拔力为1,180,N，与理论值1,131,N 基本符合，差异在于砂土性质不同．沉贯方法对静抗拔力无明显影响．

(2) 动抗拔实验数据表明，受到局部剪切破坏的桶基在动载作用下将缓慢上拔，抗拔力来自于桶内外壁的侧摩阻力，随桶体拔出，侧摩阻力减小，从而导致桶基抗拔力下降．由于侧摩阻力最终与上拔力平衡，抗拔力会在一定范围内停止变化．

表2 总流量与渗流量的关系Tab.2 Relationship between the total flow and seepage flow

(3) 动载荷下初始抗拔力在小于静载极限抗拔力时已开始对桶有拔出作用．表现在抗拔实验初始数据700,N 以上时，不施加循环动载，传感器所测力的数值已有持续下降趋势．这是由于静载荷拔桶时桶内由于渗流速度较慢，无法抵消桶上拔所引起的桶内负压，负压的存在增大了桶基的极限抗拔力；而动载荷作用时，由于循环载荷给予土体足够时间渗流补充桶内负压，负压造成的抗拔力部分抵消，则抗拔力有所损失．

(4) 实验中设定5 组不同初始预张力，数据表明，初始预张力越大，即动载荷幅值越大，则最终平衡值越小．不同动载荷幅值作用下，平衡值在570～610,N 之间，远小于静抗拔力值．

(5) 在相同初始预张力作用下，改变电机频率，发现电机频率越大，即动载荷循环周期越小，则桶基抗拔力减小越明显，平衡值越小．载荷周期对抗拔力有明显影响．

5 结 论

(1) 利用水头驱动力可完成桶形基础的沉贯，可代替泵抽吸，利用阀门控制流量来调整负压大小，方便操作，更适用于深海环境．

(2) 随着桶基尺寸增加，下沉阻力增加，静水压力不能满足沉贯需要，可利用加盖密封，从进水管中注水以增大水头压力来完成沉贯．在密封实验罐中进行的模型实验更好地模拟深海中抗压储水舱的工作环境．

(3) 自主设计的抗拔实验仪器符合张力腿平台工作机制，用弹簧模拟张力腿，偏心轮连接滑杆往复运动模拟波浪载荷竖向分量对桶基的动载作用，对比桶形基础在静、动抗拔力下的不同响应，可研究动载荷对桶形基础的影响规律．

(4) 实验仪器可通过改变土壤条件、桶基尺度、桶基数量以及弹簧刚度等因素，模拟不同环境下张力腿平台整体式负压基础的工作情况．

张力腿平台整体式负压基础改变了传统的泵抽吸形成负压的方式，增加了负压基础用于张力腿平台时的适用水深，且整体式基础4 桶同时沉贯，极大缩短海上施工时间，显著降低施工成本和操作风险，相比以往的桩基础和负压基础优势明显，是一种新型可用的张力腿平台基础形式，对我国深海资源开发，尤其是南海油气田开发有重要意义．

［1］Senpere D，Auvergne G A. Suction anchor piles：A proven alternative to driving or drilling[C]//Proceedings of Offshore Tech Conf. Houston，USA，1982：483-493.

［2］Tjelta T I. Geotechnical experience from the installation of the Europipe jacket with bucket foundations[C]// Offshore Technology Conference. Houston，USA，1995：897-906.

［3］Bye A，Erbrich C，Earl K，et al. Geotechnical design of bucket foundation [C] // Proceedings of Offshore Tech Conf. Houston，USA，1995：869-883.

［4］Yang S，Shen W，Yang Z. The mechanism analysis of the seafloor silt liquefaction under wave loading[J].China Ocean Engineering，1995，9(4)：375-386.

［5］庞 然. 软粘土中桶形基础竖向循环承载力分析[D].天津：天津大学建筑工程学院，2007.Pang Ran. Analysis of the Vertical Cyclic Bearing Capacity of Bucket Foundations in Soft Clays[D]. Tianjin：School of Civil Engineering ， Tianjin University ，2007(in Chinese).

［6］邹 星. 张力腿平台整体式负压基础设计研究[D]. 天津：天津大学建筑工程学院，2008．Zou Xing. Design and Research of Integrative Suction Foundation for Tension Leg Platform[D]. Tianjin ：School of Civil Engineering ， Tianjin University ，2008(in Chinese).

［7］杨树耕，孟昭瑛，许 涛，等. 海上筒基平台负压沉贯阻力的数值计算研究[J]. 海洋学报， 1999 ，21(6)：94-106.Yang Shugeng，Meng Zhaoying，Xu Tao，et al. Numerical study for penetrating resistance of offshore bucket foundation platform[J]. Acta Oceanologica Sinica，1999，21(6)：94-106(in Chinese).

［8］张士华. 海上桶形基础平台负压沉贯渗流场有限元分析[D]. 青岛：中国海洋大学海洋环境学院，2001.Zhang Shihua. Finite element analysis of offshore bucket foundation platform suction penetration seepage field[D]. Qingdao：College of Marine Environment，Ocean University of China，2001(in Chinese).

［9］朱儒弟，张亭健，胡福辰，等. 桶形基础模型负压沉贯的土工技术实验研究[J]. 海岸工程， 1999 ，18(1)：37-42.Zhu Rudi，Zhang Tingjian，Hu Fuchen，et al. The geotechnical test study of suction penetration for bucket foundation models[J]. Coastal Engineering，1999，18(1)：37-42(in Chinese).

［10］杨少丽，李安龙，齐剑锋. 桶基负压沉贯过程模型实验研究[J]. 岩土工程学报，2003，25(2)：236-238．Yang Shaoli，Li Anlong，Qi Jianfeng. Experimental study on bucket foundation during penetration by suction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(2)：236-238(in Chinese).