筒形基础安装失败案例分析

张翊飞

(中国船级社天津分社， 天津 300457)

筒形基础安装失败案例分析

张翊飞

(中国船级社天津分社， 天津 300457)

结合现场筒形基础安装全过程，有针对性地记录安装失败的关键环节，利用筒形基础设计及理论知识对贯入力、负压贯入过程和土塞效应影响进行全面地剖析，带有建设性意见地提出了导致筒形基础安装失败的原因，对日后该形式海工结构物海上安装具有一定的工程借鉴意义。

筒形基础 安装 负压 土塞

1 筒形基础原理及工程的简介

筒形基础为顶部为封闭平板结构(或增加强度构件)、底端敞开的倒置桶状或杯状钢质结构物安装下放时，先靠自身以及上部结构的重量将其压入泥中一定深度，然后借助对舱内的排水、排气进行降低筒顶压力，形成筒形基础顶部上下压差，实现吸力负压贯入，最终依靠筒内外压强差将筒形基础灌入到预定的深度。由于整个过程无需像安装导管架那样调用代价高昂的海上打桩设备、工程船和长时间的海上打桩施工时间，从而显著节约海上工程费用。筒形基础作为一种新型锚泊和基础形式，因其无需打桩、费用经济、方便施工、可重复利用等特点，在我国软粘土大量分布着的渤海广阔水域，具有强大的技术优势和良好的经济性。

项目油田位于中国渤海海域,平台导管架采用三腿导管架型式(如图1所示)，导管架腿底部设筒形基础，导管架顶标高6 m，底标高-23.8 m，筒形基础高度为10 m(直径为6 m)，导管架总高度为39.8 m；吸力桩Φ=6 m，H=10 m；隔水套管直径1 394 mm(一根)，入泥深度10 m；隔水套管直径711 mm(两根)，入泥深度10 m。

该项目安装技术要求：

位置：允许在设计位置1 m半径内；方位：设计方位的 ±2°以内；标高：标高允许在设计标高±0.3 m；筒顶在泥面下，距泥面1.0 m ±0.3 m。

图1 平台导管架三维图

2 安装事故过程及损坏情况

初装前用挖沟机进行吹泥作业，计划吹出3个直径7 m左右的，深2～3 m的坑。初次安装筒形基础由起重工程船吊放，完成定位和初始角度后靠自重进行初始入泥灌入，在筒基接触到泥面后发现，两个副筒先着泥，在副筒入泥1 m左右后，主筒才着泥(副筒所在位置的泥坑是先吹出来的，当吹主筒泥坑时刚好海流方向将吹出泥带到先前吹过副筒位置的坑内。所以主筒的坑较副筒的坑深1 m左右。)，大约4 h后灌入深度达3.4 m。然后通过筒基盖上的泵阀系统产生负压，开始往外泵水，筒基下沉，结构贯入至筒顶与泥面齐平。因设计要求为筒顶在泥面下1 m±300 mm，故需潜水员筒内清泥后再贯入到设计值。由于有大风，作业船起锚避风，为防止避风后土壤固结就将结构顶起0.8 m，当晚遭遇最大风速44 m/s。次日为给潜水员筒内作业提供足够空间，需再次将筒基结构顶升，调整到灌入深度为5 m。潜水员下水将筒上部的人孔盖打开，用高压水冲筒内的泥土，以达到筒能下沉到设计深度，经8 h后清泥作业结束，开始再次负压自吸灌入。大约3 h后，由于灌入速度过慢，经潜水员检查发现主筒人孔处向筒内漏水，用工具进行紧固后继续作业。经过3 h后，因筒体贯入缓慢，潜水员再次下水进行人孔盖漏点加固作业。继续作业20 min后,三筒灌入无明显变化，主筒方向倾斜度突增至0.5°。主筒偏高，已至极限，停止贯入作业。潜水员下水进行探摸贯入深度，泥面距离筒顶剩3 m，进行查漏点后发现，主筒基边缘发现一个坑(长约2 m，宽约2 m，深约4 m)，潜水员再次探摸筒基变形处边缘坑的尺寸(长约1.7 m，宽约1.5 m，深约2 m)，筒基变形位置在人孔盖下方约2.5 m处，凹陷形状为三角形(深约0.4 m，宽约0.5 m)。

研究对策后对筒形基础进行了顶升作业，准备将筒基吊装到驳船上进行进一步勘验和修理。当筒基顶部顶升至泥面高度4 m左右时，主筒的顶升速度明显减慢并有大量气泡涌出，导管架出现明显倾斜。考虑到严重的倾斜会对筒基与导管架连接处产生较大的应力，决定利用工程浮吊船协助，将主筒提出水面。筒基吊出水面后，发现主筒有严重的变形且结构损伤较大，副筒底部也有轻微变形。

受损的筒形基础由驳船拖至码头， 通过目视检验，总体受损情况为主筒基变形较为严重，母材有撕裂现象、隔水套管倾斜等；两副筒基底部筒壁局部变形。

主筒具体情况：(1) 主筒基变形较为严重，其中筒壁及筋板变形较大，母材4.5 m左右有一处撕裂，从盖板1.5 m处向下几乎全部变形；(2) 筒基顶板受损后水平度最大为11 mm；(3) 主筒基顶部人孔变形，经测量水平度最大为8 mm；(4) 有一个直径为711 mm的隔水套管出现了倾斜；(5) 筒基内的支撑筋板部分有严重变形。

副筒具体情况：(1) 从5.5 m向下,两加强筋之间局部有变形，总计6处，约20 m2，其中变形处凹陷最深为500 mm；(2) 筒基内筋板有4处变形严重。

对筒形基础全面地探伤，发现如下问题：

主筒：(1) 倾斜的隔水套管与筒盖连接的筋板焊道都不同程度地出现了裂纹，其中有一处造成了焊道向筒盖方向母材撕裂；(2) 筒盖上隔水套管周围受应力较大的筋板在焊道热影响区周围出现裂纹；(3) 部分筒盖的连接筋板出现变形；(4) 隔水套管距连接筋板端部200 mm处出现母材的横向网状裂纹。

副筒：(1) 导管架延伸到副筒筒盖上的立柱周围焊缝出现裂纹；(2) 骑在筒壁上的支撑立柱纵向焊缝出现裂纹；(3) 筒盖上方连接支撑立柱的环向筋板在靠近立柱处焊缝出现裂纹。

3 安装失败原因分析

3.1 灌入力分析

对于筒形基础参照以下公式进行灌入力计算。

灌入力和灌入阻力在不同深度对应不同的值。

总的灌入阻力包括端部承载力Qp和侧摩阻力Qf：Qd=Qp+Qf。

达到灌入深度所需的负压值Pr按下面公式进行计算：

式中：Ws为筒形基础的浸入重量；Ain为承载负压的内部面积。

许用负压值Pa按下面公式进行计算：

Pa=min(γwh,Qa)

式中：γw为该环境海水密度；h为筒形基础顶部所在水深高度；Qa为许用负压，它在理论上导致额外的土壤吸附到筒壁上(土塞破坏) 。

在粘性土壤中许用负压值按下式计算：

次日上午，化验报告陆续出来，护士送进病房，我随手翻了下，居然还有一张H I V病毒抗体检测呈阴性的报告。如此看来，连远在西方的上帝也在保佑我。没过多久，又送来一套一次性麻醉吸氧管，让我马上去做气管镜。

在非粘性土壤中许用负压值按下式计算：

式中：β为由于渗流引起的阻力递减系数；K为水平土压力系数；p0为有效负载压力；δ为土壤和筒壁的摩擦角。

有效灌入力表达公式为

Fap=PaAin+Ws。

通过上述公式计算的主筒贯入力的相关参数，得出了总阻力和安全系数，如表1所示。

基于理论数值模型计算和工程实例分析的背景，研究负压对筒基与土体接触应力及贯入阻力的影响。由于负压的原因，使得筒基内外两侧土体的孔隙水压有着不同的变化趋势。同一高度处，筒外土体孔隙水压高于筒内，从而形成了由外到内的渗流场。内部土体孔隙水压的等势线分布密集，自下而上渗流明显。筒外的等势线分布松散，自下而上渗流较不明显。施工过程中，筒基以一定的速度贯入并尽量保持贯入速率的稳定性。一旦灌入速率的变化波动较大，孔隙水压值的变化幅度就会骤然增加，从而导致土体底部由于失稳而产生坍塌损坏。当筒基贯入某一深度为土体孔隙压力临界点时，其上土体孔隙水压均为负值，其下孔隙水压均为正值。该情况下筒基内的土体会产生负值的孔隙水压值。由于位于海底淤泥层大都为水饱和的土体，负的孔隙水压表明此位置的土体承受拉伸力影响，并且土体本身的抗拉性就较差，因此该部分土体极易在负孔隙水压作用下发生破坏以至形成土塞。

表1 主筒贯入力数据分析

筒基贯入初始阶段，筒壁会与土壤产生较小的接触正应力，然而随着筒基的下沉，筒壁与土间接触面积的不断增加从而导致其接触的正应力也不断增加，因此可以推断接触正应力将与贯入过程的筒体贯入深度近似成线性正比关系。当筒形基础的贯入到一定深度，接触面积不再变化因而正应力的增加趋势不断减小并趋于稳定，表明筒体周围的土体当受到筒基的贯入挤压作用后产生的体积变形将趋于稳定。最终可分析出土体的接触正应力在完全贯入后可得到接触应力的最大值和稳定值。

通过上述分析可知，负压可以减少筒内土体有效应力从而减少筒基与土之间接触的正应力。由于筒壁与土体间的摩擦阻力与接触正应力成正比关系，因此，接触正应力的减少必将引起摩擦阻力的减少。贯入过程施加负压时，一般筒基内土体的摩擦合作用力要小于外部土体的。考虑到负压在筒体沉贯过程中，对筒形基础内壁的摩擦合作用力影响较为明显，而对筒形基础筒外土体的摩擦阻力影响不明显，因此减少贯入阻力主要从减少筒壁与内部土体间的摩擦阻力入手。

3.3 土塞现象影响分析

所谓土塞现象, 是指在筒基贯入安装过程中,由于筒基内土体表面在筒内外压强差或渗流作用力的影响导致筒内土体上表面不断升高，以致于筒基在贯入安装末尾阶段升高的土体没有按照既定设计要求提前与筒基顶盖接触，最终影响筒基继续贯入而终止安装。土塞的形成因素是复杂和多方面的，它与施工地点土壤类别和土质特点有关；它与土塞现象产生时渗流场的分布状态以及筒基内土体发生变形破坏形式和特点有关；它与施工过程施加的负压、贯入速度、初始密封条件、筒基几何尺寸和筒边壁摩擦力等都有关。

土塞现象的产生会对筒形基础的安装施工过程带来较大的风险并对日后的投产使用带来安全方面的隐患。首先如果在设计初期没有考虑到土塞的影响，可能在安装过程由于筒基没有贯入到设计深度而导致安装不能满足设计要求，甚至导致安装失败。其次，一旦受到土塞影响，筒基未贯入设计深度会影响承载力，也会影响筒基的受力状态，甚至使其丧失原设计的工作能力。再次，土塞现象导致筒基顶部结构未能深埋到泥面以下，这样会影响到筒基顶部导管架连接处的海底流场变化。通常经过一段时间，裸露的筒基顶盖结构会使得海流经过时产生较强的涡激现象，变速的海流加快带走周围的土体，最终造成筒基周围泥面被海流刨食冲刷，加剧筒基承载能力下降，缩短工作寿命，危及其使用安全。

(1) 在筒形基础入泥初始阶段，筒壁内侧的泥土较为松软，此时水饱和泥面有较大的渗流梯度，也极易造成筒内土体结构失稳。土体结构失稳程度较轻的使其在渗流力作用下产生变形，形成土塞阻碍筒基顺利贯入；土体结构失稳程度较重的使得筒基内发生土体大量流失，未能在筒基贯入开口处形成致密的土体封闭层，因而使得筒基内部难以形成有效的负压最终导致安装失败。反观筒形基础随着入泥贯入深度的增加，筒基内升高土体结构趋于稳定，此时土体表面受到渗流作用力微乎其微，土体结构失稳的可能性也极小。由此可以推断筒基安装负压贯入的初期是控制渗流作用破坏筒内土体的关键，贯入负压压力不应过大保证渗流作用力不会影响土体的破坏。

(2) 在筒形基础整体贯入过程中，筒基端壁偏下区域为渗流梯度最大的区域，同时它的影响造成筒基内壁摩擦阻力始终小于筒基外端壁。

(3) 在完全贯入过程中，筒形基础渗流场的分布基本相似。渗流梯度在筒基贯入始阶段呈现增大趋势，但随着贯入深度增加，渗流力对土壤的破坏作用加大，渗流梯度又呈现下降趋势。

(4) 对不同的土质，在渗流场作用下筒基内土体都会形成土塞，只是土塞影响力的大小不同。综合单层土和分层土的研究计算结果可知：筒形基础贯入过程中，筒基内土塞数值的大小及分布情况与施工地点的土层分布情况密切相关。对于单层土一般来讲，粘性土由于不考虑渗流因素，在负压作用下形成的土塞数值较小，分布差异也比较明显，通常是中部土塞最大，越靠近边缘，土塞数值越小；非粘性土如果不考虑渗流力，它在负压下的变形很小，按照理论研究结果而言砂土的最大位移值还不到粘性土的一半。然而考虑了渗流以后的非粘性土的土塞数值比粘性土大，土塞变化曲线也比较平缓，所以渗流力对于非粘性土的变形影响是很大的。如果施工地点为多层土，则除了由土的性质不同引起土塞产生的情况不同以外，土层的分布状况也对土塞的形成有一定的影响，不同的土层分布会有不同的土塞数值。土塞的大小与土的参数密切相关。

4 结论

(1) 主筒内有三根隔水套管与筒底齐平，第一次灌入时隔水套管内的土体底层为硬质粘土没有脱落，长时间的滞留使得套管与管内土体固结。筒基再次贯入时，渗流场对其作用不如筒基明显，土塞影响加剧，使得贯入阻力增大。当主筒继续贯入时，筒内套管已不能贯入，造成直径为711的隔水套管出现倾斜，并使其周围部分连接筋板发生变形。由于主筒内部筋板结构变形导致主筒结构高应力区无法得到释放而造成筒壁的变形。

(2) 筒基选型设计中，采用了直径6 m的筒形

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基础，壁厚由上至下为20 mm过渡到12 mm的优化设计，并且筒内安装了三根与筒基高度相同的隔水套管。此设计可能存在一定隐患，首先筒基的壁板过于优化，其适应的安装工况较为苛刻，并且UC值较接近于1，安全裕度很低刚刚过规范校核值。另外,刚好在筒基高度一半位置采用壁厚由20 mm减薄到12 mm的优化设计，此位置在压杆失稳模型中刚好为弯矩剪力较大的区域。再经过二次贯入筒内负压作用，并且伴随内部结构变形，造成了该筒形基础筒壁减薄段瞬间压溃变形。

(3) 土壤资料的提取过程，在前期设计时，调查的土壤情况是泥面下7.5 m左右为粘度不大沙土层；上面是粘度较大的粘土层；设计土质资料中显示表层3.5 m内为非常软的褐色粘土，然而实际据工程船起锚带出的泥土和隔水套管内泥土都较硬的情况来看，海上施工现场土壤土质参数情况不能完全与设计的土壤调查资料相符。因此土壤资料提取是否达到前期设计覆盖范围有待研究。

(4) 在土壤分析报告中，距泥面7.5 m处为质地较硬的粘性沙土层，粘性质地土体的侧面摩擦阻力骤然增大。由于筒形基础经过了两次贯入，第一次贯入和提升可能造成筒基底部有一定变形。在经过一定时间海上施工，筒基周围土壤的扰动及固结，当再次贯入过程时筒底受到较大的侧摩阻变化。副筒底部由圆形变成了明显的多边形，并且棱角处均出现在筒顶加强筋板延伸的底部处。可见筒体在灌入时受到较大的阻力，在两端有筋板加强为刚性约束，筒壁圆弧形底部因侧摩阻力加大而迫使其受拉应力变为直线型筒壁底部。

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CaseAnalysisofInstallationFailedforBucketFoundation

ZHANGYi-fei

(China Classification Society Tianjin Branch， Tianjin 300457, China)

Based on the whole process of bucket foundation installation, the key links of failed installation are recorded. The design and theoretical knowledge of bucket foundation are used to analyze the influences of penetration force, negative pressure penetration and soil plug effect. The causes of failed installation of bucket foundation are pointed out and analyzed, which can provide a reference for the offshore installation of marine structures in the future.

Bucket foundation Installation Negative pressure Soil plug

张翊飞(1980-)，男，工程师。

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