吸力锚沉贯过程浅析

刘耀江　刘作榆　方 霖　陈晓东　孙首阳（深圳海油工程水下技术有限公司，广州　深圳　518067）



吸力锚沉贯过程浅析

刘耀江刘作榆方 霖陈晓东孙首阳
（深圳海油工程水下技术有限公司，广州深圳518067）

摘要：本文简要阐述了吸力锚的海上安装过程，浅析了吸力锚沉贯吸力过程中所需的吸力以及沉贯时的海床阻力计算方法，对吸力沉贯过程中出现的土涌现象做了简要分析，并给出可行的应对方案。

关键词：吸力锚；土塞沉贯；阻力最大；容许吸力最小；需求吸力

1 吸力锚的安装过程

在吸力锚海上安装时，通过船用吊机将其下放至海床，让吸力锚在其自身重量与海水压力的作用下，克服海床阻力贯入到一定深度，此时关闭吸力锚的排水口，使得吸力锚内部形成密闭条件；然后潜水泵连续不间断的向外抽水以至于吸力锚内部的压力变低，当内外压差所产生的贯入力超过海床对吸力锚的阻力时，吸力锚可以继续贯入；保持潜水泵持续不断的抽水，让吸力锚连续沉贯，直至吸力锚完全贯入海床；此时，卸掉潜水泵，使得吸力锚内外压差回复平衡 ，吸力锚安装完成。

吸力锚的安装包括两个阶段：

①吸力锚自重和外部海水压力作为沉贯力的重力贯入阶段；

②此外由于潜水泵连续抽水所导致的吸力锚内、外压差作为额外贯入力的吸力沉贯阶段。

其中，吸力沉贯阶段历来就是研究重点，也是吸力锚区别于其他锚泊形式的最重要特点之一。在吸力沉贯时，一方面需要避免吸力锚内部的土体隆起量过大，形成土涌从而提前与吸力锚顶部内表面接触，无法达到吸力锚的设计沉贯深度，另一方面则需要提供足够大的贯入力以克服海床阻力。

2 吸力锚的沉贯过程计算分析

吸力锚贯入可行性分析：

（1） 海床贯入阻力

贯入阻力可由以下公式计算：

贯入阻力等于侧阻和端阻之和。

式中：

V′—垂直载荷；

ha0su1（πD0）—外部粘附力；

haisu1（πDi）—内部粘附力：

（γ′h＋su2Nc）（ πDt）—（板眼）环上的端轴承力：

Awall—吸力锚桶壁面积：

Atip—吸力锚桶壁顶部面积；

α—剪切强度系数（正常情况下与土体灵敏度成反比）；

γ′—土体的有效单位重量；

Nc—吸力锚桶壁剪切状态下的承载力系数：

Z—吸力锚贯入深度。

（2）沉贯时最小吸力

沉贯时最小吸力，由以下公式计算：

A′in—吸力锚桶壁主视图的内侧面积。

即：沉贯时最大吸力计算

式中：

Nc— 当贯入时时承载力系数根据深度与直径的比值在 6.2 ～ 9 变化；

Ainside—桶壁内侧面积；

3 吸力锚的土涌现象

土涌现象：

吸力锚沉贯时的土塞现象是吸力锚筒体底边附近土体向吸力锚筒内部大量涌入所导致的，其主要原因是过大的内部吸力作用下砂土层的液化。吸力锚的土涌现象是指在吸力锚安装过程中，由于过大的内部吸力导致的吸力锚筒体内外压力差，从而造成的吸力锚内部的土体向上抬高形成土涌，在沉贯过程中与吸力锚顶部接触，导致吸力锚无法沉贯至指定安装深度。土涌的出现，使得沉贯深度达不到指定要求此时就需要反向将吸力锚顶出，并在间隔3到5个直径位置处重新安装，这不仅延长了海上作业的时间，也让吸力锚的海上安装变得更加困难，同时吸力锚贯入不到位不仅会影响吸力锚的设计承载力，还有可能影响吸力锚的使用寿命，危及锚的安全使用。

图1

结论

（1） 吸力锚在吸力沉贯过程中，通常工程应用都是采用潜水泵提供持续不断的吸力来保证吸力锚的持续贯入，根据Allersma的研究，笔者认为在工程实际中可以采用同过吸力脉冲的方式安装吸力锚，目前并没有可以提供吸力脉冲的潜水泵，笔者认为可以通过人为的控制潜水泵的开关以及吸力大小形成吸力脉冲，这也可以是潜水泵的发展方向之一。

（2） 根据张浦阳的研究，吸力锚沉贯过程中负压吸力和渗流力是造成土塞现象的重要原因，提出吸力锚负压沉贯的初期是控制渗流破坏的关键，负压不应过大，沉贯中后期可以逐步加大负压。在实际工程中，可以采用张浦阳的研究结果，在吸力锚沉贯初期采用较小的吸力，并在中后期加大吸力，从而减小土塞，增大安装成功率，这种方式并不会对吸力锚安装造成太大负面影响，可行性较高。

（3） 从前文的阐述可以看到吸力锚有良好的应用前景，但是仍然有很多问题亟需解决：

①如何得到针对我国地质条件下的沉贯特性及需要施加的负压的确定方法。

②如何有效的控制安装过程中的土塞高度。

参考文献

[1]国振，王立忠，李玲玲.新型深水系泊基础研究进展[J].岩土力学， 2011.

[2]国振，王立忠，袁峰.粘土中吸力锚沉贯阻力与土塞形成试验研究[J].海洋工程，2011.

中图分类号：U653

文献标识码：A