用于检测吸力桶抗拔承载力的方法与流程

本发明涉及一种海底基础检测技术，尤其是一种用于检测吸力桶基础的抗拔承载力的方法。

背景技术：

近年来，随着海上能源产业的发展需要，特别是深海能源生产与运输设备的锚固与支撑，吸力式桶型基础因其可重复利用、安装方便、经济、安全等优点，近年来越来越广泛地应用于海洋工程中。吸力式桶形基础的抗拔承载力是衡量其稳定性与安全性的重要指标，因此有必要对其抗拔承载力进行检测。

因此，针对常规吸力式桶形基础抗拔承载力现场检测技术所存的问题，一种新的经济节约、工程量小、技术可行的吸力式桶形基础抗拔承载力检测技术亟待研究，以长期有效应用于吸力式桶形基础稳定性检测与安全性维护工作。

基础静载荷试验是确定基础抗拔承载力的一种最基本的方法，是分析基础在荷载作用下抗拔承载力的重要手段。通常是在安装完毕的吸力式桶形基础周边海域，用检测船作为支撑基础(临近陆地则使用陆地作为基础)，搭建钢架，直接将钢缆系于吸力式桶形基础顶部，通过定滑轮与拉力装置施加竖直向上拉力，将吸力式桶形基础拔出，以此检测其抗拔承载力。检测装置复杂笨重，费用高，耗时长，容易受场地条件的限制。

自平衡试桩法检测技术已经日趋成熟，它能有效地解决传统试验方法难以解决的诸如水上试桩、狭长场地试桩、大直径深长灌注桩承载力检测等工程技术难题，能够测试大吨位，试验方便，费用低廉，近年在港口码头桩基、海上风电基础、海洋平台基础承载力检测中得到了广泛运用。本专利基于自平衡试桩法检测技术，发明了一种用于检测吸力桶抗拔承载力的工法。

申请号为201110008232.8的中国专利申请公布了一种用于测试钢管承载力的荷载箱。该专利在桩身平衡点位置安设连接基座，与钢管桩焊接成整体。将荷载箱以及位移量测装置吊入连接基座处，测得管桩承载力。该专利可以回收荷载箱，但放置荷载箱时，需要清除土塞，不能适用于吸力式桶型基础。

申请号为201310068673.6的中国专利申请公布了一种用于沉井自平衡法测试的荷载箱。该专利在沉井的自平衡点位置处焊接好整体式荷载箱，并将相关位移量测装置与油管安装在沉井内部。待沉井下沉至指定深度，进行加载，再进行测试。但该专利申请需要沉井基础壁厚，可以安置荷载箱，并且荷载箱不可回收。

申请号为201410104594.0的中国专利申请公布了一种机械钻孔灌注桩。该专利需要先钻孔，再将荷载箱焊接到钢筋笼上，再进行注浆。该专利申请施工工艺简单，成本低。但该专利荷载箱不可回收，桩体也不可重复利用。

申请号为201810581002.2的中国专利申请公布了一种负压桶式基础自压式抗拔承载力检测方法。该专利向吸力桶内施加正向气压，同时监测基础的位移，以测得桶基的实际抗拔承载情况。该专利适用于吸力式桶型基础，无需另外设立基准桩及反力系统，且检测以后可以重新抽负压使桶基恢复初始位置对结构影响小，但该专利申请由于施加气压，导致桶内水力梯度向下，重度增加，桶内壁摩擦力增大，从而桶外壁摩擦力减小，测量数据不准确。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于检测吸力桶抗拔承载力的方法，该方法能够克服海上恶劣的自然环境，准确测量吸力式桶型基础的抗拔承载力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：、

一种用于检测吸力桶抗拔承载力的方法，包括以下步骤：

1)现场工艺试验：对吸力桶周围土体环境进行试验，得出土体的粒径、密实度等参数。根据土体的相关性质确定吸力式筒型基础的尺寸形状以及荷载箱相关规格。

2)施工前准备：

分别在上段吸力桶壁距离桶底5～20厘米、加长段吸力桶壁距离其顶端5～20厘米处开小孔，小孔的直径略大于螺栓直径，多个小孔对称分布；

预制纵向断面呈h型的环形式吸力桶接头，分别在距离上、下槽底5～20厘米处开设内、外侧长条孔，内、外侧长条孔与桶壁小孔对应分布；上段长条孔底端高程和上段桶孔底端高程相同，其长度等于螺栓直径长度和上段桶壁最大位移量；加长段长条孔底端高程和加长段桶孔顶端高程相同，加长段长条孔的长度等于螺栓直径长度和加长段桶壁最大位移量；长条孔个数是桶壁小孔个数的两倍，并且对称分布；

将吸力桶壁上段和加长段分别卡在h型结构上下槽中，螺栓分别穿过吸力桶上段或加长段上的长条孔以及h型结构上对应的孔，将吸力桶上段桶壁和加长段桶壁连接成整体。

将荷载箱支撑板水平安装于吸力桶加长段内壁上，在荷载箱外侧焊接法兰盘，荷载箱与荷载箱支撑板采用法兰连接，保证荷载箱与其支撑板固定并且可拆卸。

将上位移杆及护管、下位移杆及护管穿过吸力桶桶顶，分别安装至上、下两侧加劲肋，油管和位移杆一起穿过吸力桶桶顶，安装至荷载箱；注浆管穿过吸力桶桶顶，垂直通到吸力桶加长段底端；再对位移杆及护管、油管和注浆管与吸力桶桶盖连接部分密封处理。

3)机具就位：将位移传感器、加载系统和注浆系统固定到吸力桶上方的基准梁上，并连接好数据采集系统，将吸力桶与起吊装置连接好，启动起吊装置，使其带动吸力桶和荷载箱下降至水底土体面，到达预设位置。

4)安装吸力桶：下沉吸力桶，开启外设真空泵，通过吸力桶桶盖预留孔洞，抽取吸力桶内的水和气，使吸力桶内土体发生液化，吸力桶内和吸力桶外形成压力差，吸力桶、荷载箱、油管、位移杆及护管和注浆管在负压的作用下缓慢下沉；

由于吸力桶内土体发生液化，吸力桶内阻力对荷载箱的影响较小；下沉过程要求平稳，整个过程不能发生扭转，以避免连接荷载箱的液压油管、位移杆及护管和注浆管发生扭曲；当吸力桶达到预定位置时，停止抽水抽气；通过注浆管将高压水泥浆注入地基土体中，形成注浆支撑平台，提高桶底承载力。

5)自平衡试验：荷载箱内施力装置由加载系统控制，启动施力装置，按照《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》(jgj/t403-2017)中要求，对荷载箱逐级加荷，并实时记录荷载箱荷载q与桶形基础位移量y，按照规范进行吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算，最终求解处吸力桶抗拔承载力f拔。

6)回收装置：向吸力桶内冲高压水，同时上拔吸力桶，并且吸力桶加长段通过环形式吸力桶接头连接，随吸力桶一起移动，拔出后，回收吸力桶和相应的检测装置。

本方法中为了适应海底高压强且具有腐蚀性的环境，提高桶端承载力，需要在高压水泥浆液中加入一定量的外加剂。在水泥浆中加入占水泥浆液质量分数为1％-50％的水玻璃、0.3-1.5％的矿渣以及0.1-10％的聚丙乙烯纤维，可使混凝土的抗压强度大幅提高，同时可以有效提高混凝土的抗渗、抗溶析能力，抑制了碱骨料反应。

吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算如下：

吸力式桶形基础抗拔承载力f拔由吸力桶自重g，上段桶壁外侧与土体的摩擦力f1外，上段桶壁内侧与土体的摩擦力f1内和吸力桶上拔过程中产生的负压力f负组成，即：

f拔＝g+f1外+f1内+f负(1)

荷载箱各施力装置施力为q1，q2，q3，……，qn，n为大于等于1的自然数，相加即为合力q，即：

q＝q1+q2+q3+…+qn(2)

先对吸力桶整体进行自平衡法计算，吸力桶桶端支持力fn、加长段桶壁外侧与土体的摩擦力f2外和加长段桶壁内侧与土体的摩擦力f2内之和，等于上段桶壁外侧与土体的摩擦力f1外、上段桶壁内侧与土体摩擦力f1内、吸力桶自重g和吸力桶上拔过程中产生的负压力f负之和。

fn+f2外+f2内＝f1外+f1内+g+f负(3)

再对吸力桶加长段局部进行自平衡计算：荷载箱施加的合力q和吸力桶加长段自重g1之和，等于吸力桶桶端支持力fn、加长段桶壁外侧与土体的摩擦力f2外和加长段桶壁内侧与土体摩擦力f2内之和。

q+g1＝fn+f2外+f2内(4)

通过联立式(1)、式(2)、式(3)和式(4)，最终求解处吸力桶抗拔承载力f拔。

当吸力式桶形基础开始产生上拔位移时，记录q值与吸力式桶形基础位移值量y，绘制荷载q与位移量y关系曲线与和位移量y与加荷时间单对数曲线对其极限抗拔承载力进行分析。

本发明的检测技术原理基于自平衡法，针对海洋环境下吸力式桶型基础抗拔承载力的改进方法，以荷载箱作为施力装置，同时增加吸力桶长度和对桶底注浆的方式，增加加长段桶壁摩擦力和吸力桶底端承载力。再通过荷载箱将荷载施加于原吸力式桶形基础底端，从而实现自平衡计算要求。下沉吸力桶时，通过环形式吸力桶接头使吸力桶上段和吸力桶加长段连成整体；上拔吸力桶时，环形式吸力桶接头可以避免桶壁上段和加长段分离。将荷载箱法兰连接到荷载箱支撑板上，荷载箱可拆卸。其中荷载箱个数视吸力式桶形基础外径而定，对称分布。荷载箱可以是液压千斤顶或其他施力装置。桶壁小孔、长条孔、油管、位移杆及护管和高压注浆管的个数视吸力式桶形基础外径而定，对称分布。

本发明的有益效果是：

1、自平衡试桩法检测技术已经日趋成熟，主要涉及钢管桩、灌注桩、沉箱和大直径管桩承载力检测。本方法首次利用自平衡法，克服了吸力式桶型基础抗拔承载力难测量的问题，可实现机械化施工。

2、本发明所采用的荷载箱与传统荷载箱最大的区别在于：吸力式桶型基础桶盖导致传统的自平衡方法难以适用。将荷载箱固定于吸力桶内侧，利用吸力桶内外压力差，荷载箱随吸力桶一起缓慢下沉，避免荷载箱受到外界荷载影响。

3、避免基础内消除土塞的施工，不需要起吊装置将荷载箱吊装到指定位置，节约时间成本和经济成本。吸力式桶型基础和荷载箱可回收，重复利用，节省经济成本。

附图说明

图1为本发明吸力桶荷载箱安装剖面图；

图2为本发明吸力桶荷载箱a向剖面图；

图3为本发明环形式吸力桶接头纵截面图；

图4为本发明吸力桶下沉注浆状态剖面图；

图5为本发明吸力桶受力分析简图；

其中，1、基准梁(包含位移传感器、加载系统、注浆系统)；2、位移杆及护管；3、油管；4、上侧加劲肋；5、环形式吸力桶接头；6、荷载箱支撑板；7、下侧加劲肋；8、吸力桶加长段；9、吸力桶上段；10、荷载箱；11、法兰盘；12、注浆管；13、注浆支撑平台；14、螺栓；15、长条孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图5所示，用于测量水下吸力桶抗拔承载力的方法，包括以下步骤：

(1)现场工艺试验：对吸力桶周围土体环境进行试验，得出土体的粒径、密实度等参数。根据土体的相关性质确定吸力式筒型基础的尺寸形状以及荷载箱10相关规格。

(2)施工前准备：

分别在上段吸力桶壁距离桶底5～20厘米、加长段吸力桶壁距离其顶端5～20厘米处开小孔。小孔的直径略大于螺栓14直径，小孔对称分布。预制纵向断面呈h型的环形式吸力桶接头5，分别在距离h型接头的上、下槽底5～20厘米处开设内、外侧长条孔15，内、外侧长条孔15与桶壁小孔对应分布。上段长条孔15底端高程和上段桶孔底端高程相同，其长度等于螺栓14直径长度和上段桶壁最大位移量；加长段长条孔15底端高程和加长段桶孔顶端高程相同，加长段长条孔15的长度等于螺栓14直径长度和加长段桶壁最大位移量。长条孔15个数是桶壁小孔个数的两倍，并且对称分布。将吸力桶壁上段和加长段分别卡在h型结构上下槽中，螺栓14分别穿过吸力桶上段9或加长段上的长条孔15以及h型结构上对应的孔，将吸力桶上段9桶壁和加长段桶壁连接成整体。

将荷载箱支撑板6水平安装于吸力桶加长段8内壁上，在荷载箱10外侧焊接法兰盘11，荷载箱10与荷载箱支撑板6采用法兰连接，保证荷载箱10与其支撑板固定并且可拆卸。将上位移杆及护管14、下位移杆及护管15穿过吸力桶桶顶，分别安装至上、下两侧加劲肋。油管3和位移杆一起穿过吸力桶桶顶，安装至荷载箱10。注浆管12穿过吸力桶桶顶，垂直通到吸力桶加长段8底端。再对位移杆及护管2、油管3和注浆管12与吸力桶桶盖连接部分密封处理。

(3)机具就位：将位移传感器、加载系统和注浆系统固定到吸力桶上方的基准梁1上，并连接好数据采集系统。将吸力桶与起吊装置连接好，启动起吊装置，使其带动吸力桶和荷载箱10下降至水底土体面，到达预设位置。

(4)安装吸力桶：下沉吸力桶，开启真空泵，通过吸力桶桶盖预留孔洞，抽水抽气，使桶内土体发生液化，桶内和桶外形成压力差，吸力桶、荷载箱10、油管3、位移杆及护管2和注浆管12在负压的作用下缓慢下沉。由于桶内土体发生液化，桶内阻力对荷载箱10的影响较小。下沉过程要求平稳，整个过程不能发生扭转，以避免连接油管3及位移杆及护管发生扭曲。当吸力桶达到预定位置时，停止抽水抽气。通过注浆管12将高压水泥浆注入地基土体中，形成注浆支撑平台13，提高桶底承载力。

(5)自平衡试验：荷载箱10内施力装置由加载系统控制，启动施力装置，按照《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》(jgj/t403-2017)中要求，对荷载箱10逐级加荷，并实时记录荷载箱10荷载q与桶形基础位移量y，按照规范进行吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算，最终求解处吸力桶抗拔承载力f拔。

吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算如下：

吸力式桶形基础抗拔承载力f拔由吸力桶自重g，上段桶壁外侧与土体的摩擦力f1外，上段桶壁内侧与土体摩擦力f1内和吸力桶上拔过程中产生的负压力f负组成，即：

f拔＝g+f1外+f1内+f负(1)

荷载箱10各施力装置施力为q1，q2，q3，……，qn，n为大于等于1的自然数，相加即为合力q，即：

q＝q1+q2+q3+…+qn(2)

先对吸力桶整体进行自平衡法计算，吸力桶桶端支持力fn、加长段桶壁外侧与土体的摩擦力f2外和加长段桶壁内侧与土体的摩擦力f2内之和，等于上段桶壁外侧与土体的摩擦力f1外、上段桶壁内侧与土体摩擦力f1内、吸力桶自重g和吸力桶上拔过程中产生的负压力f负之和。

fn+f2外+f2内＝f1外+f1内+g+f负(3)

再对吸力桶加长段局部进行自平衡计算：荷载箱10施加的合力q和吸力桶加长段自重g1之和，等于吸力桶桶端支持力fn、加长段桶壁外侧与土体的摩擦力f2外和加长段桶壁内侧与土体摩擦力f2内之和。

q+g1＝fn+f2外+f2内(4)

通过联立式(1)、式(2)、式(3)和式(4)，最终求解处吸力桶抗拔承载力f拔。

(6)回收装置：向吸力桶内冲高压水，同时上拔吸力桶。并且吸力桶加长段8通过环形式吸力桶接头5连接，随吸力桶一起移动。拔出后，回收吸力桶和相应的检测装置。

本方法中为了适应海底高压强且具有腐蚀性的环境，提高桶端承载力，需要在高压水泥浆液中加入一定量的外加剂。在水泥浆中加入占水泥浆液质量分数为1％-50％的水玻璃、0.3-1.5％的矿渣以及0.1-10％的聚丙乙烯纤维，可使混凝土的抗压强度大幅提高，同时可以有效提高混凝土的抗渗、抗溶析能力，抑制了碱骨料反应。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。