一种吸力贯入式半圆形组合锚及其施工贯入设备的制作方法

本实用新型涉及深海浮式平台或深水网箱的锚泊技术领域，具体是一种吸力贯入式半圆形组合锚及其施工贯入设备。

背景技术：

针对海床的特殊地质条件，自1990年以来出现了一种海洋平台特殊基础形式——桶形基础(也称吸力桩，suction pile)，其多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶。安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

后来，工程人员基于桶形基础在海上贯入海床较为方便的特征，把桶形基础发展至作为海洋锚泊基础的一种施工工具。有的国家已有实力较强的海洋工程施工企业(如荷兰的SPT Offshore公司)，能利用桶形基础开展各类海洋工程施工的能力，自动化、智能化程度非常高。我国虽然是个海洋大国，拥有面积较大的海域，但在利用桶形基础开展海洋工程的施工方面与国外还具有一定的差距。

目前，能利用桶形基础进行施工的锚泊基础主要包括：埋入式吸力锚 (embedded suction anchor)与吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)。

埋入式吸力锚的抗拔承载力主要由圆桶四周与土体的摩擦及部分海床土体的自重产生，具体与系泊点位置、海床土体类型、沉贯深度等有关。一般地，埋入式吸力锚的表面积有限，故其与土体的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力锚沿锚链垂直方向的投影面积也非常有限，故其沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小，海床土体的自重对锚泊力的贡献也较小。若通过增大埋入式吸力锚的长度与直径来提高其抗拔承载力，则大大增加施工难度，也是不可取的。

吸力贯入式平板锚的平面形状为矩形，安装时竖直固定在桶形基础中，桶形基础在自重和抽水造成的负压作用下贯入至预定深度。桶形基础与平板锚分离后被拔出，留在黏土海床中的平板锚在锚链牵引下旋转，直至板面与锚链接近垂直或者施加的拉力达到设计值。在张拉锚链使锚板旋转的过程中，锚板会向上运动而产生埋深损失。锚板中心在旋转前后的高度差被定义为最终丢失埋深。在强度通常随深度成正比例增加的海床条件下，旋转调节过程中的埋深损失会带来承载力的下降，这一减小量可高达20％。可见，平板锚也具有一定的局限性。

可见，还需对基于桶形基础的吸力贯入式锚泊基础的构型进行创新性设计，使其具有较大的抗拔承载力，且施工较为方便。

技术实现要素：

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种吸力贯入式半圆形组合锚及其施工贯入设备，其由成对的半圆形锚组合而成，在海床中展开后各半圆形锚呈串联形状，在锚链拉力作用下各半圆形锚的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种吸力贯入式半圆形组合锚，其特征在于：包括成对的半圆形锚，每个半圆形锚的主体为半圆形钢板，半圆形钢板两端之间的直径位置焊接有工字型钢板，工字型钢板中具有垂直贯通工字型钢板的圆孔，每个半圆形钢板外侧面中间位置设置系泊孔，其中一个半圆形锚的系泊孔连接有锚链，成对的半圆形锚通过半圆形钢板对合组装为中空的圆柱体结构，成对的半圆形锚的工字型钢板紧密贴合，且成对的半圆形锚工字钢板的圆孔通过钢索连接。

所述的一种吸力贯入式半圆形组合锚，其特征在于：成对的半圆形锚有多组，多组成对的半圆形锚分别各自对合组装为圆柱体结构，多个圆柱体结构在竖向同轴叠置，除了最上层圆柱结构一侧的系泊孔连接锚链，最下层圆柱体结构另一侧的系泊孔空置外，多个圆柱体结构上下相邻的系泊孔之间依次通过钢索两两交错形成串联连接。

所述的一种吸力贯入式半圆形组合锚，其特征在于：每个半圆形锚的半圆形钢板弧度为180°，成对的半圆形锚组装为圆柱体结构时，相互贴合的工字型钢板位于该圆柱体结构的中部。

所述的一种吸力贯入式半圆形组合锚，其特征在于：每个半圆形锚中，半圆形钢板的外侧设置有翼板。

一种吸力贯入式半圆形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，桶形基础两对称侧分别设有槽口，槽口一端分别沿桶形基础轴向延伸至桶形基础桶口边沿形成开口，成对的半圆形锚组合成圆柱体结构时，桶形基础同轴装入圆柱体结构内，且桶形基础的槽口卡在相互贴合的工字型钢板上，依靠桶形基础把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使各个半圆形锚发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，完成吸力贯入式半圆形组合锚的施工贯入。

所述的吸力贯入式半圆形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：半圆形钢板的内径大于桶形基础的外径。

与现有技术相比，本实用新型的优点为：

1、本实用新型所提的组合锚由成对的半圆形锚组装而成，施工时其紧贴于桶形基础底部的槽口中，其沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础开展沉贯施工较为方便，阻力相对较小。

2、本实用新型所提的组合锚在锚链拉力作用下的各个半圆形锚将发生自由移动，各个半圆形锚的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

3、所提组合锚结构简单、制作方便，成本较低，各个半圆形锚外壁设置的翼板能进一步提高其抗拔承载力，可根据需求制作不同尺寸与数量的半圆形钢板，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的半圆形锚三维结构示意图一。

图2为本实用新型实施例1的半圆形锚三维结构示意图二。

图3为本实用新型实施例1的半圆形锚组合三维示意图。

图4为本实用新型实施例1的半圆形锚组合俯视图。

图5为桶形基础依靠自重下沉压入海床结构示意图。

图6为施工用的桶形基础结构示意图。

图7为本实用新型实施例1与桶形基础连接详图。

图8为本实用新型实施例1中的桶形基础在负压吸力作用下贯入海床示意图。

图9为桶形基础移除后的半圆形组合锚位置示意图。

图10为本实用新型实施例1的可能工作状态之一。

图11为本实用新型实施例2的半圆形锚三维结构示意图一。

图12为本实用新型实施例2的半圆形锚三维结构示意图二。

图13为本实用新型实施例2的半圆形锚组合三维示意图。

图14为本实用新型实施例2的半圆形锚组合俯视图。

图15为本实用新型实施例2中的桶形基础在负压吸力作用下贯入海床示意图。

图16为本实用新型实施例2的可能工作状态之一。

图17为本实用新型实施例3的半圆形锚组合三维示意图。

图18为本实用新型实施例3中桶形基础在负压吸力作用下贯入海床示意图。

图19为本实用新型实施例3的可能工作状态之一。

附图标记说明：1、半圆形钢板；2、工字型钢板；3、系泊孔；4、圆孔；5、桶形基础；6、锚链；7、槽口；8、钢索；9、翼板；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式

如图1-图19所示，一种吸力贯入式半圆形组合锚，包括成对的半圆形锚；半圆形锚的主体为半圆形钢板1，半圆形钢板1的直径位置处焊接中部带圆孔4 的工字型钢板2，半圆形钢板1的外侧设置系泊孔3；施工时，把成对的半圆形锚组合成圆柱体状，各半圆形锚的工字型钢板2位于圆柱体的中部，并把锚链6 的一端系泊在上部一个半圆形锚的系泊孔3上，用钢索8依次连接各半圆形锚的圆孔4与系泊孔3使各半圆形锚组成串联形状，再把位于组合锚中部的工字型钢板2卡入桶形基础5底部的槽口7中，依靠桶形基础5把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础5，再通过对锚链6施加拉力使各个半圆形锚发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种吸力贯入式半圆形组合锚。

上述提及的“上部”、“中部”、“底部”、“外侧”等方位词，是基于所提锚泊基础施工时的姿态来确定的。施工时所提锚泊基础固定、连接在桶形基础5的底部，且处于铅锤状态逐步贯入海床中，如图5所示。在此姿态下，来确定各方位词的具体指向，说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到。上述方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者构件必须具有特定的方位、构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

半圆形锚上的半圆形钢板1弧度为180°，半圆形钢板1的内径大于桶形基础5的外径，工字型钢板2位于半圆形钢板1直径位置处。一对(两个)半圆形锚能组合成中空的圆柱体形状，工字型钢板2位于该圆柱体的中部，如图1～图4 所示。可见，需要两个半圆形锚才能组合成中空的圆柱体形状，若为奇数个半圆形锚，则无法配对形成圆柱体，故特提出组合锚需“成对”的半圆形锚，“成对”即为偶数个半圆形锚。当然，半圆形锚的数量越多，其组合后的高度越大，施工难度越大。优选地，可选用两个半圆形锚组合成单层的组合锚(如图3所示)，或选用四个半圆形锚组合成上下两层的组合锚(如图17所示)。

工字型钢板2位于半圆形钢板1直径位置处，工字型钢板2的上边缘与半圆形钢板1的上边缘平齐，工字型钢板2的下边缘与半圆形钢板1的下边缘平齐。工字型钢板2卡入桶形基础5底部的槽口7后，桶形基础5可把半圆形锚贯入至海床设计深度，故工字型钢板2是沉贯施工时与桶形基础5连接与荷载传递时的辅助构件。在满足施工要求的情况下，工字型钢板2的截面越小越好，故可把该钢板两侧的部分去除，形成“工”字型形状，如图2所示。

沉贯施工用的桶形基础5如图6所示，桶形基础5底部槽口7的宽度，应略大于工字型钢板2的两倍厚度，使得组合锚中部的工字型钢板2能卡入槽口7 中。槽口7的深度不宜过大，过大影响桶形基础5底部的封闭性，使得后续难以抽取负压施工。

同一层相邻半圆形锚之间通过钢索8连接各半圆形锚的圆孔4组成串联形状，钢索8系泊在两个圆孔4后其自由长度应大于半圆形钢板1的直径，如图 10所示；采用多层半圆形锚时，上下层的半圆形锚之间用钢索8连接系泊孔3 组成串联形状，钢索8系泊在两个泊孔3后其自由长度应大于半圆形钢板1的直径，如图19所示。钢索8的长度应使串联在一起的各个半圆形锚之间的距离不能太小，太小则影响各半圆形锚与海床土体摩擦力的独立发挥、容易出现应力叠加现象。至于针对具体数量的半圆形锚，哪些圆孔4与泊孔3需用钢索8连接，最以终把各个半圆形锚串联组合成整体为准，参见相关附图。

可根据需要采用不同形状与数量的半圆形锚，形成不同的实施方式。下面介绍几种实施例。

实施例1：组合锚共采用两个半圆形锚，半圆形锚上半圆形钢板1的弧度为180°，如图1与图2所示。两个半圆形钢板1能组合成中空的圆柱体状，如图 3与图4所示。

所提的一种吸力贯入式半圆形组合锚的施工方法，介绍如下：

1、连接锚泊基础；

把各半圆形锚组合成中空的圆柱体状，各半圆形锚的工字型钢板2位于圆柱体的中部，并把锚链6的一端系泊在上部一个半圆形锚的系泊孔3上，用钢索8 依次连接各半圆形锚的圆孔4与系泊孔3使各半圆形锚组成串联形状，再把位于组合锚中部的工字型钢板2卡入桶形基础5底部的槽口7中。施工用的桶形基础如图6所示，组合锚卡入桶形基础底部的情况如图7所示。

当然，还需要一些辅助构件来实现组合锚与桶形基础之间的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现，但现有公知技术可现实该操作，此处不再详细描述。

桶形基础也称吸力桩(suction pile)，为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶，安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

2、桶形基础依靠自重下沉接触海床；

起吊桶形基础5，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础5，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图5所示。桶形基础5 底部在重力作用下压入海床一定的深度，使底部被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

3、抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度；

桶形基础5的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础5贯入至海床土体中，最终桶形基础底部组合锚被压入海床土体至设计深度，如图8 所示。

4、移除桶形基础；

待组合锚被贯入海床至设计深度后，松开组合锚与桶形基础5之间的连接，使锚泊基础脱离桶形基础5，通过连接管对桶形基础5内部充气，使桶形基础5 逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩锚泊基础在海床土体中，如图9所示。

5、张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。

通过对锚链6施加拉力使各半圆形锚发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种吸力贯入式半圆形组合锚，如图10所示。

锚链6的拉力是从最上部的半圆形锚向下部的半圆形锚逐渐依次传递。可见，最上部的半圆形锚受到的荷载最大，其发生位移的幅度最大，从上到下半圆形锚受到的荷载与位移幅度逐渐减小。因此，在锚泊基础未失效前，各半圆形锚的旋转姿态一般各不相同。各半圆形锚的姿态相差越大，其整体上与海床土体的接触关系越复杂，半圆形锚与土体的摩擦与阻力更大，能大大增加与海床土体的摩擦力，从而提高了组合锚总体的抗拔承载力。与传统的单个圆桶状的吸力锚相比，在不增加材料用量与施工难度的情况下，本实用新型所提的组合锚更具合理性。

当锚链6的拉力过大，大到超过各半圆形锚的抗拔抵抗力之和时，锚泊基础将失效，此时各个半圆形锚的姿态基本相同。

实施例2：组合锚共采用两个半圆形锚，在半圆形锚上的半圆形钢板1直径位置两侧对称的设置翼板9，翼板9呈矩形形状，如图11与图12所示。该翼板也可视为工字型钢板2的延伸，即翼板9与工字型钢板2实际上为同一块钢板，方便加工与制作。两个半圆形锚能组合成中空的圆柱体状，如图13与图14所示。利用桶形基础5把该组合锚贯入至海床设计深度，如图15所示。该组合锚的可能工作状态之一如图16所示。其余情况与实施例1相同。

实施例3：组合锚共采用两对(四个)半圆形锚，组合成上下两层的中空圆柱体状，如图17所示。利用桶形基础5把该组合锚贯入至海床设计深度，如图 18所示。该组合锚的可能工作状态之一如图19所示。其余情况与实施例1相同。

所提组合锚结构简单、制作方便，成本较低，各个半圆形锚外壁设置的翼板能进一步提高其抗拔承载力，可根据需求制作不同尺寸与数量的半圆形钢板，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图中仅展示了半圆形锚的部分形状及部分连接方式的情况，按照所提思路，可以改变半圆形锚的形状、数量、相互的连接方式，形成其他相关类型的组合式锚泊基础，其均属于本技术的等效修改与变更，此处不再赘述。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本实用新型的保护范围之内。