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２０１５年第４４卷第９期第５５页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜 ２０１５，４４（９）：５５５９文章编号：１００１３４８２（２０１５）０９００５５０５黏土中深水吸力锚负压安装试验研究韦 卓１，赵良美２，李成钢１，段梦兰２，赵天奉２，王 阳２，程光明２（１．中海油田服务股份有限公司，天津３００４５１；２．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京１０２２４９）摘要：根据渗流对黏性土塞的破坏理论，对吸力锚负压安装过程进行室内模型试验研究。介绍了吸力锚小尺度模型试验所采用的试验平台和试验过程，研究对比了负压及静载安装的阻力，并在负压安装中发现了锚内部土塞现象以及土体裂纹扩展现象。为了达到更加精确的试验结果，自行设计并搭建了新型吸力锚安装试验装置，提出了应用外部加压的方法模拟深水复杂环境，为试验结果的精确性提供了保证。试验结果表明：负压安装虽减小了安装阻力，但同时导致了锚内黏性土塞隆起开裂，并存在“活塞”破坏和裂纹扩展破坏２种机制。关键词：深水；吸力锚；安装；试验中图分类号：ＴＥ９５ 文献标识码：Ｂ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０１５．０９．０１３犜犲狊狋犻狀犵犛狋狌犱狔狅犳犇犲犲狆犠犪狋犲狉犛狌犮狋犻狅狀犃狀犮犺狅狉狊’犛狌犮狋犻狅狀犪狊狊犻狊狋犲犱犐狀狊狋犪犾犾犪狋犻狅狀犻狀犆犾犪狔ＷＥＩＺｈｕｏ１，ＺＨＡＯＬｉａｎｇｍｅｉ２，ＬＩＣｈｅｎｇｇａｎｇ１，ＤＵＡＮＭｅｎｇｌａｎ２，ＺＨＡＯＴｉａｎｆｅｎｇ２，ＷＡＮＧＹａｎｇ２，ＣＨＥＮＧＧｕａｎｇｍｉｎｇ２（１．犆犺犻狀犪犗犻犾犳犻犲犾犱犛犲狉狏犻犮犲狊．犔狋犱．，犜犻犪狀犼犻狀犵３００４５１，犆犺犻狀犪；２．犗犳犳狊犺狅狉犲犗犻犾牔犌犪狊犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄａｍａｇｅｔｈａｔｓｅｅｐａｇｅｈａｓｄｏｎｅｔｏｔｈｅｃｏｈｅｓｉｖｅｓｏｉｌｐｌｕｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｉｌｌｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｉｎｄｏｏｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｕｃｔｉｏｎａｎｃｈｏｒ’ｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｉｒｉｎｓｔａｌｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｇｉｖｉｎｇａｔｈｏｒｏｕｇｈｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｔｅｓｔｐｌａｔａｎｄｆｏｒｍａｎｄｔｅｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｍａｌｌｓｃａｌｅｍｏｄｅｌ．Ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇｅｖｅｎｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｕｃｔｉｏｎａｎｃｈｏｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｂｕｉｌｔｕｐ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｃｈｏｌａｒｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｓｕｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｕｎｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｉｔｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｃｏｈｅｓｉｖｅｓｏｉｌｗｉｔｈｉｎｔｈｅａｎｃｈｏｒａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ａｌｓｏｔｏｔｗｏｅｘｔｒｅｍｅｓｏｆｓｏｉｌｐｌｕｇｄａｍａｇｅａｎｄｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｄａｍａｇｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｄｅｅｐｗａｔｅｒ；ｓｕｃｔｉｏｎａｎｃｈｏｒ；ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔｉｎｇ 吸力锚是应用最为广泛的一种锚泊基础，世界范围内半潜式平台近一半使用吸力式基础，而水下生产系统绝大部分用吸力式基础固定［１３］。其安装过程如图１所示。首先，把吸力锚竖直放在土体表面，将吸力锚顶部阀门打开，使其在自重作用下沉入土体，直至吸力锚所受重力与摩擦力达到平衡，其初始沉入深度由锚自重决定［４］；然后，打开设在吸力锚顶部的阀门，并开启抽水泵将吸力锚内部水抽出，形成内外压力差，从而使吸力锚在内外压差的作用下进一步沉入预定深度。吸力锚贯入完成后，需要等待锚周围扰动土体恢复后，再安装上部结构。吸力锚可以通过其侧壁所提供的摩擦力、端部反向承载力、锚重及锚内土体重量来承担外部载荷［５］。不同的安装方式对吸力锚安装阻力、以及锚内部是否产 收稿日期：２０１５０３２７ 作者简介：韦 卓（１９８７），男，广西贵港人，工程师，硕士，主要从事水下工程技术研究，Ｅｍａｉｌ：ｗｅｉｚｈｕｏ＠ｃｏｓｌ．ｃｏｍ．ｃｎ。生土塞有不同的影响。针对安装方式（负压方式或静载方式）对吸力锚安装阻力的影响，国内外学者进行了大量的研究，至今尚无统一的认识［６８］。本文针对该问题提出新的试验方法并建立试验装置进行试验，为理论分析提供依据。图１ 吸力锚安装过程１ 试验原理吸力锚的负压安装原理是利用泵从锚体内抽水形成负压，在吸力锚顶盖上、下表面之间产生压差，当压差大于土体对吸力锚的阻力（侧摩阻力和端阻力之和）时，利用环境压力驱动吸力锚贯入到指定深度［９］。在不考虑吸力锚耐压和土体破坏的情况下，可施加的最大安装负压为锚体内静水压力与当前条件下水的空化压力之差。因此，吸力锚安装现场的水深越深，可以利用的负压压差越大［１０］。所以，只要加强吸力锚的结构强度防止吸力锚壁面屈曲，同时增加初始入泥深度避免内部土塞破坏，就可以用施加高于大气压力值的压差进行安装［１１１２］。传统的室内１ｇ模型安装试验通常采用和工程现场相同的安装原理，通过用泵从锚内向外抽水来形成压差，如图２。图２ 典型吸力锚负压安装模型 这种方法存在２个不足之处：由于泵的流量和模型体积的限制，泵的流量波动对缩比模型影响较大，会造成试验结果波动；室内试验装置的水深通常较小，所以能够施加的安装负压有限，无法提供足够的压力完成在密砂和硬黏土中的负压安装。为了避免以上不足，按照外部加压代替内部减压的等效原理，通过向密闭的试验土桶内加压，在吸力锚顶盖上、下表面产生压差，驱动锚体沉贯入泥，如图３所示。１—试验土筒；２—吸力锚模型；３—空压机；４—真空泵；５—实验支架。图３ 负压安装试验示意 空气压缩机通过软管、气压调节阀与土筒内部相连，吸力锚模型内部的空腔通过软管与大气相连。进行负压安装前，将吸力锚模型利用静载压贯至泥面以下一定深度，大约为其长度的１０％～２０％，以保证负压安装时吸力锚模型内部保持一个密闭空间。通过不断向土筒内部输送压缩气体在锚体外形成较高的压力，通过压差实现吸力锚模型的吸力沉贯。１） 利用负压安装原理安装吸力锚模型。通过测量土箱内的压力，根据试验模型的横截面积即可计算吸力锚的安装阻力随入泥深度的变化。观察安装过程中的土体变化，并记录安装完成后土塞的隆起高度；２） 利用静载方式安装模型。通过力传感器和位移传感器采集试验数据得到安装阻力随入泥深度的变化趋势。将２种结果进行对比，研究安装方式对安装阻力的影响。·６５· 石油矿场机械 ２０１５年９月 ２ 安装试验系统２．１ 吸力锚模型试验中使用有机玻璃模型如图４所示。其尺寸参数为：外径１．１５ｍ，壁厚０．００５ｍ，顶盖下底面到锚下端的长度为０．３２ｍ。与实际吸力锚相比，有机玻璃模型的光滑壁面与土的摩擦阻力小，所以在试验中可以相对适度放大端部阻力的作用，保证模拟状况尽量接近工程实践，模型的质量为１．４ｋｇ。吸力锚顶部设置了排水孔，其作用为负压安装时抽水，排水孔上装有过滤网以防止抽水时土颗粒堵塞抽水管；另外，吸力锚顶部留有螺纹孔，可用于顶部加载。图４ 吸力锚缩比模型２．２ 试验用土的制备本试验使用红黏土。为了方便土体排水沉降，先在容器底部铺设粒径１．０～２．５ｍｍ的沙砾，厚度约１０ｍｍ。沙砾层上需铺设土工布，其目的是防止向下渗流，带走黏土颗粒；用金属网格压紧并固定土工布，防止土工布移动。用泥浆沉降法的制备试验用土。根据试验土桶的尺寸，取适量黏土，碾碎后去除杂物，装入搅拌桶，加水后充分搅拌均匀成浆，泥浆含水量控制在９０％～１００％；将搅拌好的浆液倒入试验容器内，静置并打开排水阀进行固结沉降３０ｄ。固结沉降完成后，最终土桶内黏土层厚度为０．６８ｍ，如图５所示。图５ 试验用土体２．３ 试验装置本试验自行设计并搭建了新型吸力锚安装试验装置，如图６所示。这套装置可以用来模拟吸力锚的负压安装和静载安装过程，同时可观察负压安装时锚、水、土之间的相互作用现象，便于对吸力锚负压安装进行更加细致的研究。本装置由试验土筒、加载设备、信号采集处理设备、控制系统、吸力锚模型、底座及支撑架６部分组成。能够进行吸力锚负压安装和静载安装试验，测量安装过程中的力、位移、压力等参数；吸力锚模型在竖向载荷下抗压；负压安装过程中吸力锚倾斜角度变化；吸力锚壁端部截面形状对土的流动影响等试验。图６ 试验装置３ 试验步骤１） 土体制备。取适量黏土，碾碎后去杂质，装入搅拌桶，加水充分搅拌均匀成浆，泥浆含水量控制·７５· 第４４卷 第９期 韦 卓，等：黏土中深水吸力锚负压安装试验研究在９０％以上。将搅拌好的浆液倒入试验土桶中，静置进行固结沉降３０ｄ。保证黏土层厚度为０．６８ｍ。２） 重力沉贯。吸力锚端面与水平面平行缓慢沉入水中，在重力作用下沉入黏土，待其静止并保持３０ｍｉｎ无继续沉贯下行运动。３） 静载安装。吸力锚顶部通过螺纹连接与液压缸相连，控制液压缸的运动速度为２ｍｍ／ｓ，直至吸力锚顶盖下底面距泥面６４ｍｍ处或吸力锚在加载力与安装阻力作用下保持平衡状态。４） 拔锚。控制液压缸反向运动，将吸力锚拔出。５） 土体处理。将桶内泥浆重新搅拌，重新固结。６） 连接负压设备。空气压缩机通过软管、气压调节阀与土筒内部相连，吸力锚模型内部的空腔通过软管与大气相连。７） 负压前处理。进行负压安装前，首先将吸力锚模型利用静载压贯至泥面以下一定深度，为其长度的１０％～２０％，以保证负压安装时吸力锚模型内部保持一个密闭空间。８） 负压安装。通过不断向土筒内部输送压缩气体在锚体外形成较高的压力，通过压差实现吸力锚模型的吸力沉贯。９） 观察试验现象。１０） 拔锚。４ 试验结果试验中对模型分别采用负压和静载的方式进行安装。负压安装过程中记载入泥深度、排水量和安装负压等参数，根据负压和模型的截面几何尺寸计算安装阻力随入泥深度的变化。在静载安装过程中，控制较低的速度将模型安装入泥以减少锚体内排水阻尼对安装阻力的影响。负压安装试验中，观察到锚体周围的土表层出现环向裂纹，而静载安装试验则未出现此现象，如图７所示。图７ 负压安装导致的表层裂纹 模型负压安装前的初始入泥深度为８０ｍｍ，安装完成后锚体发生倾斜，倾斜角度为６．９°，锚体内有土塞出现，土塞高度在低的一侧为７ｍｍ，高的一侧为１７ｍｍ。为了对比方便，静载安装时的初始入泥深度也设置为８０ｍｍ。 试验结果显示，在负压安装试验中，锚内土塞中央出现球面形凸起现象，在隆起的中央区域出现裂纹，静载安装则未观察到此现象，说明负压安装方式会导致土塞发生破坏，如图８所示。负压安装完成后，模型发生了一定程度的倾斜，并且在锚体内出现土塞隆起现象，如图９所示，而在静载安装试验中没有出现相应的现象。图８ 负压安装导致的土塞凸起图９ 负压安装导致的土塞 模型在负压安装试验和静载安装试验中所受安装阻力随入泥深度的变化，如图１０所示。土中虚线为负压安装阻力随入泥深度的变化，实线为静载安装阻力随深度的变化。在横坐标方向，静载安装的曲线要比负压安