海底静力触探（CPT）系统舷外加接杆技术的力学分析及应用*

2020-09-25祝汉柱王晨涛罗侗俐王春光

机电工程技术 2020年8期

祝汉柱，王晨涛，罗侗俐，王春光，李涛

（1.磐索地勘科技（广州）有限公司，广州 510760；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100120）

0 引言

海底静力触探（CPT）系统是以海洋调查船为载体，利用船载起吊设备将CPT水下单元放置于海底，通过机械机构将锥形探头连续压入海底土体，对土体物理力学性质进行原位探测的海洋调查设备[1]。海底静力触探（CPT）系统的锥杆加接杆长度因受到船舶硬件设施、海洋环境等客观因素的影响，一直以来是制约CPT系统土体探测深度的主要原因。舷外加接杆是一种在船舶四锚定位或动力定位作业条件下，依靠相关机械机构的支持，伴随CPT系统水下单元下放海底过程中的锥杆连接技术。

在海洋地质调查中，人们总是希望在设备能力许可下对海底的探测深度愈深愈好。CPT系统探测的土体深度主要取决于设备的贯入能力、土体的软硬程度、锥杆的加接长度和机械强度等[2]。其中锥杆的加接长度制约着CPT系统的探测深度。以往作业是先将若干锥杆与CPT水下单元接好后，再利用起吊设备将其放入海底进行工作，但船舶起吊设备的起吊高度有限，往往不能满足锥杆加接长度的要求，如图1所示。再者，加接后的锥杆是大轴径比的柔性压杆[3]，根据材料力学理论，当加接杆超过一定长度后会出现自身重力作用下的自然弯曲变形甚至折断，使锥杆的加接长度受到了自身物理条件的限制[3]。显然，以上两个因素成为CPT系统增加探测深度的瓶颈。因此，通过有效的物理方法解决CPT系统水下单元加接杆长度问题，是增加探测深度的必要条件和基础。

图1 已加接锥杆的水下单元

本文以某国家专项“深圳至中山跨海通道工程”“阳西沙扒300 MW海上风电工程”“阳江南鹏岛400 MW海上风电工程”项目静力触探施工中的锥杆加接杆技术研究为例，介绍一种在船舶四锚定位或动力定位作业条件下，伴随CPT系统水下单元下放海底过程中的舷外同步加接杆技术及相关机构，探讨其连续接杆、恒力提杆、升沉补偿等关键技术问题[4]。

1 加接杆机构组成

加接杆机构主要由绞车、主缆、辅缆、导向缆、配重滑块、提环1、提环2、定滑轮、定滑轮组、锥杆连接体、舷外踏板、若干固定绞链支座等组成，如图2所示。

各部件之间的物理联系如下。

（1）被绞车牵引的主缆穿过定滑轮、配重滑块上滑轮和定滑轮组连接到夹持锥杆1的提环1上。

（2）辅缆一端固定在绞链支座上，另一端穿过配重滑块上滑轮和定滑轮组连接到能夹持锥杆的提环2上。

（3）配重滑块通过一对滑轮被约束在导向缆上，当锥杆向下运动或主缆被绞车牵引时，配重滑块可沿导向缆方向上下移动。

（4）舷外踏板安装在船艉，伸出舷外约2 m，供操作人员站在上方进行接杆作业。

图2 加接杆机构的组成

2 加接杆机构主要部件力学分析

2.1 锥杆连接体力学分析

在CPT系统中，各段锥杆是依靠杆两端的内外锥螺纹接头进行相互连接的，贯入力是通过锥杆的螺纹接头螺纹面及台阶端面轴向传递到下一根锥杆上的。以海洋工程地质中常见的作业水深40～50 m为例，选择长度50 m的锥杆连接体进行力学分析。常用锥杆的主要参数为：材质为40Cr；几何尺寸（外径×内径×长度）为φ35 mm×φ18 mm×1 000 mm；水中质量为4.85 kg/m。显然，长度50 m的锥杆连接体从物理和使用角度来讲，是一个轴径比达到1 429∶1的大柔度细长压杆，在其垂直工作状态下，锥杆连接体的上部质量G会垂直作用到下部的局部连接体上。当G大到一定程度时，锥杆连接体将丧失直线平衡形式的稳定性，在连接体的某一位置会发生弯曲变形甚至出现折断，如图3所示[4]。材料力学压杆稳定理论中的欧拉公式为：

图3 锥杆连接体形状

式中：Pcr为临界载荷；E为弹性模量；I为惯性矩；μ为长度系数；l为杆长。

Pcr为压杆直线形式平衡开始由稳定转变为不稳定的轴向压力值，E、I、μ的确定是依据锥杆材质、几何尺寸和杆的支持方式，具体为：

式中：l为杆长值，选择锥杆连接体下端部分不同的长度值代入欧拉公式进行计算，如表1所示。

表1 不同长度值对应的各物理参数对比

在表中用不同的l值代入欧拉公式计算出对应的Pcr和[Pst]，再根据[Pst]确定la折算长度值，进而确定出锥杆连接体的lb稳定长度值[5]。

在长度50 m的锥杆连接体中，至下而上的各微元连接体都要承受来自于上端的重力载荷作用，而且，处于下端的微元连接体比上端的微元连接体要承受更多的重力载荷。从表中的对比数据可以看出，锥杆连接体长度为9 m时，能承受的[Pst]稳定许用压力为215 N，但是，其lb稳定长度值13.52 m是lb组数值中最小的。也就是说，13.52 m长的局部连接体是整个锥杆连接体中能维持自身直线平衡形式的最小连接体，而其上端的其余连接体质量对下端13.52 m长连接体的影响要依靠加接杆技术方法加以削弱和抵消，消除锥杆连接体的失稳。

2.2 配重滑块的质量确定

由上述分析可知，在长度50 m的锥杆连接体中，其最下端的13.52 m长的局部连接体是整个锥杆连接体中能维持自身直线平衡形式的最小连接体，其上端的连接体质量为：

配重滑块在加接杆机构中采用动滑轮悬吊，如图2所示，在忽略悬吊形式在钢缆上所产生的分力，配重滑块质量G配应为：

3 加接杆机构工作原理

加接杆作业需要船舶在锥探站位上四锚定位或动力定位，为CPT水下单元下放过程和海底锥进过程的加接杆提供船舶的稳定性保证。CPT水下单元在船舶起吊设备的牵引下放入海中，随着设备向海底的沉放，操作人员站在船舷外伸踏板上同步进行加接杆作业，如图4所示[6]。锥杆的单位长度是1 m，根据上述分析，在连续接杆到长度13 m之前是不需要采用主、辅缆辅助接杆的，这样可以提高接杆的工作效率。但是，当接杆长度超过13 m时，需要使用主、辅钢缆交替对连接体提供向上的恒拉力，将锥杆逐根接力加接到连接体上，以消除上端锥杆的自身质量对下端连接体产生影响。

图4 舷外加接锥杆

3.1 水下单元下放和锥进过程中的接力加接杆

水下单元下放和锥进过程中的接力加接杆是舷外加接杆技术的核心内容，具体操作步骤如图5所示。

图5 加接杆操作步骤

（1）将主缆端上的提环1夹持在锥杆连接体的锥杆1上，并用绞车收紧主缆，此时锥杆连接体受到向上恒拉力；

（2）将锥杆2通过螺纹接头与下端的锥杆1连接，再用绞车收紧主缆，使配重滑块向上移动，放松辅缆；

（3）通过辅缆端的提环2夹持在提环1的下端位置，而后通过绞车放松主缆直至锥杆连接体受辅缆提拉，此时连接体受到来自于辅缆的向上恒拉力；

（4）将提环1松开，移动到锥杆2上端并牢固夹持；

（5）通过绞车收紧主缆并向上提起配重滑块，连接体再次受到来自于主缆的向上恒拉力，同时，辅缆被放松，松开提环2；

（6）通过起吊设备将锥杆连接体向下放1 m，同时用绞车将配重滑块移动至适当位置，至此完成加接一根锥杆的作业过程。

循环上述过程可完成多根锥杆的接力加接作业。回收锥杆作业与上述步骤类似，不再作详述。

3.2 水下单元海底锥进过程中的恒力提杆

在锥进过程中，通过主缆端的提环1提住锥杆连接体的最上端，配重滑块提供向上的恒拉力，绞车的同步放缆可以补偿锥杆向下运动的行程，使水下单元锥进过程中的锥杆连接体始终受到向上的恒拉力[6]。

由配重滑块产生而作用在锥杆连接体的向上恒拉力小于2 kN（1 735N），而海底静力触探（CPT）系统的贯入力通常在几十千牛以上。显然，恒拉力只有贯入力的百分之几，其影响程度可忽略不计。

3.3 锥进过程中的升沉补偿

海上作业受风、浪、流等海洋环境的影响是不可避免的。在海底锥进作业中，由于受到涌浪的影响，船舶相对于水下单元会出现上下起伏运动，幅度的大小取决于海浪的波高。以中浪为例，其最大波高达到2.5 m，对海底锥进作业的影响是非常可观的[5]。在涌浪作用下，穿过定滑轮组（图2）连接到锥杆连接体上的牵引钢缆的长短会发生显著变化，由于配重滑块与钢缆之间是动滑轮连接形式，此时的配重滑块会产生沿导缆方向的上下同步移动。只要导向钢缆的长度大于2 m，给配重滑块有足够的移动幅度，锥杆连接体就会始终受到向上的恒拉力，再辅以绞车的实时放收缆，可以达到对涌浪影响的升沉补偿。

垂直的锥杆连接体在海水中会受到流速的横向作用，当流速大到一定程度时会造成杆连接体的弯曲变形，对锥进作业和外露数据电缆带来较大的影响。通过配重滑块提供的向上恒拉力可对杆的弯曲变形加以一定抑制。