刘慧群

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海200092)

引言

海上高耸结构，在风、浪、流荷载的作用下，基础除承受压力外，还承受拉力。桩基础由于既可以受压又可以受拉，为常用基础形式。对于岩石地基，虽然桩基础承载力高，但钻孔难度大，施工耗时较长，费用高，且易出现钻杆弯折等现象。为避免此类情况发生，海上高耸结构在选择建造地址时往往避开岩石地基。

岩石锚杆基础通过锚杆将基础与岩石连接为整体，依靠锚杆与砂浆、砂浆与岩石的握裹力提供较强的抗拔能力，适用于岩石地基。严赣英等[1]从现行各规范对全长粘结岩石锚杆计算的规定出发，对比分析各行业对全长粘结岩石锚杆承载力验算的一般要求，总结和探讨全长粘结岩石锚杆承载力验算的一般方法。霍宏斌等[2]结合工程实例，对岩石锚杆风机基础进行研究。刘明贵等[3]采用数值模拟软件FLAC3D对全长粘结式锚杆在拉拔试验时的受力状况进行数值分析。曾华明等[4]对岩石锚杆在张拉荷载下的轴向应力和剪应力分布进行了详细研究。马逸鹄等[5]提出预应力自锁头锚杆基础，并对其抗疲劳性能进行了研究。付秋顺等[6]通过数值模拟研究了锚杆直径、锚杆长度对预应力岩石锚杆风机基础承载力及稳定性的影响。

近年来，随着经济的发展及社会需求的增长，海洋平台越来越高，且向深海发展，环境条件越来越恶劣，锚杆基础受锚杆直径及强度的限制，其承载力难以满足设计需求。文献[1-6]在岩石锚杆基础方面做了大量深入研究，在此基础上，本文提出自锁头-预应力锚索基础。

该基础形式通过底部自锁头的自锁原理将锚索的拉力转换为岩石的抗压强度，充分利用岩石抗压强度高的特点，不依靠浆体与岩石的握裹力进行抗拔，从而有效避免了岩石与砂浆的脆性问题。锚索抗拔承载力高且抗疲劳性能好，适用于深水位海洋工程岩石地基，可大幅度节省基础造价及施工难度。本文结合工程实例，对其受力机理进行详细介绍。

1 工程概况

东海某海洋平台观测塔(图1)总高度为135m，由导管架及上部观测塔组成，其中导管架高度约60m，观测塔高75m。导管架底部根开为36m，顶部为22m，观测塔由四个标准段及三个变坡段组成，其中标准段宽度分别为8m、5m、3m、1.5m。观测塔上设有风速仪、通信天线等设备；导管架上设有应变计等各种健康监测设备。此外，在25.2m标高，即导管架与观测塔转接处，设有主设备平台，尺寸为22m×28m，其上设有太阳能、起重机等多种设施。

图1 海洋平台尺寸立面Fig.1 The measure-vertical view of the offshore platform

2 设计参数

该海洋平台观测塔设计寿命为30年，位于水深35m的中风化凝灰岩上，海洋平台受环境荷载控制，该处百年一遇最大波高为19.8m，最大波周期为14.8s；表层流速为215cm/s，底层流速为171cm/s；1min平均风速为51.5m/s。其余1年重现期、10年重现期的环境参数见表1、表2。

不同流向海浪阻挡系数不同，根据API RP 2A-2010[7]选取海浪阻挡系数，见表3。

表1 波浪参数Tab.1 The parameter of wave

表2 不同重现期的风速值Tab.2 The wind speed of different return periods

表3 不同流向海浪阻挡系数Tab.3 Barrier coefficients of different flow direction waves

采用SACS对整体结构进行建模分析，如图2所示。导管架柱腿、横斜杆等主要受力构件均为DH36钢管，屈服强度为355MPa，标准段柱腿直径约为2670mm，壁厚约35mm，横斜杆直径为800mm～1000mm，壁厚为20mm～30mm。上部测风塔采用Q345b钢材，塔柱直径约为219mm～600mm，壁厚约10mm～20mm，横斜杆直径约为114mm～325mm，壁 厚 约6mm～10mm。导管架部分杆件均为刚接，测风塔部分考虑节点形式，塔柱为刚接，横斜杆为铰接。导管架结构构件、节点加厚段、支撑杆件及测风塔构件均在模型中建出，导管架斜撑偏移以便与弦杆表面上相邻的斜撑至少保持75mm的间隙。登船通道等通过杆件模拟，阳极重量、电缆管、耳板等以荷载的形式施加。飞溅区的构件考虑腐蚀，同时考虑海生物对海平面以下构件的影响。基础考虑弹性刚度，以弹簧的形式模拟。

图2 SACS计算模型Fig.2 SACE model

海洋平台观测塔在位分析包括操作工况和极端工况下的计算，其中操作工况采用10年重现期的环境参数，极端工况采用100年重现期的环境参数。操作工况下波浪动力参数为1.0，极端工况下为0.95。光滑杆件Cd取0.65，Cm取1.6；粗糙Cd取1.05，Cm取1.2。海洋平台观测塔上主要荷载有结构自重、设备自重、活荷载、环境荷载(风、波、流)，不同工况下荷载组合系数不同，观测塔整体分析组合系数见表4。

表4 荷载组合系数Tab.4 Load combination coefficient

3 基础设计

3.1 地质信息

根据勘察报告，该场地为中风化、微风化安山岩，其中中风化安山岩抗压承载力特征值为2000kPa，微风化安山岩抗压承载力特征值为3000kPa，其岩石基本参数见表5。

表5 岩体物理力学参数Tab.5 Physical and mechanical parameters of rock

3.2 基础方案

采用自锁头-预应力锚索基础，该基础形式主要由混凝土柱靴、自锁头、钢绞线组成。每根导管架柱腿内设有9组自锁头-预应力锚索，钢绞线外设有带U形卡的护管，均匀分布在观测塔柱腿内部，每组内有6根直径21.8mm、极限强度为1860MPa的钢绞线，每根钢绞线施加的预应力为270kN，每孔钢绞线总张拉力为1620kN。锚索深入岩石约13m，且已进入微风化层，基础立面及详图如图3所示。由于预紧力的存在，基础始终处于受压状态，上部结构传来的压力、弯矩由混凝土柱靴承担，剪力则由压力引起的摩擦力承担。同时锚索底部设有自锁头，利用其自锁原理，将钢绞线的拉力转换成自锁头膨胀力，从而挤压岩石，产生摩擦力，用于抵抗产生的拉力。

图3 基础立面及详图Fig.3 Thevertical and details view of foundation

3.3 柱靴受压、受剪

计算结果表明，各工况下柱脚均处于受压状态，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)[8]第5.2.1条对基础进行校核，柱靴底部混凝土压应力最大值为1.8MPa，小于岩石抗压强度2.0MPa，满足规范要求，且压力引起的摩擦力大于上部结构传来的剪力。

3.4 自锁头抗拔

自锁头拉力主要由六瓣自锁头张开后挤压岩石产生的摩擦力抵抗，在自锁头上施加预应力使自锁头张开挤压岩石，受力示意如图4所示。

图4 六瓣自锁头受力示意Fig.4 The drawing of self-locking head

自锁头抗拔承载力计算公式:

式中:N为自锁头打开后岩石对其挤压力；P为每孔钢绞线最大拔力，SACS软件计算值为1700kN；f为岩石承压可以提供的最大摩擦力；μ为摩擦系数；Tmax为自锁头抗拔承载力。Tmax大于最大拔力1700kN，满足《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22—2005)[9]的要求。

3.5 灌浆承载力

虽然在理论计算中自锁头的膨胀力已能提供足够的抗力，结构仍宜采用灌浆措施来对锚固力加双重保障。根据《港口工程桩基规范》(JTS 167-4—2012)，灌浆液对锚索基础的抗拔力计算公式:

式中:L为灌浆深度；γd为分项系数，对硬质岩、岩体不完整取较大值1.9；d为锚孔直径(mm)；q′fk为水泥浆体与岩石间的粘结强度标准值(MPa)，取灌浆体抗压强度标准值的10%和锚孔岩体抗剪强度标准值两者之较小值；Pdi为单孔锚杆抗拔力(kN)。

选用C65砂浆，抗压强度标准值35.5MPa，10%取3.55MPa，岩体抗剪强度为1.5MPa，锚孔直径210mm，灌浆深度为13m，所以抗拔力为:

Pdi大于最大拔力1700kN，满足《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22—2005)[9]的要求。

3.6 钢绞线抗疲劳性能

根据《铁路桥涵和预应力混凝土结构设计规范》(TB1002.3—2005)[11]，1860MPa高强钢绞线在200万次下的疲劳应力幅限值为140MPa，本结构钢绞线应力变化幅度在64MPa，远低于钢绞线的疲劳许用应力幅值，说明钢绞线抗疲劳性能好。

4 结语

自锁头-预应力锚索基础钻孔难度小、可有效降低工程造价、缩短工期，且基础安全性能高，抗疲劳性能好。本文结合工程实例，对其受力过程包括柱靴受压受剪、自锁头抗拔、灌浆承载力、钢绞线抗疲劳性能等进行了详细介绍，适用于深海复杂环境海洋平台结构。

本文环境参数等项目信息来自“东海多圈层塔基观测平台项目”,特此感谢“同济大学国家海底科学观测网”。