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(B)水下不同泥层的承载能力
按上述专题研究论文的结论,由表1可以看出,在较差的淤泥质粘土(剪切强度Cu=15kPa,在海上风场中属于很软的地质条件)中插深达2米时,每平方米可承受五吨载荷(计算己考虑了地基同时受到垂向载荷和水平载荷时的垂向承载力衰减。同时使用了2倍的安全系数,达到长期座落在海床上的固定式平台基础要求,远高于普通自升式平台1.3倍的安全因子)。实际上,很多风场表面为粉砂或砂土,例如如东表面粉砂内摩擦角达到25°~30°,其垂向许用承载力可达45 t/m2~90t/m2。本船设计水下着泥面积为3300平米,承载面基本在水下两米左右,承载面基本在水下两米左右,按每平米给予3吨左右垂直载荷(安全度为3),则泥面共需承担1万吨。考虑到抗倾稳性要求,压在泥面上的载荷需8000t,垂直载荷的其余部分(最大1.2万吨)由浮体承担。本估算为极限情况,事实上因可变载荷5000吨,只在某种特定条件下才全额存在,致使上述的总垂直载荷在1.5~2万吨间变化。我们调整排水量,令泥面载荷视需要,保持在5000~1万吨左右,即在表1中偏软淤泥质粘土情况下,单位面积承受压力不大于5吨(包括因起重2000t货物时,力矩产生偏载),远小于其极限承载力10.17吨,即安全系数不小于2.0,足够安全。
(C)小结
总之,在正常但偏软的土层上(由分析可知,大多数海上风场水下表土层的承受能力大于淤泥质粘土的情况),给予泥层1万吨垂直载荷是安全的,即浮力和座底载荷,各承担一半总载荷。对不同土质,只要改变浮力(使座底载荷剩为1/3或1/4),即可调整座底力,使座底船在各种不利土壤条件下,均能高可靠,高安全的工作。
表1 不同土壤条件垂向极限承载力和许用承载力
(2)如何抵抗水平载荷?
在允许作业条件(6级风速)下,由于风、浪、涌和水下“流”等产生的水平力,将使打桩船整体滑移,无法打桩?
虽然本船己抬离水面4~5米,大大减轻了涌浪的冲击力,仍有四根直径4米的腿在水中,经理论计算和海上实际验证,50m水深条件下,此力最大约500吨,浅水条件下(10m),下浮体受到的载荷相对较高,不超过1000t。如何防止(或抵抗)此水平力是开发此座底式打桩船能否成功的关键之二?我们的对策:
其一是:虽取消了桩靴但又设计了八只无靴的抗滑移桩。每根小桩若从材料的抗剪强度考虑可承受水平载荷达2000吨。每根抗滑移桩2米直径、长6米小桩,投影面积至少16平米。在较软的淤泥质粘土(剪切强度Cu=15kPa)中,每平米极限抗剪能力约10吨,6只桩共935t。在其它地质条件下,抗滑移能力更强,极限抗滑移能力甚至达到2500t(见表),足可抵抗风、浪涌和水下“流”产生的水平力。此外,这6只抗滑桩并可承担部分外载产生的不平衡力矩。
其二是:该船座底后根据不同地质条件可调整其座底压力(调节浮体存水量,可令此压载至少5千吨多至1万吨甚至更大。利用下浮体底部与泥面的粘聚力(粘土)或摩擦力(砂土)产生的阻力阻止打桩船的水平滑移。按照理论计算,淤泥质粘土情况底面可提供4000t极限抗水平滑移力,松砂也可提供2000t极限抗水平滑移力,以上两项措施,有其一即可保证座底船工作时,不会水平移动。
表2 不同土壤条件极限抗滑移力
插深达1.5米时,每平方米可承受十吨载荷。本船设计水下着泥面积为3000平米,若系软淤泥,承载面基本在水下两米左右(若需仍可再深至3~5米),按每平米给予3吨左右垂直载荷(己有安全系数为3),则泥面共可承担1万吨。垂直载荷的其余部分(最大1万吨)由浮体承担。本估算为极限情况,事实上因可变载荷5000吨,只在某种特定条件下才全额存在,致使上述的总垂直载荷在1.5~2万吨间变化。我们调整排水量,令泥面载荷视需要,保持在5000~1万吨左右,即在表1中偏软粘土情况下,承受压力不大于5吨(包括因力矩产生偏载),远小于其可允许承载10.13吨,即安全系数不小于2~3,足敷安全。
总之,在正常但偏软的土层上(由分析可知,大多数海上風场水下表土层的承受能力大于1表所示值),不理想情况给予1万吨垂直载荷,也是安全的(根据土质情况,并利用齿条机构向下施加作用力,座底力可增加到3万吨),对不同土质,只要改变浮力,即可调整座底力,使它在5000吨~2万吨之间变化,使座底船在高可靠,高安全下工作。
(3)如何承担外加倾覆弯矩?
首先要强调指出:力矩会影响垂直力的分佈,但不会增减垂直力的数值。如图9所示。
图9座底平台地基在某个力矩影响下垂向压力的分布
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