海底靜力觸探（CPT）系統舷外加接桿技術的力學分析及應用*

祝漢柱，王晨濤，羅侗俐，王春光，李 濤

（1.磐索地勘科技（廣州）有限公司，廣州 510760；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100120）

0 引言

海底靜力觸探（CPT）系統是以海洋調查船為載體，利用船載起吊設備將CPT水下單元放置于海底，通過機械機構將錐形探頭連續壓入海底土體，對土體物理力學性質進行原位探測的海洋調查設備[1]。海底靜力觸探（CPT）系統的錐桿加接桿長度因受到船舶硬件設施、海洋環境等客觀因素的影響，一直以來是制約CPT系統土體探測深度的主要原因。舷外加接桿是一種在船舶四錨定位或動力定位作業條件下，依靠相關機械機構的支持，伴隨CPT系統水下單元下放海底過程中的錐桿連接技術。

在海洋地質調查中，人們總是希望在設備能力許可下對海底的探測深度愈深愈好。CPT系統探測的土體深度主要取決于設備的貫入能力、土體的軟硬程度、錐桿的加接長度和機械強度等[2]。其中錐桿的加接長度制約著CPT系統的探測深度。以往作業是先將若干錐桿與CPT水下單元接好后，再利用起吊設備將其放入海底進行工作，但船舶起吊設備的起吊高度有限，往往不能滿足錐桿加接長度的要求，如圖1所示。再者，加接后的錐桿是大軸徑比的柔性壓桿[3]，根據材料力學理論，當加接桿超過一定長度后會出現自身重力作用下的自然彎曲變形甚至折斷，使錐桿的加接長度受到了自身物理條件的限制[3]。顯然，以上兩個因素成為CPT系統增加探測深度的瓶頸。因此，通過有效的物理方法解決CPT系統水下單元加接桿長度問題，是增加探測深度的必要條件和基礎。

圖1 已加接錐桿的水下單元

本文以某國家專項“深圳至中山跨海通道工程”“陽西沙扒300 MW海上風電工程”“陽江南鵬島400 MW海上風電工程”項目靜力觸探施工中的錐桿加接桿技術研究為例，介紹一種在船舶四錨定位或動力定位作業條件下，伴隨CPT系統水下單元下放海底過程中的舷外同步加接桿技術及相關機構，探討其連續接桿、恒力提桿、升沉補償等關鍵技術問題[4]。

1 加接桿機構組成

加接桿機構主要由絞車、主纜、輔纜、導向纜、配重滑塊、提環1、提環2、定滑輪、定滑輪組、錐桿連接體、舷外踏板、若干固定絞鏈支座等組成，如圖2所示。

各部件之間的物理聯系如下。

（1）被絞車牽引的主纜穿過定滑輪、配重滑塊上滑輪和定滑輪組連接到夾持錐桿1的提環1上。

（2）輔纜一端固定在絞鏈支座上，另一端穿過配重滑塊上滑輪和定滑輪組連接到能夾持錐桿的提環2上。

（3）配重滑塊通過一對滑輪被約束在導向纜上，當錐桿向下運動或主纜被絞車牽引時，配重滑塊可沿導向纜方向上下移動。

（4）舷外踏板安裝在船艉，伸出舷外約2 m，供操作人員站在上方進行接桿作業。

圖2 加接桿機構的組成

2 加接桿機構主要部件力學分析

2.1 錐桿連接體力學分析

在CPT系統中，各段錐桿是依靠桿兩端的內外錐螺紋接頭進行相互連接的，貫入力是通過錐桿的螺紋接頭螺紋面及臺階端面軸向傳遞到下一根錐桿上的。以海洋工程地質中常見的作業水深40～50 m為例，選擇長度50 m的錐桿連接體進行力學分析。常用錐桿的主要參數為：材質為40Cr；幾何尺寸（外徑×內徑×長度）為φ35 mm×φ18 mm×1 000 mm；水中質量為4.85 kg/m。顯然，長度50 m的錐桿連接體從物理和使用角度來講，是一個軸徑比達到1 429∶1的大柔度細長壓桿，在其垂直工作狀態下，錐桿連接體的上部質量G會垂直作用到下部的局部連接體上。當G大到一定程度時，錐桿連接體將喪失直線平衡形式的穩定性，在連接體的某一位置會發生彎曲變形甚至出現折斷，如圖3所示[4]。材料力學壓桿穩定理論中的歐拉公式為：

圖3 錐桿連接體形狀

式中：Pcr為臨界載荷；E為彈性模量；I為慣性矩；μ為長度系數；l為桿長。

Pcr為壓桿直線形式平衡開始由穩定轉變為不穩定的軸向壓力值，E、I、μ的確定是依據錐桿材質、幾何尺寸和桿的支持方式，具體為：

式中：l為桿長值，選擇錐桿連接體下端部分不同的長度值代入歐拉公式進行計算，如表1所示。

表1 不同長度值對應的各物理參數對比

在表中用不同的l值代入歐拉公式計算出對應的Pcr和[Pst]，再根據[Pst]確定la折算長度值，進而確定出錐桿連接體的lb穩定長度值[5]。

在長度50 m的錐桿連接體中，至下而上的各微元連接體都要承受來自于上端的重力載荷作用，而且，處于下端的微元連接體比上端的微元連接體要承受更多的重力載荷。從表中的對比數據可以看出，錐桿連接體長度為9 m時，能承受的[Pst]穩定許用壓力為215 N，但是，其lb穩定長度值13.52 m是lb組數值中最小的。也就是說，13.52 m長的局部連接體是整個錐桿連接體中能維持自身直線平衡形式的最小連接體，而其上端的其余連接體質量對下端13.52 m長連接體的影響要依靠加接桿技術方法加以削弱和抵消，消除錐桿連接體的失穩。

2.2 配重滑塊的質量確定

由上述分析可知，在長度50 m的錐桿連接體中，其最下端的13.52 m長的局部連接體是整個錐桿連接體中能維持自身直線平衡形式的最小連接體，其上端的連接體質量為：

配重滑塊在加接桿機構中采用動滑輪懸吊，如圖2所示，在忽略懸吊形式在鋼纜上所產生的分力，配重滑塊質量G配應為：

3 加接桿機構工作原理

加接桿作業需要船舶在錐探站位上四錨定位或動力定位，為CPT水下單元下放過程和海底錐進過程的加接桿提供船舶的穩定性保證。CPT水下單元在船舶起吊設備的牽引下放入海中，隨著設備向海底的沉放，操作人員站在船舷外伸踏板上同步進行加接桿作業，如圖4所示[6]。錐桿的單位長度是1 m，根據上述分析，在連續接桿到長度13 m之前是不需要采用主、輔纜輔助接桿的，這樣可以提高接桿的工作效率。但是，當接桿長度超過13 m時，需要使用主、輔鋼纜交替對連接體提供向上的恒拉力，將錐桿逐根接力加接到連接體上，以消除上端錐桿的自身質量對下端連接體產生影響。

圖4 舷外加接錐桿

3.1 水下單元下放和錐進過程中的接力加接桿

水下單元下放和錐進過程中的接力加接桿是舷外加接桿技術的核心內容，具體操作步驟如圖5所示。

圖5 加接桿操作步驟

（1）將主纜端上的提環1夾持在錐桿連接體的錐桿1上，并用絞車收緊主纜，此時錐桿連接體受到向上恒拉力；

（2）將錐桿2通過螺紋接頭與下端的錐桿1連接，再用絞車收緊主纜，使配重滑塊向上移動，放松輔纜；

（3）通過輔纜端的提環2夾持在提環1的下端位置，而后通過絞車放松主纜直至錐桿連接體受輔纜提拉，此時連接體受到來自于輔纜的向上恒拉力；

（4）將提環1松開，移動到錐桿2上端并牢固夾持；

（5）通過絞車收緊主纜并向上提起配重滑塊，連接體再次受到來自于主纜的向上恒拉力，同時，輔纜被放松，松開提環2；

（6）通過起吊設備將錐桿連接體向下放1 m，同時用絞車將配重滑塊移動至適當位置，至此完成加接一根錐桿的作業過程。

循環上述過程可完成多根錐桿的接力加接作業?；厥斟F桿作業與上述步驟類似，不再作詳述。

3.2 水下單元海底錐進過程中的恒力提桿

在錐進過程中，通過主纜端的提環1提住錐桿連接體的最上端，配重滑塊提供向上的恒拉力，絞車的同步放纜可以補償錐桿向下運動的行程，使水下單元錐進過程中的錐桿連接體始終受到向上的恒拉力[6]。

由配重滑塊產生而作用在錐桿連接體的向上恒拉力小于2 kN（1 735N），而海底靜力觸探（CPT）系統的貫入力通常在幾十千牛以上。顯然，恒拉力只有貫入力的百分之幾，其影響程度可忽略不計。

3.3 錐進過程中的升沉補償

海上作業受風、浪、流等海洋環境的影響是不可避免的。在海底錐進作業中，由于受到涌浪的影響，船舶相對于水下單元會出現上下起伏運動，幅度的大小取決于海浪的波高。以中浪為例，其最大波高達到2.5 m，對海底錐進作業的影響是非常可觀的[5]。在涌浪作用下，穿過定滑輪組（圖2）連接到錐桿連接體上的牽引鋼纜的長短會發生顯著變化，由于配重滑塊與鋼纜之間是動滑輪連接形式，此時的配重滑塊會產生沿導纜方向的上下同步移動。只要導向鋼纜的長度大于2 m，給配重滑塊有足夠的移動幅度，錐桿連接體就會始終受到向上的恒拉力，再輔以絞車的實時放收纜，可以達到對涌浪影響的升沉補償。

垂直的錐桿連接體在海水中會受到流速的橫向作用，當流速大到一定程度時會造成桿連接體的彎曲變形，對錐進作業和外露數據電纜帶來較大的影響。通過配重滑塊提供的向上恒拉力可對桿的彎曲變形加以一定抑制。

4 結束語

2017年3月，在“深圳至中山跨海通道工程”“陽西沙扒300 MW海上風電工程”“陽江南鵬島400 MW海上風電工程”利用船舶舷外加接桿技術完成了50個試驗站位的海底CPT錐進作業，最長加接桿長度達到120 m[7]。海上試驗結果表明：

（1）舷外加接桿技術的相關理論計算與實際作業情況相符；

（2）加接桿長度要根據目標錐進深度來確定，進而確定出配重滑塊的質量，由于目標錐進深度是可變性，配重滑塊一般設計成質量可變，以便于牽引絞車的操控；

（3）機械機構設計合理，工作可靠、安全，操作簡便；

（4）加接桿作業一般需要5個操作人員（起重設備1人、絞車1人、舷外接桿2人、傳遞桿1人），接桿時間為每根錐桿1～2 min；

（5）該項技術的成功應用，為增加海底靜力觸探的探測深度提供了必要條件和基礎。