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软弱地基上的近岸沉箱结构

格威克

摘要 目前正在为北海地区建造的有十三个海上沉箱结构。一个是Ekofisk沉箱，现在已经使用了两年。还有三个在1975年的夏季成功建设完成，所有这些沉箱结构都建立在相对稳固的地基上。Ekofisk沉箱这种结构性概念在其他海洋地区的还有拓展延伸，它经常涉及到建立在更加软弱和更不稳定沉积物上的结构。这里回顾这些结构对基础的要求，包括土壤、结构和环境之间的相互作用。然后探讨了一些解决相关问题的手段，包括减少结构净重和结构对海底的下沉，减少被动抵抗作用产生的滑移的发展，以及通过排水，超载，预加载，化学注入和冻结等方式增加地基承载力和被动阻力。

介绍

北海的Ekofisk沉箱已经成功使用了两年，并且经受住了冬季里那些记录在案的严重风暴的考验。沉降量也和预期结果惊人的相符。目前，北海地区正在联系建造13个更新的和更大的沉箱结构。其中有三个沉箱结构在1975的夏天已经成功完成安装。

Ekofisk沉箱结构是建立在在密实的砂土上; 而这种新型结构通常是建立在坚实的粘土上。那么，是否可以将这种结构推广到表土是软弱粘土，松散砂或者淤泥的地区呢？

基础土壤的液化始终是一个需要重点关注的问题，在严重风暴期间，基础土壤的孔隙压力可能在短时间内积聚并且不能及时得到分散。相反，在这种结构的早期工作中的小风暴可能地基中的砂岩致密化并且提高其对液化的抵抗力。一些粘土的循环载荷可能导致土壤重塑和过度的累积应变。由于墨西哥湾以往的问题，泥石流和坍落问题现在已被人们合理地考虑理解。甲烷气体释放和循环菌株所起的作用仍有待明确。在阿拉斯加湾，粘土软弱性质可能是由诸多地震波冲击或缓慢向大陆坡的蠕变作用造成的。最后，在北极地区，我们关心的是由于生产热油而导致潜在的永久性冻土退化问题。

高强度钢筋可用于导管架的关键部分。这些部分可能会增加厚度，以便更好地抵抗结构屈曲，尽管这也使得它们硬度变大。

如果需要的话，还可以建造湿井延伸到钻井平台，并且容纳一米范围以内结构的横向运动。总的来说，这可能就是诸多情况下最简单和最有效的解决方案。

解决方案

使用前面提到的原则，可以为非常软弱的土壤条件开发提供一些积极的解决方案。这些方案包括（格威克，1974）：

1. 通过提供基座和各部分的永久浮力来维持最小净重。
2. 将结构物沉入软土中时留有充足的距离，以确保不会液化轴承表面（图1）。
3. 通过被动压力调整嵌入部分以产生横向阻力（图1）。
4. 通过钻井在排水井中增加轴承阻力，保持压差，从而消除孔隙压力风暴，逐渐巩固和加强土壤。 这也可以围绕沉箱的周边施加以增加被动阻力并增加稳定性（图2）。
5. 通过过载压载使渐进和受控附加物增加轴承阻力。如果持续循环这样做，这是特别有效的解决方案。
6. 在某些情况下，可以使用可渗透砂浆的压力灌浆，或将石灰注入软粘土中。

图1 沉箱支腿沉入软土地基的海洋结构概念示意图

图2 沉箱支腿产生抵抗侧滑的作用

解决方法

类似沉箱或沉井组的重力式结构的下沉状况与桥墩相似。由于假设条件是在软土地基上施工，这些重力式结构可以通过高压喷射和空运来移除。通过使用多个互连的接头，可以对海平面上的所有工作部件（阀）进行模拟旋转喷射。这些喷气机可以有效半径可以达到10米甚至更远的距离。还可以利用气流排出物料的发方法将其排出，但必须注意防止吸入物料进入空气管路而造成堵塞。还可以采用钻井的方法或机械挖掘的方法来排开淤泥。（Gerwick，1971; Hansen，1975）。沉箱腿可能会因为低压水流作用在周围侧面变的润滑。这些被润滑的沉箱支腿随后可以被用作灌浆注水管道或排水管道。如果使用膨润土来减小表面摩擦力，则应随后注入水泥浆以产生凝胶（图2）。也可以通过用致密聚氨酯或其它耐磨的摩擦降低涂层进行涂布来减少沉箱腿的摩擦。一旦结构沉没到适当的高度，轴承可以通过底基灌浆重新建立。该材料应具有触变性，低模量，中等强度，低水合热，易于泵送和延迟固化的性质。膨润土和水泥的各种混合物与惰性填料和阻燃混合物已经成功地用于北海和澳大利亚的类似的无水灌注。使用火山灰替代一些水泥似乎在减少水合热量方面具有独特的优势。

海底防护措施

另外一个方向完全不同但可以同时采用的方法是事先进行海底防护准备，这种防护准备可以采取以下各种形式：

1. 预先去除软质材料。最近在澳大利亚采用了数目为十个的这样的沉箱结构，它们的深度达到了30米。这些沉箱的施工可以通过常规的疏浚技术进行，也可以通过使用现在用于埋设管道的喷射滑雪设备进行。

2. 通过倾倒沙子或砾石附加物对整个区域进行预吹填。这可以在沉箱结构建立之前用作平衡以及提前控制方案。它也可以用作预置的冲刷保护。这种预膨胀可能是能够保护外部结构不规则区域的唯一可行的方法，这一点对于那些由巨大的岩石铺就的海床是非常值得考虑的。但是可能需要对岩石表面进行整平以确保正确的地底支承（图3和图4）。

3. 在水下建造沙井排水以预防软土地基破坏。

4. 利用化学作用在软土地基中注入化学凝剂来稳定大面积的软弱地基。 在日本进行的使用石灰改善软弱地基的一些实验似乎给我们提供了很大的希望。

在考虑长时间制造之前，安装之前的稳定操作显得越来越重要，一到两个季节的沉箱结构通常可以采用这种操作方案。他们的成功实施取决于准确的定位，由于声学应答器的可靠性越来越高，这种定位更加切实可行。

北极地区的结构

为了防止海底多年冻土的退化，导线在顶部100 m左右可能会受损。可以采用沉箱安装热电堆或类似的冷冻维护设备的方法，以保持底土冻结。最后，过量的可用气体，盐水循环再冻结似乎也是非常可行的方法。

图3 浅水地区整平装置

图4 深水地区整平装置

结论

到目前为止，所谓的“重力式”或沉箱式结构，适用于北海和澳大利亚的坚实土壤，似乎也适应于非常软的土壤条件。这是他们表现出的一个最大优势的条件。 为了有效地实现这种施工方案，需要越来越彻底的土壤调查和逐步精确控制的仪器。可以通过使用逻辑图来帮助选择用于制备基础的适当方法（见表1）。

使用沉箱型结构的主要诱因之一是软弱土壤结构是建立在大约12个小时的时间段内然后由结构本身进行的操作变得越来越稳定，与钻井一致，并在开始之前完成生产。

表1 基础准备逻辑表

标准沉箱的建造

标准沉箱通常在建筑码头中预制为“干制”。提前准备好了，码头就可以使用现浇的方式进行施工，沉箱可以使用自身的浮力在水中运输到实际场地。在那里沉浸在河流，海洋或河口的床上，并且有足够的重量保持在其位置并实现其功能。沉箱的生命周期包括以下阶段：

1.倡议 2. 规划设计，实验室检测 3. 预制 4.运输 5.现场施工 6.操作，维护 7. 升级，拆卸和再利用或拆除。

下一节将介绍这些阶段，从预制开始。 一般设计方面在施工方面进行处理，因为在弄清如何估计尺寸和如何检查计算之前，知道应该考虑哪些方面是有意义的。

选择使用沉箱失去其功能作为项目案例来说明沉箱生命周期。如前所述，荷兰关闭了一些海军武装，以便在风暴潮期间提供更好的保护。“三角洲委员会三月报”为用于潮汐关闭的沉箱的施工方面提供了宝贵的信息。本章的另一个目的是讲授那些实际参与了荷兰Deltaworks的土木工程师的经验（1953-1986年）。在决定赞成沉箱关闭之前，应该考虑是否应该逐渐关闭而不是突然关闭。这个话题实际上超出了这些演讲笔记的范围。

预制

建议在尽可能靠近最终目的地的地点预制沉箱。 如果有足够的空间，对脱水没有限制，建筑地盘（bouwput）的施工现场通常是最便宜的解决方案。 为了开展工作，挖掘的土壤可以沉积在周围的斜坡或堤坝中。 提前进行土壤机械和水文测试是明智的，以了解是否需要预期的差异沉降，确定对策，并估计对施工坑进行脱水所需的泵数。

或者，例如，当可用面积有限时，可以使用具有板桩墙的建筑码头来预制沉箱。根据码头的使用情况，它应该有简单或更复杂的设施来浮起沉箱，并将其关闭。它应该在陆地上无障碍地接近，例如通过建造斜坡。被挖掘挖地面的地球应该是存放在某个地方，最好不要太远，最后在工作完成后最终被抛弃。 还应有空间用于混凝土批料厂，钢筋堆场，组装和储存模板元素的区域和其他材料的储存。工人和专员的住宿不应该被遗忘。

如果一个接一个地建造了几个沉箱，应该在某个地方提供储存空间，最好在码头外面存放成品的沉箱。也可以考虑将沉箱建成一排，这对于使用行驶式起重机和龙门起重机是有利的。也可以不使用货车。

在淹没施工码头之前，沉箱应进行水密性测试，特别是在闸门可能导致渗漏的闸门沉箱的情况下。 对于Volkerak沉箱，由于泄漏造成每小时10立方米的流入是可以接受的; 在实践中似乎只有一半。 淹水前应进行的其他措施包括：清理码头，挖掘元素以获得更好的水流，如有必要，在LWL / HWL和靠近水流入口附近应用边坡保护。

为了防止沉箱在码头淹没期间以不受控制的方式开始沉没，沉箱应预先用水压载以将其保持在地面上。自由的压载水需要隔壁来防止水不能接受。因此，压载舱有时是首选的。所需的水管和泵应在实际灌装之前进行测试。河水通常足够干净，所以应该不会产生无法忍受的真菌或臭气。

如果沉箱准备运输，施

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