（机械电子工程专业论文）水下桩安装协同机器人系统仿真研究.pdf

天津大学硕士学位论文 水下桩安装协同机器人系统仿真研究 r e s e a r c ho n d e e p s e ap i l i n gw i t ht h e c o o p e r a t i o no fr o b o ts y s t e m 学科专业：机械电子工程 研究生：王双飞 指导教师：章青副教授 天津大学机械工程学院 二零零八年六月 中文摘要 随着深海能源的开发，浮式生产设施具有众多的优点，被广泛应用，其关键 是锚泊系统。锚泊系统常见的有爪力锚，吸力锚，每种类型都具有一定特点，但 均存在较大缺陷。最近几年对深海锚泊系统发展出采用桩锚结构，该结构需要水 下打桩( 短桩) ，使锚泊系统具有很大的抗拔力和抗横向载荷，对提高浮式生产系 统的锚泊安全、降低锚泊系统的失效风险起到关键作用，但若没有水下机器人的 协同作业，整个安装无法进行。论文着眼于深海锚泊系统发展出采用桩锚结构的 安装技术，提出“水下桩安装协同机器人研究，该机器人具有以下功能：水下 桩扶正功能；水下桩定位功能；水下桩桩吊耳自动定向功能；自动夹紧和松开功 能；自动降低吸附力功能：重复使用功能。论文包括对水下桩安装过程的力学分 析、结构优化、自动定位定向机构、协同作业等进行全面研究，制作比例模型和 实验验证，提出一套完整的理论体系。 论文以大直径短桩为研究前提，主要工作包括以下几点： 1 分析深海打桩过程的环境因素及桩与机器人的受力，选用钢材及合理结 构，提出一种新型的水下桩安装协同机器人模型。 2 完成机器人结构设计和优化，运动学分析和动态干涉检验；并对模型进 行贯入性分析。 3 提出可行的试验方案，推导水下桩安装协同机器人沉降性和吸附性算法， 并进行仿真试验。 关键词：机器人，海洋开发，锚泊系统，仿真试验 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e e ps e ae n e r g y ，m a n yf u n c t i o n so ff p s o ( f l o a t i n g p r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m lh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d t h em o o r i n g s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e se m b e d m e n ta n c h o ra n ds u c t i o na n c h o r ，p l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nf p s o e a c hk i n do ft h a ta n c h o rh a ss p e c i a l t y ，h o w e v e r ，e a c hh a sl i m i t a t i o n r e c e n t l y ，t h ea c t i o np e o p l ed e v e l o po c e a n sh a se x t e n d e df r o mo f f s h o r et od e e p s e a ，t h ep i l e - a n c h o rs y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h em o o r i n g s y s t e m t h a ts y s t e m n e e d su n d e r w a t e rp i l ed r i v i n g ，w h i c hi m p r o v e st h ea n t i - e x t r a c t i n ga n da n t i s l i d e a b i l i t yo ft h em o o r i n gs y s t e ma n di m p r o v e ss e c u r i t ya n dr e d u c e sf a i l u r er i s ko f f p s o ，h o w e v e r ，i ft h e r ea r en o tc o o p e r a t i o no fr o b o ts y s t e m ，t h ep i l ec a nn o tb e d r i v e ni n t oi t sf i n a lp o s i t i o n t h i sp a p e rp r o v i d e sw i t han e wi n s t a l l a t i o nt e c h n o l o g y u s e dt os t a bp i l e sd i r e c t l yi n t ot h es e a b e df o rm o o r i n gs y s t e ma n dr e s e a r c ho ns u b s e a p i l i n gw i t ht h ec o o p e r a t i o no fr o b o ts y s t e m ，w h i c hh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ，s u p p o r t p i l ed r i v e nv e r t i c a l l y ， e n a b l ep i l es e l f - l o c a l i z a t i o n ，o r i e n t a t ep i l et o w a r d sf p s o a c c u r a t e l y ，l a t c ha n du n l a t c ha u t o m a t i c a l l y ，r e d u c eo c e a nb o t t o mb r e a k o u tf o r c e s a u t o m a t i c a l l ya n dc a nb eu s e dr e p e a t e d l y t h ec o n t e n t si n c l u d e st h em e c h a n i c s a n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo p t i m i z e sa n d t h ed e v i c es e l f - l o c a l i z a t i o n ，t h ec o o p e r a t i o nw i t h p i l ea n ds oo n t h et h e s i sc a r r i e so u tt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，t h em a n u f a c t u r e d i m e n s i o n a ls c a l e dm o d e la n dt h ee x p e r i m e n tc o n f i r m sa n dp r o p o s e sas e to ft h e o r y s y s t e m t h i sp a p e rt a k e st h el a r g ed i a m e t e rp i l ea s a ne x a m p l e ，h a v i n gm a k er o b o t m o d e l ，a n a l y z i n gi t ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc a r r y i n go u ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n df r u i t ss u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 t h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r so fd e e ps e aa n dt h es t r e s si nt h ep r o c e s so fp i l i n gh a v eb e e n t a k e ni n t oa c c o u n td u r i n gd r i v i n ga p i l ei n t oas u b s t r a t e ， f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rc h o o s e r e a s o n a b l em a t e r i a la n dp e r f e c ts t r u c t u r eo f p i l ea n dr o b o t an e wm o d e lw a se s t a b l i s h e d 2 t h em o d e l ss t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o nh a v eb e e nm a d eb ys o 胁a r e m o r e o v e r , k i n e m a t i c a la n a l y s i sa n dd y n a m i ci n t e r f e r e n c et e s th a v es u c c e s s f u l p e r f o r m e d 3 e x p e r i m e n t a lp r o j e c tw a sd e d u c e d h e r e b y , c h a r a c t e ro fo c e a nb o t t o mb r e a k o u t f o r c e sa n ds e d i m e n t a t i o nc o u l db ec a l c u l a t e d ，f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v e b e e np e r f o r m e db a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：r o b o t ，e n e r g y d e v e l o p m e n t ，m o o r i n g s y s t e m ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：一三泌弋 签字日期：2 d dp 年石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王双一 、 签字r 期：2 d 0 8 年6 月7e l 刷磴名哼书 签字日期：厶 咯年月口同 第一章绪论 1 1 工程背景 第一章绪论 1 水下桩安装协同机器人与浮式生产储油装置 我国有漫长的海岸线，渤海、东海、南海海域蕴藏着丰富的油气资源。世界 原油价格不断上涨，刺激各产油国对海洋石油的开发，海上油田的地位变得越来 越重要。要开发海上油气田，就需要有钻井和采油的海上平台。钢质桩基平台( 固 定式平台) 具有稳定性好、自持能力强的特点，且甲板负荷大，所以除可作为钻 井平台使用外，一般多作为采油平台。海洋石油设施分为开采设施和浮动生产设 施。海洋活动式平台f p s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m ) 也 称浮式生产储油装置不仅可作为海洋石油勘探的钻井平台，且可用作采油平台、 修井作业平台、生活平台、施工作业平台、地基处理平台，以及钻井、采油、储 油等多用途综合平台。它集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体【l 】。同 时它还具有高投资、高风险、高回报的海洋工程特点。f p s o 俨然一座“海上油气 加工厂”把来自油井的油气水等混合液经过加工处理成合格的原油或天然气，成 品原油储存在货油舱，到一定储量时经过外输系统输送到穿梭油轮【2 】。 f p s o 在解决海上油田的开采和储存问题上越来越受到生产企业和研究机构 的重视，发展迅速。我国自行研制的第一艘f p s o 渤海友谊号于1 9 8 9 年4 月交 付使用至今，在渤海油田已有渤海常青号，渤海明珠号，渤海世纪号投产。探 明渤海地区油田资源地质储量6 亿吨，其大部分为浅水油田。在水深较浅的渤海 海域建造f p s o 时，浅水深和船型尺度以及环境条件对超大型f p s o 运动性能的影 响非常重要随着西非等深海海域陆续发现大型油田，国际上海洋石油开发和研 究热潮正朝着深水方向发展，对于各种系泊形式f p s o 的研究大多数为深水研究， 由此深水系泊系统的水下桩安装显得尤为重要1 2 j 。为使桩与要打入桩的地层表面 对准和使打桩落锤稳定，需要安装一个引导打桩的协助水下机器人，尤其是在水 下打桩时存在这样一个问题即在桩被打入海床之后，为使桩能够被打入到其最终 位置必须移开机器人，但通常的做法既费时花费又高，且控制精度难以保证。论 文的目的在于提供一个稳定桩引导机器人，它能在桩被初步建立在地层上后被移 开( 避让) 以便使驱动装置连续将桩打入到最终位置而不需为移开引导机器人而 停止打桩。 第一章绪论 2 浮式生产储油装置和系泊系统的组成 浮式生产储油装置f p s o 可以通过软刚臂和单点系统相连，也可通过系缆系 泊在单点上，或直接将船体和单点旋转轴承相连，再用锚链单点固定在海底。尽 管整套系统因单点的结构形式和f p s o 与单点的连接方式不同，但其原理还是一 样的i3 】【4 】。现以渤海桩基固定式单点系泊系统为例，说明该系统的构成。 1 ) 浮式生产储油装置f p s o 浮式生产储油装置f p s o 集原油的集输、处理、储存、外输和生产污水处理， 水、电、油、气供给，人员居住，油田管理等为一体的多功能浮式装置。浮式储 油装置的舱室作为压载舱和储油舱，主甲板以上建造生产甲板，安装生产处理设 施，浮式生产储油装置的艏部设置系泊支架，通过系泊支架与单点的系泊结构相 连，并经系泊支架将油、气、水、电跨接软管和电缆连接到单点上，输往井口平 台或陆地终端。浮式生产储油装置的设计，除满足一般的海船要求之外，还应满 足油气工艺生产的要求。 2 ) 单点导管架 单点导管架是单点系泊系统受力的基础，设计时，不但要考虑风、浪、流、 冰和地震各种不利的环境因素和可能形成的荷载组合对导管架的作用，还应同时 考虑这些环境力作用在f p s o 上产生的系泊力对导管架的作用，应进行静力、动 力、地震和疲劳等各种工况的计算，以确保单点在使用期内的安全可靠。f p s o 作用在单点上的力是一个复杂的过程，除用理论公式计算分析外，还可以通过模 型试验求得作用在单点上的最大系泊力和力随时的变化过程，以满足设计的需 要。如b z 2 8 - l 单点导管架设计时，由极端环境条件引起的最大水平系泊力达到 4 5 5 t f , 同时引起的最大垂直系泊力为1 6 0 t f 。 单点导管架通过打入钢桩固定到海底。钢桩的尺寸由设计确定，入泥深度可 达7 0 8 0 m 。在导管架的顶部设一支撑立柱，俗称将军柱，和导管架的腿柱牢固 相连，作为系泊头旋转机构的支座和固定结构，是传递系泊力荷载的主要部件。 其内部作为布置油气管线的通道。 3 ) 系泊头 系泊头指将军柱上的旋转机构向上，随f p s o 可自由转动的部分。这一部分 主要包括固定旋转轴承的转盘、油气水旋转密封通道和跨接软管支撑结构。转盘 是一个铸钢件，在系泊头转盘的侧面设置连接机构，作为软刚臂和系泊头的连接 支撑，当软刚臂在海上和单点连接完之后，来传递f p s o 引起的系泊力。系泊头 的顶部为一个钢支架，作为跨接软管的支撑结构，通过立柱和转盘连接在一起， 使跨接软管支架与转盘一起转动。 第一章绪论 4 ) a 字形连接软刚臂( y o k e ) a 字形连接软刚臂是f p s o 和单点的主要连接部件，一般由大直径的圆管组 成。其顶部通过万向转动接头与系泊头转盘相连，底部两侧通过万向联轴节吊挂 在系泊腿上与f p s o 上的系泊支架相连。尽管其结构本身是一个钢结构，但通过 旋转机构和系泊腿一起组成一套柔性系泊系统，它可以不受限制地适应f p s o 各 种运动状态，因此又将这一部分称为软刚臂。软刚臂在海上与单点系泊头转盘连 接，在f p s o 尚未就位或解脱时，可下放到海面自由运动，承受海上的环境力。 在软刚臂的底部设有压载舱，内部注入适量的防冻液，用以改善和调节整个系统 的运动状态。 5 ) 系泊腿 系泊腿是f p s o 和y o k e 的连接部件，共有2 根，分设在f p s o 系泊支架的 两侧，系泊腿上端和f p s o 上的系泊支架相连，下端和软刚臂相连，两端均有旋 转机构，以适应f p s o 的运动。一般情况下，先将系泊腿和f p s o 系泊支架在陆 地连接好，待f p s o 拖到油田现场后，将软刚臂底端吊起和系泊腿下端连接起来， 完成整个浮式生产储油装置系泊系统的最后一道工序。如果f p s o 需要解脱时， 也是通过这一部分机构的逆向操作，将f p s o 从单点解开。这部分连接机构的设 计方案，在很大程度上决定了f p s o 海上连接和解脱所需的时间。系泊腿和软刚 臂是整个系泊系统运动幅度最大的部件。 6 ) 管线系统 为了将井口平台生产的原油和天然气输送到浮式生产储油装置上，或根据生 产需要实现流体或气体反向输送，则需要通过海底管线、旋转密封滑环和f p s o 与单点之间的跨接软管以及相应的配套管线来完成。跨接软管和密封通道的尺寸 与数量依据生产需要而定。为实现海底管线的清管作业，在单点上需布置清管球 发射和接收装置【4 】。 3 国内外研究动态 国内的浅海水下桩贯入技术较为成熟，对深海水下桩安装工程研究较少。 深海筒基础压桩法由于土性动态变化特性难控制，水下装安装的垂直度难以确 保，实施较为困难。深海压桩技术的难点在于各深海土层技术资料的获取，施工 经验不足。而深海打桩工程是单点系泊系统的核心工作。由于单点系泊系统各部 件受力的复杂性，从f p s o 系泊支架开始，连同整个系泊系统的设计，目前大都 由国外专门的公司来承担，各部分的旋转部件也都由国外公司作为专利件供货， 其技术涉及保密。其中的钢结构部分，如导管架、系泊头、系泊支架和软刚臂的 施工建造，全部是由中国海油承担的。 第一章绪论 f p s o 系泊系统相关结构、模块支撑结构、火炬塔等都属于f p s o 的特殊结构， 对f p s o 的安全性至关重要。f p s o 非常特殊的系泊系统，是少数国际公司的垄断 技术。而特殊系泊系统与f p s o 船体的连接技术，是十分关键的。目前对深海能 源开发较为成熟的国家主要在美国如s b m 公司、b l u e w a t e r 公司、挪威 s t a t o i l 公司等，1 9 8 0 年s b m 公司负责设计实现了在欧洲北海丹麦g o r m 油田 的系泊储油装置，该系泊储油装置为一多锚点的悬链锚腿式系泊系统( g a l m ) 如 图1 1 所示【引。 图l - 1 悬链式锚腿系泊( c a l m ) 装置 悬链式锚腿系泊由浮筒、锚链、锚或锚桩、转台、系缆、筒下软管、输油旋 转接头及浮动软管等组成，可系泊最大油轮7 0 ，0 0 0 t ，单锚最大系泊力( 水平) 为 2 0 0 t f ，工作水深为4 0 m 。在深海技术方面挪威尤其突出，目前美国石油还未见 报道采用该锚泊形式，只有挪威推出了该技术，但处于强烈的保密之中，我们对 之了解甚少。 海洋能源的开发是高技术、高风险和高投入的行业，通过了多年的积累，我 们浅海区域的开发利用有了一定的经验，但是对深海( 超过1 0 0 米) 能源开发几乎。 是二片空白，而国外已经有能力开发上千米海域的资源。目前我国基本还不具备 自主知识产权的技术对深海能源进行开发，主要依赖国际上的石油强国进行联合 开发，但是所开发的油气资源与国外公司五五分成，造成了不必要的损失。 深海能源涉及许多技术需要我们突破，深海油气开发的总体构造有浮式生产 系统、导管架石油平台系统、重力式石油平台系统。 第一章绪论 目前应用最多的是浮式生产系统，其关键是锚泊系统。锚泊系统常见的有爪 力锚、重力锚、吸力锚，每种类 型的都具有一定的特点，但均存 在较大缺陷，最近几年对深海锚 泊系统发展出采用桩锚结构，锚 泊定位系统的布置形式是由环 境载荷的大小、方向、出现的频 率以及平台的结构型式来决定 的。在定位过程中，平台受风、 浪的袭击可能来自任何方，因而 常将定位系统的各根锚链拉向 四面八方，即采用辐射状的布 置，以便在各个方向都能给平台 定位提供回复力。通常矩形的平 台采用8 根锚链，三角形的采用 9 根，五角形的采用1 0 根如图 e ) 7 0 9 0 的8 根馅链 f ) 3 0 8 0 的8 根倚硅 图1 2 典型的辐射状布锚形式 1 2 所示，它们大多具有不同程度的对称性【5 1 。 该结构需要水下打桩( 短桩) ，使锚泊系统具有了很大的抗拔力和抗横向载 荷，对提高浮式生产系统的锚泊安全、降低锚泊系统的起关键作用，但是在水下 桩安装过程中涉及水下机器人，没有水下机器人的协同作业，整个安装无法进行。 国内情况是所有的浮式生产系统均采用国外技术，海洋开发只掌握了浅海的 导管架平台的设计方法，对于深海( 特别超过2 0 0 米水深) 的油气资源开发，还是 空白，也没有能力进行该前沿技术的探索。 水下机器人是一种具有人的一部分或大部分功能，能够在海洋环境下代替人 进行某种作业的自动控制装置，因为水下机器人的系统构成、形体、总体布置都 不尽相同，故每种水下机器人都没有进行批量生产，因此，目前还没有一个完善 的设计准则。总体布置对水下机器人的使用性能是非常重要的因素，通常在水下 机器人方案设计阶段，根据技术任务书的要求以及初步估计的排水量、重量和初 步选定的各种装置、结构类型和参数，并参照类似的已有水下机器人的资料，绘 制一个总体布置图f 6 j 。 海上结构物的钢管桩基础具有桩径大、桩数多、桩身长等特点，在海上吊桩、 打桩和陆地上进行接桩施工是海洋平台建造和安装中不可缺少的工序【6 】【7 1 。这些 工序尤其是打桩过程中需要机器人协同作业，水下桩安装协同机器人的开发，对 浮式生产设施的锚泊系统产生了重要意义，降低初期工程投资，简化了施工作业 * 桨一冀羔恭一冀黑一恭粟 第一章绪论 条件，降低施工的工作环境困难，采用传统的打桩施工，安全可靠，为海洋工程 开发提供了一套模板和模型样机，对深海油气开发提供关键技术。 1 2 深海打桩的关键问题 深海打桩过程是一个较为复杂的过程。首先，机器人的承载力大，对系统的 机器人机构及施力系统都有严格的要求。打桩过程受力动态变化，在同一深海位 置打群桩，要求机器人作业频繁，水下桩安装协同机器人结构形式是一个关键。 其次，海洋活动式平台f p s o 的锚泊系统要求各桩的桩鼻要朝向同一个圆 心，其系缆点吊耳需要指向该圆心。而钢桩在起吊后系缆点吊耳的朝向是随机的， 水下桩安装协同机器人需让桩有对中的作用，让其按照需要的方向定位，使桩在 安装后系缆点吊耳自动指向该圆心，在打桩后，水下桩安装协同机器人承受的垂 直冲击力使机器人与海床产生吸附力，影响机器人的起浮，故需要一套机械机构， 使机器人在起浮时降低海床对其的吸附力。 再次，在打桩过程中，整个系统产生的摩擦力较大，当桩贯入深海深度足以 使桩自由直立时，需要使机器人避让打桩锤的冲击力，所以机器人与打桩锤的干 涉技术也是系统的一个关键。 故水下桩安装协同机器人结构形式的确立和优化；自动定位定向技术；吸附 力增减技术；机器人与打桩锤的干涉避让技术分析；控制液压系统研究是关键问 题所在。 1 3 课题的研究内容 针对水下桩的安装要求，对水下桩安装协同机器人的以下方面进行研究： 1 根据水下桩的特点，研究水下桩安装协同机器人的结构形式。 2 根据我国南海和东海的海况条件，研究水下桩安装协同机器人的支撑力和基 本优化结构。 3 根据打桩过程的受力分析，研究水下桩安装协同机器人的底部支撑，重心位置 通过结构设计而优化。 4 根据要求设计自动导向结构，由于浮式生产装置各锚泊点指向同一圆心，其 系缆点吊耳需指向该圆心。而桩在起吊后系缆点吊耳的朝向是随机的，水下 桩安装协同机器人需具有自动调向功能，使桩在安装后系缆点吊耳自动指向 此圆心。 5 设计吸附力消减机构，在打桩后，水下桩安装协同机器人承受的垂直冲击力 第一章绪论 使其沉入海床一定深度，沉积物与机器人的粘着效应影响机器人的起吊，设计 一套机构，大大地降低吸附力。 6 水下桩安装协同机器人与打桩锤的干涉技术分析，为了提高海上作业的效率， 缩短作业时间，水下桩安装协同机器人需具有避让机构，使打桩一次完成，两 个系统协同作业，但不产生干涉。 7 液压控制系统的设计，在深海特殊环境液压系统尽量采用海水做驱动液体， 满足翻转液压缸开合动作及各个阀顺序动作。 1 3 1 课题的基本方案 经过分析和调研，水下桩安装协同机器人采用型钢结构做底座支撑，内侧具 有特殊导向曲线的铸造体做主体，在打桩过程中使桩自动导向及扶正桩，液压机 构为深海打桩系统提供各位动力，并通过机械设计将动力转变为所需的运动形 式，钢架式结构具有承压能力强、施工方便、价格低等众多优点，是作为本系统 的主体承载机构。 机器人的附带控制系统是液压系统，由于翻转液压缸和回转液压油路有往复 运动，故需有切换装置，油泵、阀门和其他控制油路切换和通断的元件共同构成 液压系统。液压系统的设计是为了完成对运动单元的往复运动施加载荷的操作。 1 3 2 课题的主要任务 针对深海打桩过程中遇到的难题，本课题拟解决的技术关键问题如下： 1 通过水力学理论、冲击理论、土力学理论，分析水下桩安装协同机器人 在作业全过程的受力分析。 2 通过结构优化和机器人机构学理论，建立和优化水下桩安装协同机器人 的基本结构。 3 通过摩擦学理论，建立自动定位定向原理，利用技术及仿真技术进行模 拟仿真。 4 利用实验室的设计软件( p r o e 、a d a s m s 、p a t r a n 、a b a q u s 等) ，对 水下桩安装协同机器人进行三维设计和造型，通过计算机实施技术仿真。 5 通过建造比例模型进行试验研究，通过模拟实验来验证算法。 第二章深海打桩系统的理论分析 第二章深海打桩系统的理论分析 2 1 深海打桩系统设计技术资料 1 深海场地的工程地质勘察 深海场地的工程地质勘察一般是为了判断工程对所在场地地基的适应性，并 根据调查结果进行经济、合理的设计施工，并可用来确定设计水下桩安装协同机 器人的安全度，对可能的地基灾害或隐患找出原因并定出防止措施捧j 。 ( 1 ) 深海地形、地质调查，主要目的是选定钢管桩下部结构位置和选定持力 层，根据调查结果绘制地形图，附近地史、地质资料调查、钻孔标本制作、绘制 地质图。 ( 2 ) 深海地质勘察，主要目的是掌握地基的成层状态：研究基础埋深，计算 承载力、地基反力系如选定结构形式，计算压密沉降量( 包含地基沉降) ，为分析 水下机器人受深海地基垂直和水平方向力提供数据依据。工作内容为钻孔标员绘 制地质岩性柱状图，土质试验、载荷试验、探明海下水位1 9 】。 2 拟建工程有关资料 设计人员了解拟建工程的有关资料，目的在于把握住设计条件，进而做出经 济合理的水下桩安装协同机器人设计。这些条件如下： ( 1 ) 整个机器人结构优化，在承受部分打桩力的同时，降低成本； ( 2 ) 机器人各顺序动作尽量简化、可靠、可行； ( 3 ) 机器人使用钢材总重量尽量小，重心位置设计靠近深海地基。 3 钢管桩的选型 钢管桩的选型往往同上部浮式生产系统对桩的承载力要求、桩的平面布置等 密切相关。钢管桩承载力的决定方式有通过单桩静载荷试验，按规范公式估算， 通过静力触探估算、动力试桩等加以确定。 钢管桩在承台平面内的布置，最好均匀布置桩，同时以双行以上布置为宜。 在独立柱基内，其桩数应不少于四根；而大直径桩可以用一柱一桩。 桩的最小中心间距，一般采用两倍的桩外径以上；对边桩中心距承台边缘的 距离一般不少于一倍的桩外径1 1 。 4 深海打桩机械 根据深海打桩特点，合理选择打桩机械，由于水下桩安装协同机器人的特殊 第二章深海打桩系统的理论分析 机械结构和驱动方式，可采用简单的液压桩锤，首选荷兰i h c 公司的s 系列液 压桩锤，其有多年深海打桩成功背景。 2 2 海况及土力学分析 要分析打桩过程中桩及机器人的受力情况，就要综合考虑深海海况，尤其是 中国海海下沉积物与桩的相互作用。中国海的内侧为亚洲大陆，外侧为太平洋西 部的岛屿与海沟，所以中国海的海底沉积物的分布有其独特的规律，并明显地反 映出陆源物质的特点。这些陆源碎屑是河流的搬运及岛屿、海底侵蚀等综合作用 的产物，其中以河流输入为主。 渤海和黄海，由于它们的封闭性和复杂轮廓，加之大陆径流较强，黄河、长 江以及许多小河流提供陆源物质，其海底沉积物以粒度较细的粉砂质泥为主。从 长江口到海南岛之间大陆架内半部以及北部湾的沉积物与黄海中部相似，都是由 陆源河流夹带到大陆架上的近代松散物质组成，但其数量尚不足以将整个大陆架 完全覆盖。在朝鲜和海南岛之间的外半部大陆架上，有一条很宽的粗砂质沉积带。 其原因为东中国海部分可能由于强大黑潮暖流的作用，其中细粒物质都被带走或 无法沉积下来。由大陆架再向外海是深水的大陆坡，分布着更细的粘土软泥，它 们是由细粒的陆源物质越过陆架在宁静的深海中缓慢地沉积而成。南海是一个较 为封闭的深海盆，其海底沉积物不仅是陆源物质，同时还有生物影响，沉积物中 聚集着细微小贝壳和珊瑚等】。 深海海床土的变形模量及强度与应力水平和应力路径有关。为了计算土的应 力状态，首先要求了解土的非线性和非弹性的应力应变关系( 本构关系) ，然 后从土的应力水平和应力路径用假定的屈服模型来进行后述的非线性的静、动力 分析。过去把土体变形和土体强度孤立考虑而分别计算。一类问题是：计算土体 的变形和位移按线性解答；另一类问题是计算引起土体破坏或屈服的破坏强度或 失稳的荷载和应力理想刚塑性解答。因此，关于土的工程特性方面的研究， 主要着重于【1 2 】【2 0 】： 1 ) 探讨土的抗剪强度( 通过三轴或直剪试验来研究土体稳定和土体计算) ； 2 ) 通过用单向固结仪等来测定土的变形模量，估算地基沉降与土体位移。 但是，对于土的应力应变关系问题过去却注意得很少，认识也很肤浅。这是 由于当时只是靠用数学解析法来计算土的应力和应变，把土作为线弹性计算己较 复杂，不可能再考虑用其它更符合实际的模型来求解。同时，没有按土体属性从 试验或实测得出反映其受力特色的本构关系。 美国石油协会( a p i ) 提出的把原有的工作应力设计法中的一个安全系数改为 第二章深海打桩系统的理论分析 多安全系数( 称为分项系数) ，即将荷载和抗力分别乘以相应的荷载、抗力分项系 数，从而可以合乎逻辑地解释由于海上结构物经受随机的海况作用，地基土和钢 制平台的强度存在的不确定性，保证结构物的不同部分具有比较均匀的安全程 度，各构件的强度发挥程度相似而且对于目标可靠指标b 值的波动小，因此得到 的设计结果更为经济合理【1 3 11 1 4 】。 2 3 深海打桩的特点 海底资源开发和海洋空间利用是海洋开发的重要内容，它们依靠海洋工程技 术提供技术支持。在海底资源开发和海洋空间利用开发过程中，地基处理是很关 键的一个方面。打桩是地基处理的一种有效措施，但在深海打桩却无法沿用陆上 和浅海处的打桩方式，需要机械电子工程提供技术支持，设计出水下桩安装协助 机器人，提出一种协助深海打桩的技术方案，并对其在一种特定的工况下的打桩 能力进行评价【”】。 深海打桩具有下列几个特点： 1 ) 深海打桩的主要机械设备是打桩船、液压桩锤和水下机器人，三方面设 备相互协同作业，难度较大； 2 ) 桩必须水上运输，因此施工中必须配备包括打桩船、运桩方驳、拖轮以 及其他辅助船在内的船组，除船员外，还必须配有受过专业培训的水上作业的打 桩工： 3 ) 桩的制作一般在专门的预制厂或场地加工，并有专用于陆上运输转到水 上运输的机械设备和码头； 4 ) 桩基水上施工需水陆配合，在陆上测量人员指挥下进行； 5 ) 打桩的顺序是根据打桩船性能经过精心设计的；从桩的制作、堆放、运 输直到打桩，其先后顺序应统一安排，避免造成某些桩无法施工； 6 ) 桩基海上施工受气象条件影响严重，必须要掌握和熟悉施工地区的气候 及水文的变化规律，严密地制定安全技术措施，以防造成严重事故； 7 ) 水上桩基的最后锤击贯入度，或称停锤标准的确定，必须了解打桩设备 的性能，以免造成严重的机损和安全事故。 桩基水上施工是由多工种、多种船舶、多种机械相互配合，水上、陆上相协 调，受气象、水文、地质、水域条件严格制约的复杂施工作业【1 6 】。 第二章深海打桩系统的理论分析 2 4 桩的受力分析 正确估计打桩阻力是桩基设计施工的关键技术问题之一，为此应先了解打桩 入土过程的贯入机理，便于估算和确定停打标准【1 7 1 。 2 4 1 桩的贯入机理 打桩时，桩的贯入过程造成了桩周土颗粒的复杂运动，使桩周土体发生变化， 桩尖“刺入”土体中时，原状土的初应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩 变形，土体对桩尖相应产生阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖土体所受应力 超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动( 粘 性土) 或挤密侧移和下拖( 砂性土) ，桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开，桩继续“刺 入 下层土体中。随之桩周土体继续被压缩挤开。在地表处，粘性土体会向上隆 起，砂性土则会被拖带下沉f 17 】【1 8 】。 在地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周水平挤开，使贴近桩周处 土体结构完全破坏，由于较大的辐射压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰 动影响。此时，桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖 阻力的抵抗，当桩顶施加的锤击力和桩重之和大于打桩时的这些抵抗阻力时，桩 将继续“刺入”下沉直至设计标高。 反之，则停止下沉。桩周土体变化状况见图2 1 。 8 ) 砂性土 图2 1桩周围的变形区 n ，2 ( b ) 轱挂土 2 4 2 打桩时的动态阻力 打桩时，地基土体受到强烈的扰动，桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的 第二章深海打桩系统的理论分析 静态抗剪强度显然有很大差异。此时，地基土体对桩的抵抗阻力是明显不同于静 态阻力的动态阻力。这一动态阻力的大小及其沿桩身的分布规律主要与桩型、土 质、土层排列、打桩工艺、桩长、桩数、桩距、施工顺序及进桩速度等因素有关。 打桩时，桩的动态阻力是由动态摩阻力和动态端阻力组成。 1 动态摩阻力 桩在锤击荷载作用下，随着桩的贯入，桩与桩周土体之间将出现相对位移一 剪切。由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用，土体对桩周表面产生摩阻 力，当桩周土质较硬时，剪切面常发生在桩与土的接触面上，这时摩阻力将略小 于土体的动态抗剪强度。当桩周土体较软时，剪切面一般均发生在邻近于桩表面 处的土体内，这时候摩阻力即为土体的动态抗剪强度。桩周动态摩阻力主要取决 于土的性质，包括容重、灵敏度、重塑性能、颗粒级配及其重新排列后的影响程 度、渗透性等，取决于桩靴的型式，桩的表面特点，桩的贯入速率，以及土体的 侧限应力值等因素。 打桩过程中，桩周土体的抗剪强度并不完全是常数。在粘性土中，随着桩的 贯入桩周土体的抗剪强度将逐渐降低，直至降低到其重塑强度。但在砂性土中， 除松砂外桩周土体的抗剪强度变化不大。在多次锤击作用下，由于振动周期荷载、 土的残余应力效应超孔隙水压力等因素的共同影响，随着桩的贯入，桩周土体对 桩的摩阻力将急减至最小值【1 9 】。 2 动态端阻力 桩在锤击荷载作用下，由于土体的惯性和动力特性，土体的动态抗压强度将 显著大于静态抗压强度，并取决于桩尖处的端阻尼因素，桩的贯入速度和土质特 性。在粘性土中，桩尖处土体在扰动重塑、超静孔隙水压力、振动的共同作用下， 土体抗压强度将明显下降。在砂性土中，紧密砂将受振动松弛效应影响，土体的 抗压强度减小。松砂将受震动挤密效应影响，土体的抗压强度会增大但对于任 何密度的砂土，均存在着一个与初始相对密度相对应的临界压力值，当桩周土体 压力对桩尖处土体的压力小于这一临界值时，土体将产生松弛效应反之将产生 挤密效应在成层土地基中，硬土中的桩端动阻力还将受到分界处粘土层的影响 上覆盖层为软土时，在临界厚度以内桩端动阻力将随贯入硬土的剩余厚度减小而 减小由于桩的尺寸效应和土体的压缩性效应，这一临界值与桩径的比值将随桩 径的减小而有所增大【2 0 1 。 2 4 3 打桩阻力的分布规律 打桩时，当桩顶施加的动载荷能克服桩周动摩阻力和桩端动阻力之和后，桩 就贯入下沉，简化的计算图式见图2 - 2 。打桩阻力分布基本图式表明桩周动摩阻 第二章深海打桩系统的理论分析 力大致可分为上、中、下( 即柱穴区、滑移区、挤压区) 三部分1 2 0 1 。 桩贯入下沉过程中，随着桩尖的“刺入和桩身的横向晃动，桩周土体将沿 桩尖向桩侧四周挤开。位于浅层土中的桩周上覆土体的自重压力较小和桩的横向 晃动幅度较大，将在桩周上部一定范围内形成土柱空穴，使桩与土体之间产生了 缝隙。同时由于打桩时产生的振动和超静孔隙水压力作用，不仅使桩周土体抗剪 强度显著降低，而且沿桩身向上渗流的孔隙水也将在桩土之间产生润滑作用。在 这些因素的综合影响下，使桩周几乎没有法向抗力及动摩阻力，桩周上部的动摩 阻力必然大幅度地降低，甚至趋近于零，故又称这部分为柱穴区。这一范围占桩 入土深度的比值，不仅与桩的入土深度有关，而且也与地基土的初始状态、土层 的特性和变形特征、地基土的成层状态、打桩施工工艺等因素有关。在桩周中部， l d 倒m 图2 - 2 打桩阻力分布基本图式 虽然土体的上覆压力较大，但由于土 体的扰动，振动和超静孔隙水压力作 用，孔隙水沿桩周的向上渗流等因素 的共同影响下，使桩身中部与桩周土 体之间形成一个软化层，这将明显降 低桩周土体的抗剪强度。此时，桩周 动摩阻力主要是桩在软化层中的滑 移阻力，故又称这部分为滑移区。显 然这一阻力明显小于土体的抗剪强 度的。这一范围占桩入土深度的比 值，主要与桩的入土深度、土层排列 的顺序、打桩施工工艺等因素有关。 由于桩下沉时的桩尖效应影响，使邻近桩尖处的桩周土体对桩产生较大的法向抗 力，而这必将明显增大桩周的动摩阻力。但又由于土体扰动、振动和超静孔隙水 压力作用等因素的影响，桩周土体的抗剪强度也必将降低。但在二者的综合影响 下，桩周动摩阻力仍然将明显增大。这时桩周动摩阻力的增大值主要与土质特性、 打桩工艺等因素有关。这个范围的大小主要取决于桩径和土质。 打桩阻力的组成基本上可由下式表示： p u = f 0 , + t t + p d ( 2 一1 ) 式中p l 。：打桩总阻力，k n ； f 中：桩周中部滑移区动摩阻力，k n ； t t 桩周下部挤压区动摩阻力，k n ； p d - 桩端动摩阻力，k n 。 第二章深海打桩系统的理论分析 2 5 打桩阻力估算 预估打桩阻力一般可分为试打测定法和土质估算法两类。试打测定法常用的 有波动方程测定法、大应变动测法( p z d 动测法、p d a 动测法) 、打桩分析仪测定 法、液压锤动力测定法等。土质估算法常用的基本方法有静力触探估算法、动力 触探估算法、经验动阻力估算法等。 试打测定法中的波动方程测定法、大应变动测法、液压锤动力测定法等三种 方法都是近代应用波动方程理论来测定桩的贯入动阻力的新方法，运用先进的计 算机技术简化大量计算工作。它不仅能使人们更好地理解打桩过程的机理，而且 还能测定桩在打入过程中的不同贯入阻力及其沿桩身的分布状况。 土质估算是应用地基土质资料和桩的设计施工经验资料与打桩阻力的分布 规律相结合的半经验半理论方法，其经验公式表示如下【2 0 】： 1 静力触探估算公式 1 中l 下 p u = f e o + t - f + p d 2 u o e l + i i s fi + u 。i t fi ns i + p 1 1 1 q s s ( 2 2 ) 00 式中： p u 打桩总阻力，k n ； u 0 ：桩外周长，m ： s ：桩尖截面积，i t l 2 ； 1 中i ：滑移区土层厚度。当桩的入土深度l 0 一 3 0 m 时，可取( 5 0 6 0 ) l 0 ，当 l o 为( 4 5 - - 6 0 ) m 时，可取( 4 0 , - - - 5 0 ) l 0 ； 足i ：单位侧摩阻力( k p a ) ： l 下；：挤土区土层厚度。通常为5 8 倍桩径，当桩很大、土质硬时取较小值， 反之取较大值； n s i ：挤土区土层的桩周冲击系数。粘性土可取2 5 - 3 5 ，砂性土可取2 , - - 3 ； m ：桩尖处土层的桩尖冲击系数。粘性土可取2 ，砂性土可取1 2 1 5 ； p ：桩尖尺寸效应折算系数，一般为0 4 0 6 ； q 。：单位端阻力。通常取桩尖最大截面上下各2 5 倍桩径