CN101839815B - 新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一套新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，它包括锚和试验槽，还设有加载固定架、垂直动力装置、连接机构、垂直动力装置拉力的力传感器、第一位移传感器、倾角计、张力调整器、拉索、拉索的导向滑轮组、拉力角度调节机构、测量拉索张力的力传感器、第二位移传感器、拉索的循环荷载调节器以及第三位移传感器和第四位移传感器。本发明能够实现深海复杂静、动力荷载环境下新型系泊基础承载力特性的模型试验研究，并提高了进行模型试验的效率与结果的稳定性，对于开展新型深水系泊基础的研究有巨大的促进与推动作用。
Description
技术领域
本发明属于深水系泊新型室内模型试验设备技术领域。
背景技术
近年来，随着海洋资源的开发与利用逐渐向深海转移，适用于深水张紧式系泊系统的新型海洋基础的研究越来越引起人们的重视。其中，在深海复杂荷载环境下的新型系泊基础的承载力特性是当前国内外研究的重点与未来的发展方向。相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的实验数据来加以验证和优化。相对于现场原位试验而言，模型试验方法具有费用低廉，易于操作、外界干扰因素少等优点，在科学研究中具有不可替代的作用。目前，国内外进行了很多关于新型系泊基础的安装与加载的模型试验研究，但是相对成熟的试验仪器很少，而且大都集中于新型深水系泊基础的静承载力试验方面，如The University of Texas at Austin研制成功的模型试验平台，主要用于一类新型系泊基础-吸力锚的贯入、拔出以及倾斜方向的静力加载模型试验，并即时采集所施加荷载、位移和土体中孔压变化等试验数据，详见<EI-Sherbiny，R.M.，2005.Performance of suction anchor anchors in normally consolidated Clay.Ph.D.Dissertation.The University of Texas at Austin.>。选用不同的试验仪器对试验数据的影响非常大，因此在研究复杂深海环境下的新型系泊基础的承载力特性时，需要一套可以方便地用于新型系泊基础的安装与回收，而且能实现可调控的静、动力荷载施加的模型试验平台，这对于推动海洋工程中深水系泊技术的发展是非常有意义的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为各类深水系泊基础的试验研究提供一套新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，以提高进行各类深水系泊基础试验的效率，减小由于不同试验仪器的选用对实验数据造成的影响，更重要的是为进行深水系泊基础在复杂静、动力荷载作用下的承载力理论研究提供可靠的模型试验技术。
为此，本发明采用以下技术方案：包括锚和设置模拟海床的试验槽，所述试验平台还设有：
1)、设置在试验槽上方的加载固定架；
2)、可拆卸地安装在加载固定架上的垂直动力装置，所述动力装置能够拉或压所述锚；
3)、可拆卸式连在所述垂直动力装置和锚之间的连接机构；
4)、锚所受垂直动力装置拉力的力传感器；
5)、测量锚垂直位移的第一位移传感器；
6)、可拆式安装在所述锚的顶部的倾角计；
7)、安装在所述试验槽侧方的张力调整器；
8)、可拆卸地连接在锚的侧面和所述张力调整器之间的拉索；
9)、所述拉索的导向滑轮组；
10)、拉索对锚的拉力角度调节机构；
11)、测量拉索张力的力传感器；
12)、测量拉索位移距离的第二位移传感器；
13)、拉索的循环荷载调节器；
14)、与所述锚的顶部可拆卸连接的第三位移传感器和第四位移传感器。
本发明首先使用竖向布置的油缸或微型真空泵实现平板锚和吸力锚等新型系泊基础的安装；安装完毕之后，通过竖向油缸和侧向布置的加载系统对基础模型施加不同方向、大小和频率的静、动力荷载；最后，在加载实验完成后，通过竖向油缸和微型真空泵对基础模型进行回收。本发明与国内外现有的相关试验技术相比，可以适用于更多样的深水系泊基础形式，而且可以稳定地施加更大的荷载，便于改变荷载的施加方向以及实现可调控的静、动力荷载施加方式。
由于采用本发明的技术方案，本发明具备以下功能：快速布置的海床环境，模拟新型深水系泊基础的安装与回收系统，可调控的静、动力荷载施加系统，对新型系泊基础模型的运动学及动力学等参数进行即时量测的量测系统。本发明能够实现深海复杂静、动力荷载环境下新型系泊基础承载力特性的模型试验研究，并提高了进行模型试验的效率与结果的稳定性，对于开展新型深水系泊基础的研究有巨大的促进与推动作用。
附图说明
图1是本发明锚的安装与回收示意图。
图2是本发明的复杂荷载施加过程示意图。
图3是吸力锚负压贯入的操作示意图。
图4是本发明静、动力加载系统的结构示意图。
具体实施方式
参照附图。本发明包括锚4和设置模拟海床的试验槽12，所述模拟海床包括砾石排水层1、海床粘土2，附图标号3为水。所述锚可采用吸力锚模型，或者平板锚模型。所述试验平台还设有：
1)、设置在试验槽上方的加载固定架11。
2)、可拆卸地安装在加载固定架上的垂直动力装置，所述动力装置能够拉或压所述锚，所述垂直动力装置采用竖向油缸8，附图标号7为其下进油口，附图标号9为其上进油口，附图标号15为其备用储油桶，附图标号16为其进油管，附图标号17为其出油管，附图标号18为油压调控器。当所述锚为平板锚模型时，其安装由所述油缸8下压完成。
3)、可拆卸式连在所述垂直动力装置和锚之间的连接机构，连接机构中设有万向接头5。
4)、锚所受垂直动力装置拉力的力传感器6，所述力传感器6连在万向接头5和油缸8的顶头之间。
5)、测量锚垂直位移的第一位移传感器10；它可拆卸地安装在加载固定架11上，通过对油缸8的活塞杆的垂直运动距离测量，来测量锚垂直位移。
6)、可拆式安装在所述锚的顶部的倾角计19。
7)、安装在所述试验槽11侧方的张力水平调节器14。所述张力水平调节器14包括连接拉索的牵拉杆42；带动牵拉杆的步进电机43以及涡轮涡杆变速机44。
8)、可拆卸地连接在锚的侧面和所述张力调整器之间的拉索28，所述拉索28可采用高强度钢丝绳。
9)、所述拉索的导向滑轮组。
10)、拉索28对锚的拉力角度调节机构；所述拉力角度调节机构包括设置在锚的侧面的第一滑轮26，它也是所述导向滑轮组中的滑轮，所述第一滑轮设置在调节板50上，所述调节板50固定在加载固定架11上，所述调节板上有若干用于固定第一滑轮26的滑轮定位孔25，从而能调节第一滑轮26在调节板50上的高度，所述调节板50的高度调节区域，也即设置滑轮定位孔25的区域低于模拟海床面。附图标号27为所述调节板的侧向固定器。
11)、测量拉索张力的力传感器24；所述拉索28被分为两段，所述力传感器24装在该两段拉索之间，附图标号51为一端安装力传感器24的杆51，杆51的另一端连接所述拉索，附图标号23为杆51的导向块。
12)、测量拉索28位移距离的第二位移传感器22，它与杆51配合，通过测量杆51的升降距离，来测量拉索位移距离。
13)、拉索28的循环荷载调节器13；所述循环荷载调节器包括可旋转作用于拉索的偏心机构41，在偏心机构的两侧外具有拉索的导缆孔40，附图标号39为驱动偏心机构旋转的步进电机，附图标号38为变速齿轮。
14)、与所述锚的顶部可拆卸连接的第三位移传感器21a和第四位移传感器21b，所述第三位移传感器21a和第四位移传感器21b分别包括与锚的顶部可拆卸式连接的绳子20。
以上可拆式连接的手段可采用螺纹连接、连接件连接等常用手段。
参照图3，在本发明采用吸力锚模型4时，本发明还设有与吸力锚模型连接的吸水装置，所述吸水装置设有储水筒52，所述储水筒悬挂在支撑架31上，所述试验平台还设有储水筒的重力传感器32。附图标号29为微型真空泵，附图标号30为塑料管，附图标号33为真空表，附图标号34为水，附图标号35为阀门，附图标号36为过滤器，附图标号37为附加配重块，所述附加配重块37可以可拆式地连接在安装所述万向接头的支杆53上，支杆53与锚的顶部可拆式连接。
本发明提出的新型深海系泊基础安装与回收的简图如附图1所示。具体步骤是首先在试验槽12里倾倒一定量的均匀搅拌成浆的海床粘土2，底部布置的砾石排水层1可以加速槽内土体的排水固结，快速达到可以进行试验的海床环境。对于吸力锚基础，其安装方式较为特殊，为自重作用下贯入土中一定深度后，然后通过抽取模型锚内部的水以形成持续作用的负压使其缓慢贯入到指定深度，其具体操作方式如附图3所示，可以通过不断调节阀门35的开度来控制抽吸的速度。模型实验完毕，模型锚的回收可以通过设定竖向油缸8的运动来实现，在模型锚拔出的过程中需变换微型真空泵的吸气口和排气口向模型锚内部持续注水以释放其内部不断形成的负压，并利用力传感器6和位移传感器10记录试验所需数据。
本发明提出的新型海洋基础模型的复杂荷载施加过程示意图如附图2所示。主要是通过更换加载固定架11上的设备和静、动力加载系统实现模型锚的不同方向、大小和频率的荷载施加过程。静、动力加载系统与试验槽12分开布置以避免施加动力荷载时对槽内土体的影响。通过将滑轮26安装在不同的滑轮定位孔25上调节荷载施加的方向。其具体步骤是通过张力水平调节器14慢慢牵拉另一端连接在模型锚4上的拉索28来施加一定大小的静力荷载，然后在循环荷载调节器13上安装好一定大小与形状的偏心机构41，并设定其旋转频率，通过步进电机13的运行进行模型锚4的静、动力加载试验。本发明设计了静、动力加载系统的结构简图如附图4所示。在两个导缆孔40之间，选用不同的偏心结构41实现一个周期内不同的荷载施加方式，可以非常方便地根据试验的要求进行更换，而通过调整步进电机39的运行速度可以对荷载频率变化进行控制。因为在深海环境下，传递到系泊基础上的荷载一般为低频且幅值变化较大的力，通过本发明的方法可以较为经济地实现对深水系泊荷载环境的模拟。在模型加载期间，通过倾角计19、小型位移传感器21a和21b、位移传感器22和力传感器24可以对系泊基础模型的运动学及动力学等参数进行即时记录。
除了吸力锚基础，还有许多不同形式的新型深水系泊基础，比如平板锚等，进行模型试验时，可以通过调节竖向油缸的运动将其压贯到海床内指定位置，然后同样利用静、动力荷载施加系统通过连接钢丝绳对系泊基础模型进行不同方向、大小和频率的加载试验。
Claims (7)
1.新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，包括锚和设置模拟海床的试验槽，其特征在于所述试验平台还设有：
1)、设置在试验槽上方的加载固定架；
2)、可拆卸地安装在加载固定架上的垂直动力装置，所述动力装置能够拉或压所述锚；
3)、可拆卸式连在所述垂直动力装置和锚之间的连接机构；
4)、锚所受垂直动力装置拉力的力传感器；
5)、测量锚垂直位移的第一位移传感器；
6)、可拆式安装在所述锚的顶部的倾角计；
7)、安装在所述试验槽侧方的张力调整器；
8)、可拆卸地连接在锚的侧面和所述张力调整器之间的拉索；
9)、所述拉索的导向滑轮组；
10)、拉索对锚的拉力角度调节机构；
11)、测量拉索张力的力传感器；
12)、测量拉索位移距离的第二位移传感器；
13)、拉索的循环荷载调节器；
14)、与所述锚的顶部可拆卸连接的第三位移传感器和第四位移传感器。
2.如权利要求1所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于连接机构中设有万向接头。
3.如权利要求1所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于所述拉力角度调节机构包括设置在锚的侧面的第一滑轮，所述第一滑轮设置在调节板上并可被调节在调节板上的高度，所述调节板的高度调节区域低于模拟海床面。
4.如权利要求1所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于所述循环荷载调节器包括可旋转的作用于拉索的偏心机构，在偏心机构的两侧外具有拉索的导缆孔。
5.如权利要求1所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于锚为平板锚模型。
6.如权利要求1所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于所述锚为吸力锚模型。
7.如权利要求6所述的新型深海系泊基础的安装与复杂加载模型试验平台，其特征在于它设有与吸力锚模型连接的吸水装置，所述吸水装置设有储水筒，所述储水筒悬挂在支撑架上，所述试验平台还设有储水筒的重力传感器。
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