CN104746538B - 原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，利用的量测装置包括筒型基础、总沉贯阻力量测装置、端阻力量测装置、内侧摩阻力量测装置和外侧摩阻力量测装置。本发明可直接量测筒型基础的端阻力和摩阻力，采用装配式筒型结构，筒内外侧均设置摩擦环，可以充分体现工程中筒型基础沉放过程中的挤土效应，使测得的端阻力和摩阻力更加趋近实际情况；并将端阻力、内侧摩阻力、外侧摩阻力分别量测，并可对量测数据进行连续实时记录，量测数据可直接使用，可以更好地指导筒型基础沉放设计和施工。

Description

原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法

本申请是发明专利申请“一种原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的装置及方法”的分案申请，母案申请的申请号为2013102189564，申请日为2013年6月4日。

技术领域

本发明属于海洋、港口、岩土工程技术领域，更加具体地说，涉及一种原位量测装置，特别是涉及一种原位量测筒型基础沉贯过程所受端阻力和摩阻力的装置及方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，海上风电开发潜力巨大，但同样也面临着诸多技术问题。比如海上风电基础受到的垂向荷载与水平荷载相比较小，导致基础受荷偏心很大，因而传统的基础结构型式在近海风电场建设中失去了优势和适用性。复合式筒型基础是一种适合海上风机结构的、巨型宽浅式筒型基础结构，具有海上快速建造、抗倾覆能力强、适用于不良地基等诸多优势，具有广阔的应用前景。

复合式筒型基础在负压作用下沉放是非常重要的一项施工过程，国内外实际工程表明，部分筒型基础之所以失败，多数是因为沉放过程出现问题，沉放阻力估算不准确，造成筒型基础无法下沉至设计深度，因此非常有必要开展对筒型基础沉放阻力方面的研究。筒型基础沉贯过程需要克服的阻力主要包括端阻力和摩阻力，目前确定筒型基础沉贯阻力的主要方法是：在现场进行静力触探试验(CPT)，然后将CPT获得的锥尖贯入阻力等土质参数，通过国外规范中的一些经验公式转换得到筒型基础的沉贯阻力。由于CPT采用的是圆锥探头，其沉贯过程结构-土作用机理与筒裙贯入有所不同，不能考虑筒内外侧土体挤土效应的差异，并且该方法建立在国外工程经验的基础上，且没有严格的理论支持，加之公式中的参数取值范围宽泛，大大限制了其在我国工程中的应用。

因此如何比较准确地确定筒型基础沉放阻力是保证其顺利沉放的前提，由于目前筒型基础在国内外的应用历史尚短，工程经验尚不丰富，缺乏专门的规范、规程，故亟需能够原位量测筒型基础端阻力和摩阻力的装置设备，以给筒型基础的设计和施工带来准确的沉贯阻力信息，保证筒型基础顺利安装就位。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，是针对上述存在问题，提供一种可以原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的装置及方法，解决筒型基础在沉贯过程中所受的内、外侧摩阻力和端阻力的量测问题。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种原位量测筒型基础端阻力和摩阻力装置，包括量测总沉贯阻力的第一压力传感器、筒型基础的顶盖、筒型基础的筒壁、内侧摩擦环、外侧摩擦环、量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器、第一连接螺栓、量测端阻力的第四压力传感器、端头、滑块、基座肋板、第二连接螺栓和滑槽，其中：

所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器设置在筒型基础的顶盖上，例如安装在筒型基础的顶盖上设置的安装孔中，并与外部静压设备连接，量测筒型基础在沉贯过程中受到的外部静压设备施加的压力，即该装置由静压设备压入海洋土体过程中，量测总的静压贯入力。

在所述筒型基础的筒壁的两侧(即筒型基础的外侧和内侧)分别嵌入内侧摩擦环和外侧摩擦环，即将内侧摩擦环和外侧摩擦环分别套在筒壁的两侧，筒壁与内侧摩擦环和外侧摩擦环之间均设有滑块，所述滑块选择半球形或者球形(类似滚珠)，摩擦环与滑块的接触面涂抹润滑油，以减小二者之间的摩擦。

所述内侧摩擦环和筒壁、外侧摩擦环和筒壁之间设置有量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器，所述第二压力传感器和第三压力传感器固定在筒壁上。当摩擦环受到土的摩阻力时，会向上移动，与第二压力传感器和第三压力传感器接触，量测内侧摩阻力的第二压力传感器采集的总压力即为内侧摩擦环受到的内侧摩阻力，量测外侧摩阻力的第三压力传感器采集的总压力即为外侧摩擦环受到的外侧摩阻力。

在筒型基础的筒壁的末端通过第一连接螺栓固定连接基座肋板和筒壁，所述基座肋板的末端设置有滑槽，所述滑槽中设置有用于连接基座肋板和端头的第二连接螺栓，所述第二连接螺栓的一端设置在基座肋板的滑槽中，另一端与端头固定相连；所述基座肋板和端头之间，在基座肋板上设置有量测端阻力的第四压力传感器。所述第二连接螺栓选用凹陷式，以保证筒壁表面的平滑。所述第二连接螺栓可以在端头的作用下沿滑槽上下移动，装置下沉时端头受到土压力，向上移动，与第四压力传感器接触，第四压力传感器量测的总压力即为端阻力。

所述第一压力传感器1数量选择1—4个，均匀分布在筒型基础的顶盖上；所述第二压力传感器6、第三压力传感器7和第四压力传感器9沿着筒形基础圆周均匀分布，数量选择2—6个。

所述内侧摩擦环、外侧摩擦环嵌入筒壁两侧，以使嵌入摩擦环的筒壁与上下筒壁的厚度一致；所述内侧摩擦环、外侧摩擦环嵌入筒壁的末端的两侧，两者的上端分别与量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器之间设置有空隙，以供内侧摩擦环、外侧摩擦环受到外力向上或者向下移动；两者的下端与基座肋板之间设置有空隙，以供内侧摩擦环、外侧摩擦环受到外力向上或者向下移动。

所述端头和基座肋板在径向上与筒壁厚度一致。

利用本发明的测试装置可实现直接量测筒型基础的四处摩阻力，分别将各个传感器与采集设备相连，并将待量测装置与动力设备相连，按照下述步骤进行测试：

(1)装置在静压动力设备作用下，按照设定速度，匀速压入量测土体中；

(2)压入过程中，第一压力传感器1量测和记录总的贯入压力P随深度变化过程，由于下沉过程中保持匀速，故由传感器量测，则某一深度处筒型基础总贯入阻力R＝P；

(3)压入过程中，端头在土体的作用下向上移动，与安装于基座肋板下侧的量测端阻力的第四压力传感器发生接触，二者之间压力N随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度处筒型基础端阻力R_t为各个第四压力传感器采集的压力数值之和，即R_t＝N₁+N₂+N₃+N₄+......+Ni，其中N_i为第i个第四压力传感器量测的压力；

(4)压入过程中，内侧摩擦环在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁的量测内侧摩阻力的第二压力传感器发生接触，二者之间压力F_i随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度h处内侧摩擦环受到的内侧摩阻力f_ih(i表示内侧，h为某一深度)为：

f_ih＝F_i1+F_i2+F_i3+F_i4+......+F_in

其中F_in为第n个第二压力传感器量测的压力。

设内侧摩擦环内径为D_i，高度为l，则单位面积内侧摩阻力q_i可表示为：

q_i＝f_ih/(πD_il)

筒型基础下沉至此深度时总的内侧摩阻力Q_i为：

$Q_i={\mathrm{\πD}}_i{\∫}_0^h{q}_i\left(z\right)dz$

其中q_i(z)为深度z时单位面积内侧摩阻力。

(5)压入过程中，外侧摩擦环在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁的量测外侧摩阻力的第三压力传感器发生接触，二者之间压力F_o随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度h处外侧摩擦环受到的外侧摩阻力f_oh(o表示外侧，h为某一深度)为：

f_oh＝F_o1+F_o2+F_o3+F_o4+......+F_on

其中F_on为第n个第三压力传感器量测的压力。

设外侧摩擦环内径为D_o，高度为l，则单位面积外侧摩阻力q_o可表示为：

q_o＝f_oh/(πD_ol)

筒型基础下沉至此深度时总的内侧摩阻力Q_o为：

$Q_o={\mathrm{\πD}}_o{\∫}_0^h{q}_o\left(z\right)dz$

其中q_o(z)为深度z时单位面积外侧摩阻力。

本发明原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力试验装置，其主要特点是在装配式筒型基础模型上加装摩擦环、端头及压力传感器，实现直接量测筒型基础摩阻力和端阻力的功能，与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本装置可以直接量测筒型基础的端阻力和摩阻力，相较于以往先使用原位静力触探(CPT)锥形探头量测锥尖和锥侧阻力，再通过经验公式换算的方法，本装置的量测结果具有更高的可靠性和准确性；

(2)本装置采用装配式筒型结构，筒内外侧均设置摩擦环，可以充分体现工程中筒型基础沉放过程中的挤土效应，使测得的端阻力和摩阻力更加趋近实际情况；

(3)本装置将端阻力、内侧摩阻力、外侧摩阻力分别量测，并可对量测数据进行连续实时记录，量测数据可直接使用，可以更好地指导筒型基础沉放设计和施工；

(4)本装置结构新颖，制作简单，采用装配式结构，可以根据不同要求进行灵活改造。

附图说明

图1是本发明的筒型基础端阻力与摩阻力量测装置的结构示意图(俯视图)。

图2是本发明的筒型基础端阻力与摩阻力量测装置的结构示意图(剖视图)。

图3是本发明的筒型基础端阻力与摩阻力量测装置中，端头和基座肋板部位的结构示意图(侧剖图)。

图4是本发明的筒型基础端阻力与摩阻力量测装置中，端头和基座肋板部位的结构示意图(正视图)。

其中量测总沉贯阻力的第一压力传感器1、筒型基础的顶盖2、筒型基础的筒壁3、内侧摩擦环4、外侧摩擦环5、量测内侧摩阻力的第二压力传感器6、量测外侧摩阻力的第三压力传感器7、第一连接螺栓8、量测端阻力的第四压力传感器9、端头10、滑块11、基座肋板12、第二连接螺栓13、滑槽14。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图1—3所示，本发明的一种原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的装置，在装配式筒型基础模型上加装摩擦环、端头及压力传感器，实现直接量测筒型基础摩阻力和端阻力的功能，包括量测总沉贯阻力的第一压力传感器1、筒型基础的顶盖2、筒型基础的筒壁3、内侧摩擦环4、外侧摩擦环5、量测内侧摩阻力的第二压力传感器6、量测外侧摩阻力的第三压力传感器7、第一连接螺栓8、量测端阻力的第四压力传感器9、端头10、滑块11、基座肋板12、第二连接螺栓13、滑槽14。

所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器1设置在筒型基础的顶盖2上，例如安装在筒型基础的顶盖2上设置的安装孔中，并与外部静压设备连接，量测筒型基础在沉贯过程中受到的外部静压设备施加的压力，即该装置由静压设备压入海洋土体过程中，量测总的静压贯入力。

在所述筒型基础的筒壁3的两侧(即筒型基础的内侧和外侧)分别嵌入内侧摩擦环4和外侧摩擦环5，即筒壁3与内侧摩擦环4和外侧摩擦环5之间均设有滑块11，所述滑块11选择半球形或者球形(类似滚珠)，内侧摩擦环4、外侧摩擦环5与滑块11的接触面涂抹润滑油，以减小二者之间的摩擦。所述内侧摩擦环和筒壁、外侧摩擦环和筒壁之间设置有量测内侧摩阻力的第二压力传感器6、量测外侧摩阻力的第三压力传感器7，所述量测内侧摩阻力的第二压力传感器6和量测外侧摩阻力的第三压力传感器7固定在筒壁上。当摩擦环受到土的摩阻力时，会向上移动，与压力传感器接触，量测内侧摩阻力的第二压力传感器6采集的总压力即为内侧摩擦环受到的内侧摩阻力，量测外侧摩阻力的第三压力传感器7采集的总压力即为外侧摩擦环受到的外侧摩阻力。所述内侧摩擦环4、外侧摩擦环5嵌入筒壁3的末端的两侧，两者的上端分别与量测内侧摩阻力的第二压力传感器6、量测外侧摩阻力的第三压力传感器7之间设置有空隙，以供内侧摩擦环4、外侧摩擦环5受到外力向上或者向下移动；两者的下端与基座肋板12之间设置有空隙，以供内侧摩擦环4、外侧摩擦环5受到外力向上或者向下移动。

在筒型基础的筒壁3的末端通过第一连接螺栓8固定连接基座肋板12和筒壁3，所述基座肋板12的末端设置有滑槽14，所述滑槽14中设置有用于连接基座肋板12和端头10的第二连接螺栓13，所述第二连接螺栓13的一端设置在基座肋板12的滑槽14中，另一端与端头10固定相连；所述基座肋板12和端头10之间，在基座肋板12上设置有量测端阻力的第四压力传感器9。所述螺栓13选用凹陷式，以保证筒壁表面的平滑。螺栓13可以在端头10的作用下沿滑槽14上下移动，装置下沉时端头10受到土压力，向上移动，与量测端阻力的第四压力传感器9接触，量测端阻力的第四压力传感器9量测的总压力即为端阻力。

所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器1数量选择1—4个；所述量测内侧摩阻力的第二压力传感器6、量测外侧摩阻力的第三压力传感器7和量测端阻力的第四压力传感器9沿着筒形基础圆周均匀分布，数量选择2—6个。所述内侧摩擦环4、外侧摩擦环5嵌入筒壁3两侧，以使嵌入摩擦环的筒壁与上下筒壁的厚度一致。所述端头10和基座肋板12在径向上与筒壁3厚度一致。

利用本发明的测试装置可实现直接量测筒型基础的四处摩阻力，分别将各个传感器与采集设备相连，并将待量测装置与动力设备相连，按照下述步骤进行测试：

(1)装置在静压动力设备作用下，按照设定速度，匀速压入量测土体中；

(2)压入过程中，量测总沉贯阻力的第一压力传感器1量测和记录总的贯入压力P随深度变化过程，由于下沉过程中保持匀速，故由传感器量测，则某一深度处筒型基础总贯入阻力R为：

R＝P

3)压入过程中，端头10在土体的作用下向上移动，与安装于基座肋板12下侧的量测端阻力的量测端阻力的第四压力传感器9(沿着筒形基础均匀分布，数量为4个)发生接触，二者之间压力N随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度处筒型基础端阻力R_t为：

R_t＝N₁+N₂+N₃+N₄

其中N₁，N₂，N₃，N₄分别为四个量测端阻力的第四压力传感器9量测的压力。

4)压入过程中，内侧摩擦环4在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁3的量测内侧摩阻力的第二压力传感器6(沿着筒形基础均匀分布，数量为4个)发生接触，二者之间压力F_i随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度h处内侧摩擦环受到的内侧摩阻力f_ih(i表示内侧，h为某一深度)为：

f_ih＝F_i1+F_i2+F_i3+F_i4

其中F_i1、F_i2、F_i3、F_i4分别为四个量测内侧摩阻力的第二压力传感器6量测的压力。

设内侧摩擦环内径为D_i，高度为l，则单位面积内侧摩阻力q_i可表示为：

q_i＝f_ih/(πD_il)

筒型基础下沉至此深度时总的内侧摩阻力Q_i为：

$Q_i={\mathrm{\πD}}_i{\∫}_0^h{q}_i\left(z\right)dz$

其中q_i(z)为深度z时单位面积内侧摩阻力。

5)压入过程中，外侧摩擦环5在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁3的量测外侧摩阻力的第三压力传感器7(沿着筒形基础均匀分布，数量为4个)发生接触，二者之间压力F_o随深度变化过程由传感器量测和记录，则某一深度h处外侧摩擦环受到的外侧摩阻力f_oh(o表示外侧，h为某一深度)为：

f_oh＝F_o1+F_o2+F_o3+F_o4

其中Fo₁、Fo₂、Fo₃、Fo₄分别为四个量测外侧摩阻力的第三压力传感器7量测的压力。

设外侧摩擦环内径为D_o，高度为l，则单位面积外侧摩阻力q_o可表示为：

q_o＝f_oh/(πD_ol)

筒型基础下沉至此深度时总的内侧摩阻力Q_o为：

$Q_o={\mathrm{\πD}}_o{\∫}_0^h{q}_o\left(z\right)dz$

其中q_o(z)为深度z时单位面积外侧摩阻力。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，分别将各个传感器与采集设备相连，并将量测装置与动力设备相连，按照下述步骤进行测试：

(1)装置在静压动力设备作用下，按照设定速度，匀速压入量测土体中；

(2)压入过程中，第一压力传感器量测和记录总的贯入压力P随深度变化过程，由于下沉过程中保持匀速，故由第一压力传感器量测，则某一深度处筒型基础总贯入阻力R＝P；

(3)压入过程中，端头在土体的作用下向上移动，与安装于基座肋板下侧的量测端阻力的第四压力传感器发生接触，二者之间压力N随深度变化过程由第四压力传感器量测和记录，则某一深度处筒型基础端阻力R_t为各个第四压力传感器采集的压力数值之和，即R_t＝N₁+N₂+N₃+N₄+......+Ni，其中N_i为第i个第四压力传感器量测的压力；

(4)压入过程中，内侧摩擦环在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁的量测内侧摩阻力的第二压力传感器发生接触，二者之间压力F_i随深度变化过程由第二压力传感器量测和记录，则某一深度h处内侧摩擦环受到的内侧摩阻力f_ih，为：

f_ih＝F_i1+F_i2+F_i3+F_i4+......+F_in

其中F_in为第n个第二压力传感器量测的压力；其中i表示内侧，h为某一深度；

设内侧摩擦环内径为D_i，高度为l，则单位面积内侧摩阻力q_i可表示为：

q_i＝f_ih/(πD_i×l)

筒型基础下沉至此深度时总的内侧摩阻力Q_i为：

$Q_i={\mathrm{\πD}}_i{\∫}_0^h{q}_i\left(z\right)dz$

其中q_i(z)为深度z时单位面积内侧摩阻力；

(5)压入过程中，外侧摩擦环在土体的作用下向上移动，与安装于筒壁的量测外侧摩阻力的第三压力传感器发生接触，二者之间压力F_o随深度变化过程由第三压力传感器量测和记录，则某一深度h处外侧摩擦环受到的外侧摩阻力f_oh，为：

f_oh＝F_o1+F_o2+F_o3+F_o4+......+F_on

其中F_on为第n个第三压力传感器量测的压力；其中o表示外侧，h为某一深度，设外侧摩擦环外径为D_o，高度为l，则单位面积外侧摩阻力q_o可表示为：

q_o＝f_oh/(πD_o×l)

筒型基础下沉至此深度时总的外侧摩阻力Q_o为：

$Q_o={\mathrm{\πD}}_o{\∫}_0^h{q}_o\left(z\right)dz$

其中q_o(z)为深度z时单位面积外侧摩阻力；

所述量测装置包括量测总沉贯阻力的第一压力传感器、筒型基础的顶盖、筒型基础的筒壁、内侧摩擦环、外侧摩擦环、量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器、第一连接螺栓、量测端阻力的第四压力传感器、端头、滑块、基座肋板、第二连接螺栓和滑槽，其中：

所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器设置在筒型基础的顶盖上，并与外部静压设备连接，量测筒型基础在沉贯过程中受到的外部静压设备施加的压力，即该装置由静压设备压入海洋土体过程中，量测总的静压贯入力；

在所述筒型基础的筒壁的两侧分别嵌入内侧摩擦环和外侧摩擦环，所述筒壁与内侧摩擦环和外侧摩擦环之间均设有滑块，所述内侧摩擦环和筒壁、外侧摩擦环和筒壁之间设置有量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器，所述第二压力传感器和第三压力传感器固定在筒壁上，当内侧摩擦环和外侧摩擦环受到土的摩阻力时，会向上移动，与第二压力传感器和第三压力传感器接触，量测内侧摩阻力的第二压力传感器采集的总压力即为内侧摩擦环受到的内侧摩阻力，量测外侧摩阻力的第三压力传感器采集的总压力即为外侧摩擦环受到的外侧摩阻力；

在所述筒型基础的筒壁的末端通过第一连接螺栓固定连接基座肋板和筒壁，所述基座肋板的末端设置有滑槽，所述滑槽中设置有用于连接基座肋板和端头的第二连接螺栓，所述第二连接螺栓的一端设置在基座肋板的滑槽中，另一端与端头固定相连；所述基座肋板和端头之间，在基座肋板上设置有量测端阻力的第四压力传感器；所述第二连接螺栓可以在端头的作用下沿滑槽上下移动，装置下沉时端头受到土压力，向上移动，与第四压力传感器接触，第四压力传感器量测的总压力即为端阻力。

2.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述滑块选择半球形或者球形，所述内侧摩擦环和外侧摩擦环与滑块的接触面涂抹润滑油，以减小二者之间的摩擦。

3.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述第一压力传感器数量选择1—4个，均匀分布在筒型基础的顶盖上。

4.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器沿着筒形基础圆周均匀分布，数量选择2—6个。

5.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述内侧摩擦环、外侧摩擦环嵌入筒壁两侧，以使嵌入摩擦环的筒壁与上下筒壁的厚度一致。

6.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述端头和基座肋板在径向上与筒壁厚度一致。

7.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述内侧摩擦环、外侧摩擦环嵌入筒壁的末端的两侧，所述内侧摩擦环和外侧摩擦环的上端分别与量测内侧摩阻力的第二压力传感器、量测外侧摩阻力的第三压力传感器之间设置有空隙，以供内侧摩擦环、外侧摩擦环受到外力向上或者向下移动；所述内侧摩擦环和外侧摩擦环的下端与基座肋板之间设置有空隙，以供内侧摩擦环、外侧摩擦环受到外力向上或者向下移动。

8.根据权利要求1所述的原位量测筒型基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，其特征在于，所述第二连接螺栓选用凹陷式螺栓。