CN107476353A - 水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，包括：动力加载单元：包括移动工作台、放置在移动工作台下方的恒温模型箱以及用于拉拔锚板的位移控制加载子单元；数据采集单元：包括数据采集器以及与数据采集器连接的一号温度传感器和压力传感器；监控调节单元：包括用于调节土样温度的温度控制子单元以及用于观察锚板从土样中拔出瞬间动态的视频监控设备。与现有技术相比，本发明可对恒温模型箱进行固定和对埋设在含水合物土体中的模型基础进行不同拉拔角度下的拉拔试验，且可模拟水合物热开采过程；温压测量系统可对水合物分解前后含水合物沉积土的温度和孔压分布进行测量；监控调节系统对试验过程进行实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置及方法。
背景技术
天然气水合物(gas hydrate)是一种新型洁净能源，因其储量巨大引起了全球范围的关注与研究。目前，全球已探明的天然气水合物赋存区覆盖了大部分水深300m以上的大陆架，垂直分布深度从海床表面到海床以下几百米。未来广泛分布的海洋平台基础结构极有可能建造在或穿越海床水合物富集区。若基础设计不当必将导致海洋平台基础失稳。因此，未来水合物开采诱发的基础破坏被视为海洋水合物资源利用的潜在重大工程隐患，而正确评估水合物沉积土的基础承载力是解决这一问题的理论关键。目前已发展了一些模拟天然气水合物开采过程及其对海床环境影响的室内缩尺模型试验方法，但是，天然气水合物环境下基础承载性能的模型试验装置和方法还很欠缺。
发明内容
本发明的目的就是解决水合物分解前后模型锚板基础抗拔力测试，用于定量分析水合物分解对水合物赋存环境下基础承载性能的影响，从而为水合物开采工程中的海上钻井平台的桩基设计提供技术指导。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，该模拟试验装置包括：
动力加载单元：包括移动工作台、放置在移动工作台下方的恒温模型箱以及用于拉拔锚板的位移控制加载子单元，所述恒温模型箱的底部放置土样，所述锚板的下部插埋在土样中，锚板的上部与位移控制加载子单元连接，所述土样的孔隙中填充人工水合物；
数据采集单元：包括数据采集器以及与数据采集器连接的一号温度传感器和压力传感器，所述一号温度传感器和压力传感器插设在土样中；
监控调节单元：包括用于调节土样温度的温度控制子单元以及用于观察锚板从土样中拔出瞬间动态的视频监控设备。
所述的工作台包括四根立柱、设置在立柱底部的滚轮、设置在立柱顶部的台面、设置在相邻两根立柱之间的支撑梁以及设置在两根相对支撑梁之间的横梁，所述恒温模型箱固定在所述支撑梁上。
所述的位移控制加载子单元包括固定在台面上的三级变速电机、固定设置在横梁上的定滑轮、通过钢丝绳与三级变速电机连接的拉力传感器、设置在拉力传感器底部的吊钩以及与吊钩连接的延伸杆，所述延伸杆的底部与锚板固定连接，所述钢丝绳绕接在定滑轮上，且从定滑轮到三级变速电机之间的钢丝绳保持竖直。
所述的温度控制子单元包括控制器以及与控制器连接的加热器和二号温度传感器，所述二号温度传感器安装在加热器的外表面。
所述的加热器包括薄片状加热器或棒状加热器中的一种。
一种采用如上所述模型试验装置进行的水合物热开采中锚板基础抗拔性能模型试验方法，包括以下几个步骤：
(1)制备土样，并将土样放置在恒温模型箱底部；
(2)依次将锚板、温度控制子单元、一号温度传感器和压力传感器埋置在土样中，击实土样，并连接组成模型试验装置；
(3)将人工水合物填充至土样的孔隙中，然后温度控制子单元升温至指定温度；
(4)位移控制加载子单元拉拔锚板，通过数据采集器采集一号温度传感器和压力传感器的数据，获得位移-荷载曲线和锚板抗拔承载力。
制备土样包括以下步骤：对土样进行晾晒，然后将晾晒后的土样放置在恒温模型箱底部，至少进行2次铺水，然后击实土样，保持湿润并进行密闭待用。
所述晾晒的时间为8～12天。要进行晾晒的原因是，在利用本装置进行试验时，所制备的含水合物沉积土样需要重复利用，以便土体中的水分和四氢呋喃溶液全部蒸发，所以在进行每一次试验之前，需要进行加热晾晒清除土中残余的人工水合物。10天左右是根据试验经验所得。
所述锚板、温度控制子单元埋置在土样中的方法相同，包括以下步骤：在土体中挖出尺寸稍大于待埋物的土坑，将待埋物按试验要求放入土坑中，然后分多次回填土样，回填过程保证待埋物的埋置深度、位置及角度不变，并在回填过程中进行侧壁及层间拉毛，保证待埋物所在区域土体整体性；
所述一号温度传感器和压力传感器埋置在土样中的方法相同，包括以下步骤：取一套管插入土样中，然后拔出套管，将待埋传感器插入取走套管所形成的孔洞中，然后将套管内部的土回填，击实。
所述待埋物按试验要求放入土坑中后，分4～6次回填土样。
所述人工水合物为由四氢呋喃水溶液在低温条件下形成的四氢呋喃水合物，所述四氢呋喃水溶液分10次加入至恒温模型箱中的击实土样中，且每次加入四氢呋喃水溶液时恒温模型箱保持密封，所述四氢呋喃水溶液加入至恒温模型箱中总耗时8～12h，加入完毕后，静置10～15h，然后控制恒温模型箱降温，使土样的温度降至-7℃，并维持至少2天。
本发明要测定的数据是人工水合物分解前后土体中孔压和温度分布；拉拔试验过程中锚板地基的力-位移曲线。
其具体作用如下：
土体的温度场和孔压场可以反应出水合物的分解状态，并可用于后续数值分析；分解前后锚板地基的力-位移曲线反映出锚板桩的承载力特性。
实际水合物开采工程中所采用的热激法就是通过加热开采井壁面来升高井周围土体温度促使土中水合物分解。而在该模型试验中可以通过加热薄板和加热棒模拟实际开采过程中的开采井升温过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)动力加载装置可对恒温模型箱进行固定和对埋设在含水合物土体中的模型基础进行不同拉拔角度下的拉拔试验，且可模拟水合物热开采过程；
(2)温压测量系统可适应高温和高腐蚀性的测量环境，对水合物分解前后含水合物沉积土的温度和孔压分布进行测量；监控调节系统对试验过程进行实时监控，同时可模拟不同温度下水合物分解过程；本发明可以精确测试水合物分解前后水合物沉积土模型基础的承载能力变化。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的剖面图；
图3为本发明的位移控制加载子单元的结构示意图；
图4为实施例1中测得的分解后拉拔试验力-位移曲线；
图5为实施例1中全试验过程的温度时间曲线。
其中，1为动力加载单元，101为位移控制加载子单元，1011为三级变速电机，1012为钢丝绳，1013为定滑轮，1014为拉力传感器，1015为吊钩，1016为延伸杆，1017为锚板，102为恒温模型箱，103为移动工作台，1031为支撑梁，1032为横梁，1033为台面，1034为立柱，1035为滚轮，104为土样，105为人工水合物，2为数据采集单元，201为一号温度传感器，202为压力传感器，203为数据采集器，3为监控调节单元，301为温度控制子单元，3011为控制器，3012为加热器，3013为二号温度传感器，302为视频监控设备。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种水合物热开采中锚板1017基础抗拔性能的模型试验装置，其结构如图1、图2所示，该模拟试验装置包括：
动力加载单元1：包括移动工作台103、放置在移动工作台103下方的恒温模型箱102以及用于拉拔锚板1017的位移控制加载子单元101，恒温模型箱102的底部放置土样104，锚板1017的下部插埋在土样104中，锚板1017的上部与位移控制加载子单元101连接；
数据采集单元2：包括数据采集器203以及与数据采集器203连接的一号温度传感器201和压力传感器202，一号温度传感器201和压力传感器202插设在土样104中；
监控调节单元3：包括用于调节土样104温度的温度控制子单元301以及用于观察锚板1017从土样104中拔出瞬间动态的视频监控设备302。
工作台包括四根立柱1034、设置在立柱1034底部的滚轮1035、设置在立柱1034顶部的台面1033、设置在相邻两根立柱1034之间的支撑梁1031以及设置在两根相对支撑梁1031之间的横梁1032，恒温模型箱102固定在支撑梁1031上。
位移控制加载子单元的结构如图3所示，包括固定在台面1033上的三级变速电机1011、固定设置在横梁1032上的定滑轮1013、通过钢丝绳1012与三级变速电机1011连接的拉力传感器1014、设置在拉力传感器1014底部的吊钩1015以及与吊钩1015连接的延伸杆1016，延伸杆1016的底部与锚板1017固定连接，钢丝绳1012绕接在定滑轮1013上，且从定滑轮1013到三级变速电机1011之间的钢丝绳1012保持竖直。
温度控制子单元301包括控制器3011以及与控制器3011连接的加热器3012和二号温度传感器3013，二号温度传感器3013安装在加热器3012的外表面。
加热器3012包括薄片状加热器3012或棒状加热器3012中的一种。
采用上述模拟装置进行的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验方法，包括以下步骤：
(1)制备土样：包括土样准备阶段和土样击实过程。首先利用加热设备对土样进行晾晒约10天，将晾晒完成后的土样进行至少2次铺水。然后对完成准备工作的土样在恒温模型箱中进行分层击实并利用拉毛工具平整土样。土样击实完成后在土样表面放置托盘盛水保持土样湿度，并用玻璃盖板、保鲜膜、保温布进行密闭。
(2)埋置模型锚板：模型锚板按试验要求在所需位置开挖土样，开挖尺寸稍大于锚板尺寸，将锚板按深度及角度要求埋置在土样内部，并将开挖土样分5层回填，回填过程保证锚板埋置深度、位置及角度不变，并在回填过程中进行侧壁及层间拉毛，保证锚板所在区域土样整体性。
(3)布置加热元件和温压传感器：加热器及一号温度传感器及压力传感器的布置均在击实完成后进行开挖土样埋置操作，其中加热器上布设有二号温度传感器，加热器的埋置过程和锚板埋置相似。对于一号温度传感器及压力传感器则通过专用工具进行布置。预先用记号笔在套管上画刻度，将套管插入一定深度，取出套管中土样放于瓷盘中，后将传感器放入所得孔洞并将瓷盘中土样回填。温压传感器均与信息采集装置相连。
(4)人工合成水合物：水合物人工合成包括四氢呋喃溶液注入、土样静置及水合物生成等阶段。首先将按质量配比19:100的四氢呋喃溶液和水的混合溶液分十次在大约10h内注入土样(104)，并在每次浇注后对恒温模型箱进行密封，防止四氢呋喃挥发。待溶液浇筑完毕后静置静置约12h，随后开启恒温模型箱温控功能降低土样温度至控制温度-7℃，降温维持2天。
(5)模拟水合物热分解：水合物热分解模拟通过预先埋置的加热器实现，加热器连接温度传感器及控制器，可模拟指定温度热源加热。
(6)测试锚板基础的抗拔性能：选取特定量程拉力传感器，并将锚杆顶端预设铁环与动力加载装置吊钩通过钢丝相连。将恒温模型箱与移动工作台103固定，进行张拉试验，获得应力应变曲线以观测锚板桩承载力。
测试结果如图4、图5和表1所示，图4和图5分别为力-位移和试验过程温度测试结果。其中表1为水合物分解后45°倾斜拉拔试验中锚板地基最大承载力与其相应位移值。与之对应的完整力-位移曲线，如图4所示。从图4中水合物分解后，锚板地基极限承载力发生极大变化，分解后净拉拔承载力降为分解前的2.89‰。图5为锚板基础周围土体埋设的四个温度传感器所测得的试验全过程温度变化曲线。
表1锚板地基最大承载力
| 试验组别 | 峰值净拉拔力 | 锚板位移 |
| 45°倾斜拉拔 | 13.4N | 10.41mm |
Claims (10)
1.一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，其特征在于，该模拟试验装置包括：
动力加载单元：包括移动工作台、放置在移动工作台下方的恒温模型箱以及用于拉拔锚板的位移控制加载子单元，所述恒温模型箱的底部放置土样，所述锚板的下部插埋在土样中，锚板的上部与位移控制加载子单元连接，所述土样的孔隙中填充人工水合物；
数据采集单元：包括数据采集器以及与数据采集器连接的一号温度传感器和压力传感器，所述一号温度传感器和压力传感器插设在土样中；
监控调节单元：包括用于调节土样温度的温度控制子单元以及用于观察锚板从土样中拔出瞬间动态的视频监控设备。
2.根据权利要求1所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，其特征在于，所述的工作台包括四根立柱、设置在立柱底部的滚轮、设置在立柱顶部的台面、设置在相邻两根立柱之间的支撑梁以及设置在两根相对支撑梁之间的横梁，所述恒温模型箱固定在所述支撑梁上。
3.根据权利要求2所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，其特征在于，所述的位移控制加载子单元包括固定在台面上的三级变速电机、固定设置在横梁上的定滑轮、通过钢丝绳与三级变速电机连接的拉力传感器、设置在拉力传感器底部的吊钩以及与吊钩连接的延伸杆，所述延伸杆的底部与锚板固定连接，所述钢丝绳绕接在定滑轮上，且从定滑轮到三级变速电机之间的钢丝绳保持竖直。
4.根据权利要求1所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，其特征在于，所述的温度控制子单元包括控制器以及与控制器连接的加热器和二号温度传感器，所述二号温度传感器安装在加热器的外表面。
5.根据权利要求1所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验装置，其特征在于，所述的加热器包括薄片状加热器或棒状加热器中的一种。
6.一种采用如权利要求1～5任一所述模型试验装置进行的水合物热开采中锚板基础抗拔性能模型试验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)制备土样，并将土样放置在恒温模型箱底部；
(2)依次将锚板、温度控制子单元、一号温度传感器和压力传感器埋置在土样中，击实土样，并连接组成模型试验装置；
(3)将人工水合物填充至土样的孔隙中，然后温度控制子单元升温至指定温度；
(4)位移控制加载子单元拉拔锚板，通过数据采集器采集一号温度传感器和压力传感器的数据，获得位移-荷载曲线和锚板抗拔承载力。
7.根据权利要求6所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验方法，其特征在于，制备土样包括以下步骤：对土样进行晾晒，然后将晾晒后的土样至少进行2次铺水，然后粉碎，保持湿润并进行密闭待用；
所述晾晒的时间为8～12天。
8.根据权利要求6所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验方法，其特征在于，所述锚板、温度控制子单元埋置在土样中的方法相同，包括以下步骤：在土体中挖出尺寸稍大于待埋物的土坑，将待埋物按试验要求放入土坑中，然后分多次回填土样，回填过程保证待埋物的埋置深度、位置及角度不变，并在回填过程中进行侧壁及层间拉毛，保证待埋物所在区域土体整体性；
所述一号温度传感器和压力传感器埋置在土样中的方法相同，包括以下步骤：取一套管插入土样中，然后拔出套管，将待埋传感器插入取走套管所形成的孔洞中，然后将套管内部的土回填，击实。
9.根据权利要求8所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验方法，其特征在于，所述待埋物按试验要求放入土坑中后，分4～6次回填土样。
10.根据权利要求6所述的一种水合物热开采中锚板基础抗拔性能的模型试验方法，其特征在于，所述人工水合物为由四氢呋喃水溶液在低温条件下形成的四氢呋喃水合物，所述四氢呋喃水溶液分10次加入至恒温模型箱中的击实土样中，且每次加入四氢呋喃水溶液时恒温模型箱保持密封，所述四氢呋喃水溶液加入至恒温模型箱中总耗时8～12h，加入完毕后，静置10～15h，然后控制恒温模型箱降温，使土样的温度降至-7℃，并维持至少2天。
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