CN109374418A - 等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置及方法，该装置包括支撑架、传动装置、气压加载系统、试验箱、竖向位移施加部分、切向锚链单元、法向锚链单元等。本发明通过使用等刚度的弹簧模拟弹性边界，在能克服边界条件的影响下，大大缩小试验箱的尺寸，能有效节约材料和降低实验操作难度；同时它将法向和切向抗力测试集为一体，可以同时测量锚链与土的切向、法向相互作用，能够为工程锚链入土段的计算提供重要设计参数，对于锚点在海底泥面以下的锚泊系统设计有重要参考意义。

Description

等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，该放置可测量不同地层应力弹性边界下锚链与土体在切向、法向上发生相对位移时的抗力。

背景技术

在海洋工程领域，通常会采用锚固基础和锚链对海上浮式构筑物(如海上钻井平台、勘探平台等)进行固定，目前应用最广泛的是吸力锚，这种锚固基础通常有一定埋置深度以改善锚的受力状态从而发挥更大的承载力，与锚链的连接点通常位于锚固基础埋深的2/3处，因此锚链需要一定的入土深度。

已有研究认为，上部荷载传递到锚固基础上的荷载大小主要与锚链与土的切向剪切相关，而锚泊线的形态主要与法向抗力大小相关。上部结构通过锚链传到锚眼位置处的作用力的大小决定着基础的受力和破坏模式，进而影响着整个锚泊系统的安全性。目前国内外没有相关的实验装置可以对锚链与土的法向和切向剪切抗力同时进行测量的装置，尤其是在法向抗力方面的测定，它往往需要考虑弹性边界的尺寸效应，因而需要将试验箱的尺寸做得足够大。本实验装置能弥补该技术领域的空白，为工程锚链入土段的计算提供重要设计参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，能够测量弹性边界下锚链与土体切向、法向抗力，弥补在锚链与土单元实验的标定的空白。该装置的特点是：通过气囊对实验中的土进行加压以模拟土体的原始应力状态；通过传动装置中伺服电机施加往返荷载，对实验过程中的锚链张力进行测量，从而测算出锚链与土的切向抗力；通过竖向位移施加单元中的步进电机施加竖向荷载，对试验过程中锚链与土体法向作用抗力进行测量；通过侧壁及底板上的弹簧，可模拟弹性边界，通过使用弹簧等效弹性边界可以大大减少模型箱的尺寸。

本发明采取以下技术方案：

一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，包括支撑架、试验箱、传动装置、气压加载系统、竖向位移施加单元、切向锚链单元、法向锚链单元；所述的试验箱固定于支撑架上，由底板、前后壁、左右固定板及可拆卸顶板固接构成，在试验箱内顶板下方依次设置有气囊、滑动顶板、土样、滑动底板，试验箱内前侧壁后方依次设置有滑动前壁、土样、滑动后壁，滑动底板与底板间、滑动前壁与前壁间、滑动后壁与后壁之间均通过弹簧连接；在左右固定板上各开孔安装有直线轴承套筒，内置直线轴承导杆与埋于土样中的切向锚链单元两端通过挂钩相连，传动装置与直线轴承导杆连接；竖向位移施加单元贯穿顶板、气囊及滑动顶板直接与法向锚链单元连接，用于向法向锚链单元整体施加竖向位移；气压加载系统用于调控气囊内的压力。

上述技术方案中，进一步的，所述的传动装置包括四只定滑轮、伺服电机、钢绞线、两只力传感器，四只定滑轮固定于支撑架上，并两两分设于试验箱的左右两侧，钢绞线依次绕过四只定滑轮一端连接一只力传感器后与一直线轴承导杆连接，钢绞线另一端连接另一只力传感器后与另一直线轴承导杆连接，伺服电机与钢绞线连接用于施加位移。

进一步的，所述的气压加载系统包括气管、气压计以及气压调控系统，气囊通过气管与气压调控系统相连，气管上设置有气压计。

进一步的，所述的竖向位移施加单元包括固定于支撑架上的反力梁、与反力梁固定的步进电机、及导杆；步进电机连接导杆，导杆与法向锚链单元相连，导杆上设有竖向力传感器。

进一步的，所述的切向锚链单元具有五个单链环。

进一步的，所述的法向锚链单元各单链环间焊接。

切向抗力

1)首先用钢绞线代替切向锚链对传动装置及加载装置摩擦进行标定,记为T₁：通过伺服电机施加预张荷载1kN,保证试验箱内的钢绞线被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，记左右力传感器示数为f₁与f₂，则T₁＝|f₁-f₂|＝f_{钢绞线与土}+f_{系统固有摩擦}，由于钢绞线直径较小，可忽略其与土体摩擦。

2)进行锚链与土的切向抗力的测试：

将钢绞线替换为切向锚链单元，其余与步骤1)相同，将滑轮及钢缆连接到位，通过伺服电机施加预张荷载1kN,保证试验箱内的切向锚链被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，设两个力传感器示数为F₁、F₂，由此可以测出土体与锚链的的切向抗力F_τ＝|F₁-F₂|-T₁＝|F₁-F₂|-|f₁-f₂|。

法向抗力

1)将法向锚链单元与导杆及步进电机连接，步进电机使其做匀速运动，读取力传感器示数，记为T₂，即为锚链及部分导杆重力。

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

通过空压机对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过步进电机以一定速率施加法向位移，读取力传感器示数，记为F₃,考虑锚链及导杆重力计算出锚链与土体法向抗力F_n＝T₂+F₃。

本发明提出了一种用于测定锚链与土切向、法向抗力的实验装置，通过使用等刚度的弹簧模拟弹性边界，在能克服边界条件的影响下，大大缩小试验箱的尺寸，有效降低实验操作难度；同时它将法向和切向抗力测试集为一体，能够模拟不同地应力弹性边界情况下锚链与土的切向、法向相互作用，功能更加完善，可以为工程锚链与土相互作用的模型提供试验参数，对锚泊系统(提别是涉及到土中段)的设计有重要参考意义。

附图说明

图1是本发明装置的一种具体结构主视图；

图2是本发明图1结构的侧视图；

图3是本发明图1结构的俯视图；

图4是试验箱的一种具体结构主视剖面图；

图5是图4试验箱的侧视剖面图。

其中，支撑架柱1、上台面2、下台面3、传动装置4、试验箱5、竖向位移施加部分6、切向锚链单元7、法向锚链单元8、伺服电机9、钢绞线10、滑轮11、支杆12、滑轮支架13、导杆14、力传感器15、直线轴承导杆16、挂钩17、底板18、底板固定螺栓19、弹簧20、滑动底板21、前后壁22、滑动前后壁23、侧壁孔24、滑动顶板25、滑动顶板孔26、气囊27、顶板28、顶板孔29、固定插销30、气管31、高精度气压计32、气压调控系统33、直线轴承套筒34、步进电机35、反力梁36。

具体实施方式

参照图1-5，本发明的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，包括支撑架、试验箱、传动装置、气压加载系统、竖向位移施加单元、切向锚链单元、法向锚链单元；所述的试验箱固定于支撑架上，由底板、前后壁、左右固定板及可拆卸顶板固接构成，在试验箱内顶板下方依次设置有气囊、滑动顶板、土样、滑动底板，试验箱内前侧壁后方依次设置有滑动前壁、土样、滑动后壁，滑动底板与底板间、滑动前壁与前壁间、滑动后壁与后壁之间均通过弹簧连接；在左右固定板上各开孔安装有直线轴承套筒，内置直线轴承导杆与埋于土样中的切向锚链单元两端通过挂钩相连，传动装置与直线轴承导杆连接；竖向位移施加单元贯穿顶板、气囊及滑动顶板直接与法向锚链单元连接，用于向法向锚链单元整体施加竖向位移；气压加载系统用于调控气囊内的压力。

在图示实施例中，支撑架包括支撑架柱1、上台面2、下台面3，传动装置4包括伺服电机9、钢绞线10、四只定滑轮11、支杆12、滑轮支架13、两只力传感器15，竖向位移施加部分包括导杆14、力传感器15、步进电机35、反力梁36；由步进电机36通过导杆14对法向锚链单元8施加位移，测定法向抗力。本发明的试验箱5外壁由底板18及前后壁、左右固定板组成，通过底板固定螺栓19固定于上台面2中部，其顶部设置顶板28，顶板28下依次设置气囊27、滑动顶板25、实验土样、滑动底板21、弹簧20、底板18；试验箱5左右侧面开有侧壁孔24，左右固定板上设置有直线轴承套筒34，直线轴承导杆16一侧与钢绞线10等传动装置相连，另一侧连接挂钩17进而和切向锚链单元7相连；传动装置4将伺服电机9施加的位移传递给锚链，并通过力传感器15进行抗力的监测。试验箱5由前到后依次是前壁、弹簧20、滑动前壁23、试验土样、滑动后壁23、弹簧20、后壁22。气囊27通过气管31与高精度气压计32及气压调控系统33连接，可对试验土样施加一定荷载，模拟土体实际地应力情况，从而测定土体在弹性边界下受不同地应力时与锚链的相互作用。切向锚链单元7一般应有有五个单链环，链环过少将导致测量不准确，链环过多，将对试验仪器有更高要求。法向锚链单元8的单链环焊接为整体，长可为左右侧壁22间距，可考虑为平面应变问题。

实验流程：

切向抗力

1)首先用钢绞线代替切向锚链对传动装置及加载装置摩擦进行标定,记为T₁：通过伺服电机施加预张荷载1kN,保证试验箱内的钢绞线被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，记左右力传感器示数为f₁与f₂，则T₁＝|f₁-f₂|＝f_{钢绞线与土}+f_{系统固有摩擦}，由于钢绞线直径较小，可忽略其与土体摩擦。

2)进行锚链与土的切向抗力的测试：

将钢绞线替换为切向锚链单元，其余与步骤1)相同，将滑轮及钢缆连接到位，通过伺服电机施加预张荷载1kN,保证试验箱内的切向锚链被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，设两个力传感器示数为F₁、F₂，由此可以测出土体与锚链的的切向抗力F_τ＝|F₁-F₂|-T₁＝|F₁-F₂|-|f₁-f₂|。

法向抗力

1)将法向锚链单元与导杆及步进电机连接，步进电机使其做匀速运动，读取力传感器示数，记为T₂，即为锚链及部分导杆重力。

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上。

通过空压机对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结。

通过步进电机以一定速率施加法向位移，读取力传感器示数，记为F₃,考虑锚链及导杆重力计算出锚链与土体法向抗力F_n＝T₂+F₃。

Claims (8)

1.一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，包括支撑架、试验箱、传动装置、气压加载系统、竖向位移施加单元、切向锚链单元、法向锚链单元；所述的试验箱固定于支撑架上，由底板、前后壁、左右固定板及可拆卸顶板固接构成，在试验箱内顶板下方依次设置有气囊、滑动顶板、土样、滑动底板，试验箱内前侧壁后方依次设置有滑动前壁、土样、滑动后壁，滑动底板与底板间、滑动前壁与前壁间、滑动后壁与后壁之间均通过弹簧连接；在左右固定板上各开孔安装有直线轴承套筒，内置直线轴承导杆与埋于土样中的切向锚链单元两端通过挂钩相连，传动装置与直线轴承导杆连接；竖向位移施加单元贯穿顶板、气囊及滑动顶板直接与法向锚链单元连接，用于向法向锚链单元整体施加竖向位移；气压加载系统用于调控气囊内的压力。

2.根据权利要求1所述的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，所述的传动装置包括四只定滑轮、伺服电机、钢绞线、两只力传感器，四只定滑轮固定于支撑架上，并两两分设于试验箱的左右两侧，钢绞线依次绕过四只定滑轮一端连接一只力传感器后与一直线轴承导杆连接，钢绞线另一端连接另一只力传感器后与另一直线轴承导杆连接，伺服电机与钢绞线连接用于施加位移。

3.根据权利要求1所述的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，所述的气压加载系统包括气管、气压计以及气压调控系统，气囊通过气管与气压调控系统相连，气管上设置有气压计。

4.根据权利要求1所述的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，所述的竖向位移施加单元包括固定于支撑架上的反力梁、与反力梁固定的步进电机、及导杆；步进电机连接导杆，导杆与法向锚链单元相连，导杆上设有竖向力传感器。

5.根据权利要求1所述的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，所述的切向锚链单元具有五个单链环。

6.根据权利要求1所述的等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，其特征在于，所述的法向锚链单元各单链环间焊接。

7.采用如权利要求1所述的装置测试等效弹性边界下锚链与土切向的方法，其特征在于，

1)首先用钢绞线代替切向锚链对传动装置及加载装置摩擦进行标定,记为T₁：通过伺服电机施加预张荷载,保证试验箱内的钢绞线被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上；

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结；

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，记左右力传感器示数为f₁与f₂，则T₁＝|f₁-f₂|＝f_{钢绞线与土}+f_{系统固有摩擦}，由于钢绞线直径较小，可忽略其与土体摩擦；

2)进行锚链与土的切向抗力的测试：

将钢绞线替换为切向锚链单元，其余与步骤1)相同，将滑轮及钢缆连接到位，通过伺服电机施加预张荷载,保证试验箱内的切向锚链被拉紧拉直；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定在左右侧壁上；

对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结；

通过伺服电机施加制定位移，通过左右力传感器进行力的测量，设两个力传感器示数为F₁、F₂，由此可以测出土体与锚链的的切向抗力F_τ＝|F₁-F₂|-T₁＝|F₁-F₂|-|f₁-f₂|。

8.采用如权利要求1所述的装置测试等效弹性边界下锚链与土法向的方法，其特征在于，

将法向锚链单元与导杆及步进电机连接，步进电机使其做匀速运动，读取力传感器示数，记为T₂，即为锚链及部分导杆重力；

按照试验要求进行土样的安装，控制至指定的密实度；其次安装可滑动顶板、气囊、顶板，并将顶板通过固定插销固定；

通过空压机对气囊施加压力，控制气囊内压力达到指定值进行固结；

通过步进电机以一定速率施加法向位移，读取力传感器示数，记为F₃,考虑锚链及导杆重力计算出锚链与土体法向抗力F_n＝T₂+F₃。