CN110173007A - 三层套管吸力桶试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三层套管吸力桶试验装置，该装置可用于测定吸力桶安装过程中桶外摩阻、内摩阻、端阻以及评估内部土塞和渗流场变化。本发明装置包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统。本装置所采用的吸力桶为三层套管结构吸力桶，各层套管之间具有一定间隙，从而将吸力桶所受的内摩擦阻力、外摩擦阻力以及端阻力分离开来。在吸力桶安装过程中，负压抽吸系统可使吸力桶内部形成负压，竖直导向杆可保证吸力桶竖直贯入土体。本发明的试验装置可用于分析吸力桶在安装过程中所受的各种阻力、桶内土塞发展过程以及桶体周围孔压、土压力的演化机制。

Description

三层套管吸力桶试验装置
技术领域
本发明涉及一种三层套管吸力桶试验装置，属于海洋吸力式桶型基础安装试验装置领域。本发明装置可用于分析吸力桶在负压安装过程中所受各种阻力(土体对吸力桶外壁的摩阻力、土塞对吸力桶内壁的摩阻力和桶端土对吸力桶的端阻力)的大小，并实时获得负压安装过程中桶体周围孔压、土压力等参数，以及获取土塞发展过程及力学特性演化。
背景技术
在海洋工程中，相比于传统桩基础，吸力式桶型基础具有安装运输方便、无噪音污染、抗倾覆承载力、用钢量少以及可回收重复利用等优点，近年来受到工业界的青睐，但吸力桶的安装过程控制是目前困扰工程界的主要难题。
吸力桶的沉贯负压需介于最低需求负压和最大容许负压之间，分别对应着吸力桶沉贯阻力和内部土塞反向承载失效破坏。当吸力桶在粘土中贯入时，由于粘土渗透性差，在内外压差作用下土体中不会产生明显渗流；当吸力桶在渗透性较强的粉质、砂质海床贯入时，桶体周围渗流会显著降低桶内土体的有效应力，从而大大减小沉贯阻力，但是，当渗流强度过大时则可能导致内部土体产生渗蚀、液化、管涌等失稳破坏，最终导致安装失败。吸力桶贯入阻力由桶外阻、内阻、端阻共同组成，渗流场的存在将三者产生显著影响。
近海海域是海洋能源开发的主战场，在我国东南沿海离岸10km范围内广泛分布着粉土地基，粉土是一种性质介于粘土和砂土之间的特殊土。在粉土海床中进行吸力桶基础安装时，在桶内外压差作用下，细颗粒易流失，这将带来海床土体渗透性、强度、刚度等性质的改变，影响吸力桶基础的沉贯阻力以及安装完成后的服役性能。因此，吸力桶基础的安装控制过程在粉土海床中具有更加重要的工程意义。对吸力桶基础的安装过程控制建立在深刻理解贯入过程中桶外阻、内阻、端阻的发挥机制以及桶体周围土体性质的变化规律，但目前关于粉土海床中吸力桶贯入的相关研究十分有限。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷，提出了一种三层套管吸力桶试验装置，该装置的特点是：将吸力桶受到的竖向各部分摩阻力分割开来，快速准确地得到吸力桶贯入阻力中各部分阻力大小及分担比。并且，根据布置的多种传感器连续监测获得安装和承载过程中孔压、土压力等参数，以及通过传感器获得吸力沉贯过程中土塞发展和桶体周围土体力学特性的演化过程。
本发明采取以下技术方案：
一种三层套管吸力桶试验装置，包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；
所述的桶体顶部封闭，底部敞开，桶体包括由内而外依次同轴设置的内摩阻力套管、端阻力钢架和外摩阻力套管；所述的端阻力钢架包括端阻力钢架顶板、端阻力板连接杆和工字型端阻力环钢板；所述的端阻力板连接杆沿环向均匀布置，用于连接端阻力钢架顶板和工字型端阻力环钢板；所述的内摩阻力套管的端部、外摩阻力套管的端部与工字型端阻力环钢板之间均填充有橡胶塞；所述的桶体上方还设置有两个竖向导向杆，用于使整个吸力桶保持竖直悬挂，并保证吸力桶在安装时更稳定；
所述的负压抽吸系统包括负压泵、压力表和吸水管，用于将吸力桶贯入海床土体中；负压泵可通过抽水使桶内形成负压，相当于一个等效竖向力作用在吸力桶上，从而将吸力桶贯入土体中；
所述的传感器测量系统用于收集吸力桶贯入过程数据，包括套管之间传递的轴力、不同深度及吸力桶端部的内外孔压、土体作用于吸力桶桶身的土压力、套管顶盖与土体表面的距离和土体的刚度，并将数据传输至数据采集及控制系统中，所述的数据采集及控制系统用于处理分析数据。
上述技术方案中，优选的，所述的内摩阻力套管和外摩阻力套管均采用薄壁钢管制作，薄壁钢管的壁厚与套管的直径比为1：100～150。
优选的，所述的端阻力板连接杆的直径端阻力板连接杆的直径为2-5mm，小于内、外摩阻力套管的间隙，且其刚度大于内、外摩阻力套管的刚度，可以保证在底部的工字型端阻力环钢板受力时，端阻力板连接杆不会发生大的形变。
因此，内摩阻力套管在安装过程中所受的浮力远小于其他作用力，可忽略不计。设内摩阻力套管与端阻力钢架之间的压电式轴力传感器的数值之和为F1，内摩阻力套管自重为G1，整个吸力桶是匀速缓慢贯入土体，因此此时所受的内摩阻力为Qrk＝F1+G1。
由于端阻力钢架也采用较细端阻力板连接杆，因此端阻力钢架所受的浮力可忽略不计。且由于橡胶塞刚度小，在端阻力钢架与内摩阻力套管和外摩阻力套管发生一定的变形差时，各部分阻力之间的影响较小，可忽略不计。设端阻力钢架与外阻力套管之间的压电式轴力传感器的数值之和为F2，端阻力钢架的自重为G2，竖向缓慢贯入受力平衡，因此此时吸力桶所受的端阻力为Qpk＝F2+G2-F1。
同样，外摩阻力套管所受的浮力也可忽略不计。施加在吸力桶内部的负压等效的竖向作用力F可以计算得到，外摩阻力套管的自重为G3，吸力桶竖向受力平衡，因此此时吸力桶所受的外摩阻力为Qsk＝F+G3-F2。
由于端阻力板连接杆直径小、刚度大，可以保证各层套管间存在一定的间隙且端阻力板连接杆不发生屈曲，保证贯入阻力可以严格分割开。所述的端阻力钢架分别与内摩阻力套管和外摩阻力套管用橡胶塞进行连接，且连接处无间隙。同时由于橡胶塞的刚度远小于吸力桶套管的刚度，因此对于竖向轴力的影响可以忽略不计。
优选的，所述的吸水管与设于吸力桶顶盖边缘的水泵孔连接，用于抽水。
优选的，所述的传感器测量系统包括压电式轴力传感器、孔压传感器、薄膜土压力计、激光测距仪、弯曲元；压电式轴力传感器布置于各层套管之间，用于测量在套管之间传递的轴力；所述的孔压传感器设置于工字型端阻力环钢板的两侧、内摩阻力套管的内侧以及外摩阻力套管的外侧，分别用于测量端部的内外孔压和不同深度的孔压；薄膜土压力计设置于内摩阻力套管的内侧以及外摩阻力套管的外侧，用于测量吸力桶沉贯过程中土体作用于吸力桶桶身的土压力，可以进一步分析土压力与侧摩阻力之间关系；激光测距仪设置于内摩阻力套管顶盖内侧，通过发射激光至土表面实时测量吸力桶沉贯过程中桶体顶部与土体表面的距离，从而获得吸力桶内部土体表面的变形和土塞的隆起情况，进而得到土塞发展情况；弯曲元设置于内摩阻力套管的内侧下部，用于测量土体的刚度变化。
更优选的，所述的压电式轴力传感器的设置方式具体为：在内摩阻力套管的顶部和端阻力钢架的顶部之间、端阻力钢架的顶部和外摩阻力套管的顶部之间分别设置成轴对称的四个压电式轴力传感器，从而保证套管之间传递的力均被传感器采集到，同时套管不会发生倾斜或旋转。
更优选的，所述的孔压传感器的设置方式具体为：所述的设置于工字型端阻力环钢板两侧的孔压传感器的外侧设置有带孔钢板，用于测量在安装过程中吸力桶端部的内外孔压变化，带孔钢板可保证孔压能够被准确测量，同时还可保护孔压传感器在贯入时不被土破坏。设于内摩阻力套管的内侧以及外摩阻力套管的外侧的孔压传感器共有16个且成轴对称分布，用于测量试验过程中不同深度孔压的变化。
更优选的，所述的薄膜土压力计的设置方式具体为：设置于内摩阻力套管内侧和外摩阻力套管外侧的薄膜土压力计共16个且成轴对称分布。
更优选的，所述的传感器测量系统中的每个传感器的数据通过数据传输线传输，所述的数据传输线穿过设于吸力桶顶盖边缘的数据通道口连接至数据采集及控制系统，所述的数据通道口在数据传输线通过之后采用橡胶塞进行密封，保证套管的密合性。
在本发明装置中，内摩阻力套管竖向仅受自身重力、内摩阻力及传感器作用力，端阻力钢架竖向受自身重力、端阻力以及传感器作用力，外摩阻力套管竖向受自身重力、外摩阻力和传感器作用力。因此，采用本装置测得的各部分的阻力更精确。
本发明装置具有以下优点：
1.本发明将吸力桶在安装过程中所受的内摩阻力、外摩阻力和端阻力分开，可以分别求出各部分阻力的大小以及分担比，对分析吸力桶安装过程中的受力规律具有重要意义。
2.本装置可以重复使用，在不同的土体类型情况下进行研究，可用于评估吸力桶在安装过程中内部土塞的发展及其工程特性演化。渗流和桶体贯入引起的土塞在工程中对于吸力桶能否顺利安装的影响很大，因此对研究土塞的发展演化有重要的参考意义。
3.本装置采用多种传感器采集试验过程中试验数据，更加准确地得到试验过程中几乎全部参量，可掌握吸力桶吸力贯入海床过程中，桶体周围土体性质的演化，对实际工程中吸力桶的安装控制具有重要指导意义。
附图说明
图1是本发明的一种具体吸力桶竖向剖面结构示意图；
图2是本发明的一种具体吸力桶主视结构示意图；
图3是本发明的一种具体吸力桶仰视结构示意图；
图4是图1的结构中A—A横向剖面示意图；
图5是图1吸力桶端部放大细部示意图；
其中，1.工字型端阻力环钢板、2.带孔钢板、3.孔压传感器、4.薄膜土压力计、5.激光测距仪、6.端阻力钢架顶板、7.水泵孔、8.负压泵、9.压力表、10.吸水管、11.竖向导向杆、12.数据传输线、13.数据采集及控制系统、14.压电式轴力传感器、15.数据通道口、16.外摩阻力套管、17.内摩阻力套管、18.端阻力板连接杆、19.端阻力钢架、20.弯曲元、21.橡胶塞。
具体实施方式
一种可用于测定吸力桶阻力及评估内部土塞的三层套管吸力桶试验装置，包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统13；
所述的桶体顶部封闭，底部敞开，桶体包括由内而外依次同轴设置的内摩阻力套管17、端阻力钢架19和外摩阻力套管16；所述的端阻力钢架19包括端阻力钢架顶板6、端阻力板连接杆18和工字型端阻力环钢板1；所述的端阻力板连接杆18沿环向均匀布置，用于连接端阻力钢架顶板6和工字型端阻力环钢板1；所述的内摩阻力套管17的端部、外摩阻力套管16的端部与工字型端阻力环钢板1之间均填充有橡胶塞21；桶体上方还设置有两个竖向导向杆11，用于使整个吸力桶保持竖直悬挂，并保证吸力桶在安装时更稳定；
所述的负压抽吸系统包括负压泵8、压力表9和吸水管10，用于将吸力桶贯入海床土体中；负压泵可通过抽水使桶内形成负压，相当于一个等效竖向力作用在吸力桶上，从而将吸力桶贯入土体中；
所述的传感器测量系统用于收集吸力桶贯入过程数据，包括套管之间传递的轴力、不同深度及吸力桶端部的内外孔压、土体作用于吸力桶桶身的土压力、套管顶盖与土体表面的距离和土体的刚度，并将数据传输至数据采集及控制系统13中，所述的数据采集及控制系统13用于处理分析数据。
由于端阻力板连接杆18较细且刚度较大，使得各层套管间具有一定的间隙且端阻力板连接杆不会发生屈曲，因此将吸力桶内摩擦力，外摩擦力和端阻力分离开。内摩阻力套管竖向仅受自身重力、内摩阻力及传感器作用力，端阻力钢架竖向受自身重力、端阻力以及传感器作用力，外摩阻力套管竖向受自身重力、外摩阻力和传感器作用力。
具体的，如图1-5所示，一种具体实施示例如下：
端阻力钢架19分别与内摩阻力套管17和外摩阻力套管16的端部采用橡胶塞21进行填充连接，防止吸力桶安装过程中土体进入套管之间影响试验准确性。同时由于橡胶塞21的刚度远小于吸力桶套管的刚度，因此对于竖向轴力的影响可以忽略不计。
内摩阻力套管17和外摩阻力套管16均采用薄壁钢管制作，薄壁钢管的壁厚与套管的直径比为1：100～150。端阻力板连接杆18的直径为2-5mm，小于内、外摩阻力套管的间隙，且其刚度大于内、外摩阻力套管的刚度，可以保证在底部的工字型端阻力环钢板受力时，连接杆不会发生大的形变。
吸水管10与设于吸力桶顶盖边缘的水泵孔7连接，用于抽吸桶内的水。
传感器测量系统包括压电式轴力传感器14、孔压传感器3、薄膜土压力计4、激光测距仪5、弯曲元20；压电式轴力传感器14布置于各层套管之间，用于测量在套管之间传递的轴力；薄膜土压力计4在内摩阻力套管17的内侧以及外摩阻力套管16的外侧轴对称分布16个，用于测量土体作用于吸力桶桶身的土压力，可得到贯入过程中桶体土压力演化过程；激光测距仪5布置于内摩阻力套管17顶盖内侧，通过发射激光至土表面实时测量与土体表面的距离，从而获得吸力桶内部土体表面的变形和土塞情况；弯曲元20设置于内摩阻力套管的内侧下部，用于测量土体的刚度变化。
在内摩阻力套管17和端阻力钢架19之间、端阻力钢架19和外摩阻力套管16之间分别设置成轴对称的四个压电式轴力传感器14，从而保证套管之间传递的力均被传感器采集到，同时套管不会发生倾斜或旋转。
孔压传感器3黏贴在工字型端阻力环钢板1的内外两侧，用于测量在安装过程中吸力桶端部的内外孔压变化。在端部的孔压传感器3用带孔钢板2保护，同时透水性保证孔压能够被顺利测量。并且在内摩阻力套管17的内侧以及外摩阻力套管16的外侧轴对称分布16个孔压传感器3，测量试验过程中不同深度孔压变化。
传感器测量系统的每个传感器的数据传输线12穿过吸力桶顶盖边缘的数据通道口15连接至数据采集及控制系统13，数据通道口15在数据传输线12通过之后采用橡胶塞进行密封，保证套管的密合性。
下面以在典型粉土海床中贯入本吸力桶为例，简述采用本发明上述实施例装置的一种具体试验过程：
1.将各种传感器提前通过黏贴或支架安装在指定位置，并将传感器的数据传输线12穿过数据通道口15连接至数据采集及控制系统13。
2.将吸力桶三层套管按安装顺序依次同轴套入，并且在各层套管之间连接好压电式轴力传感器14，保证各层套管不会发生倾斜和旋转。
3.通过两根竖向导向杆11维持整个吸力桶保持竖直悬挂在已经准备好的粉土海床上方，将负压抽吸系统与吸力桶顶盖相连。
4.打开数据采集系统及控制系统13，将吸力桶下放到制备好的土体上，吸力桶在自重下贯入海床土体一定深度，并在桶内形成密封环境。
5.打开负压泵8，抽水使桶内形成负压，将吸力桶竖直贯入土体中，实时监测桶内负压值以及记录各传感器的采集数据，直到桶体贯入到指定深度。
6.试验完成后，通过水泵孔7向桶内注水，对三层套管吸力桶试验装置进行回收。

Claims (9)

1.一种三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统(13)；
所述的桶体的顶部封闭，底部敞开，桶体包括由内而外依次同轴设置的内摩阻力套管(17)、端阻力钢架(19)和外摩阻力套管(16)；所述的端阻力钢架(19)包括端阻力钢架顶板(6)、端阻力板连接杆(18)和工字型端阻力环钢板(1)；所述的端阻力板连接杆(18)沿环向均匀布置，用于连接端阻力钢架顶板(6)和工字型端阻力环钢板(1)；所述的工字型端阻力环钢板(1)与所述的内摩阻力套管(17)的端部和外摩阻力套管(16)的端部之间均填充有橡胶塞(21)；所述的桶体上方还设置有两个竖向导向杆(11)，用于使整个吸力桶保持竖直悬挂；
所述的负压抽吸系统包括负压泵(8)、压力表(9)和吸水管(10)，用于使桶内形成负压，从而将吸力桶贯入海床土体中；
所述的传感器测量系统用于检测吸力桶贯入过程中的数据，包括套管之间传递的轴力、不同深度及吸力桶端部的内外孔压、土体作用于吸力桶桶身的土压力、套管顶盖与土体表面的距离和土体的刚度，并将数据传输至数据采集及控制系统(13)中，所述的数据采集及控制系统(13)用于处理分析数据。
2.根据权利要求1所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的内摩阻力套管(17)和外摩阻力套管(16)均采用薄壁钢管制作，薄壁钢管的壁厚与套管的直径比为1：100～150。
3.根据权利要求1所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的端阻力板连接杆(18)的直径小于内、外摩阻力套管的间隙，且其刚度大于内、外摩阻力套管的刚度。
4.根据权利要求1所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的吸水管(10)与设于吸力桶顶盖边缘的水泵孔(7)连接，用于抽吸桶内的水。
5.根据权利要求1所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的传感器测量系统包括压电式轴力传感器(14)、孔压传感器(3)、薄膜土压力计(4)、激光测距仪(5)、弯曲元(20)；所述的压电式轴力传感器(14)设置于各层套管之间，用于测量各层套管之间传递的竖向力；所述的孔压传感器(3)设置于工字型端阻力环钢板(1)的两侧、内摩阻力套管(17)的内侧以及外摩阻力套管(16)的外侧，分别用于测量端部的内外孔压和不同深度的孔压；所述的薄膜土压力计(4)设置于内摩阻力套管(17)的内侧以及外摩阻力套管(16)的外侧，用于测量土体作用于吸力桶桶身的土压力；所述的激光测距仪(5)设置于内摩阻力套管(17)顶盖内侧，用于测量与土体表面的距离；所述的弯曲元(20)设置于内摩阻力套管内侧下部，用于测量土体的刚度。
6.根据权利要求5所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于，所述的压电式轴力传感器(14)的设置方式具体为：在内摩阻力套管(17)的顶部和端阻力钢架(19)的顶部之间、端阻力钢架(19)的顶部和外摩阻力套管(16)的顶部之间分别设置成轴对称的四个压电式轴力传感器(14)。
7.根据权利要求5所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的孔压传感器的设置方式具体为：设置于工字型端阻力环钢板(1)两侧的孔压传感器(3)的外侧设置有带孔钢板(2)，设置于内摩阻力套管(17)内侧和外摩阻力套管(16)外侧的孔压传感器(3)共有16个且成轴对称分布。
8.根据权利要求5所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的薄膜土压力计(4)的设置方式具体为：设置于内摩阻力套管(17)内侧和外摩阻力套管(16)外侧的薄膜土压力计共16个且成轴对称分布。
9.根据权利要求5所述的三层套管吸力桶试验装置，其特征在于：所述的传感器测量系统的每个传感器的数据通过数据传输线(12)传输，所述的数据传输线(12)穿过设于吸力桶顶盖边缘的数据通道口(15)连接至数据采集及控制系统(13)，所述的数据通道口(15)在数据传输线(12)通过之后采用橡胶塞进行密封。
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