CN110499792B - 吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，包括一个能够沿吸力桶内壁上下自由移动的圆盘，所述圆盘上表面上安装有荷载箱，荷载箱的顶部与一圆环固定连接，圆环固定安装于吸力桶内腔顶部；圆盘上设置一个与吸力桶顶部的吸力孔相对应且大小规格一致的圆孔，圆管顶部与吸力孔连接，下部穿过圆孔，并向下延伸一段，将吸力孔与吸力桶型基础下部空腔相连。本发明还公开了利用检测装置的检测方式，本发明将海洋土地基作为反力基础，通过荷载箱提供推力，实现吸力式桶形基础极限抗拔承载力精确检测，大大减小了吸力桶形基础极限抗拔承载力检测时所需经济成本、基建工程量、人工成本与时间成本。

Description

吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程检测技术，尤其是一种基于自平衡法全埋入式吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置及方法。

背景技术

吸力式桶形基础因其可重复利用、安装方便、 经济、安全等优点，在海洋工程基础中得到广泛应用。在复杂多变的海洋环境中，吸力式桶形基础的抗拔承载力是衡量其稳定性与安全性的重要指标，对其设计、制造、施工、后期维护都具有重要意义。

目前常应用于吸力式桶形基础抗拔承载力的检测技术方法是在吸力式桶形基础周边搭建钢架支护，将钢缆系于吸力式桶形基础顶部，通过定滑轮与拉力装备间接对吸力式桶形基础施加竖直向上拉力，以此检测其抗拔承载力。对于远海吸力式桶形基础抗拔承载力检测，则需要以大型检测船作为现场检测装备的承载基础进行极拔承载力检测，大大增加了检测工程量与经济成本。上述检测方法虽然思路、流程简单，但是检测装置复杂笨重，操作难度大，经济不易控制。

中国专利申请201520379431.1、201520836378.5、201811439217.7均采用上述思路设计。

中国专利申请201810581002.2采用向吸力式桶形基础内封闭空间施加正向气压并监测桶基位移的方式，检测桶基抗拔承载情况。设计思路上有一定创新，但是高压气体会破坏土体结构，高气压差会导致桶基内外产生渗流作用，破坏桶基本身的抗拔承载力，导致检测结果偏小。另外，当桶基承受外部瞬时荷载而产生上拔趋势时，桶基内会产生负压；负压也是桶基抗拔承载力组成的一部分，该专利方法通过注入高压气体，会抵消负压情况，进一步导致检测结果偏小，影响检测精确性。

因此，针对现有的常规吸力式桶形基础抗拔承载力检测技术所存的问题，一种经济节约、工程量小、技术可行、精确度更高的吸力式桶形基础抗拔承载力检测技术亟待研究，以长期有效应用于吸力式桶形基础稳定性检测与安全性维护工作。

自平衡法桩基检测工法具有占地空间小、安全易保障、检测量程大、检测成本易控制、准确等明显优点，在国内外桩基检测工程中广泛应用。对于吸力式桶形基础，特别是在远海地区，检测操作难度成倍增加。因此，如何将自平衡法应用到吸力式桶形基础进行抗拔承载力检测，是本发明专利的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置及方法，采用该装置及方法能够克服海上恶劣的自然环境，准确测量吸力式桶型基础的抗拔承载力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，包括一个能够沿吸力桶内壁上下自由移动的圆盘，所述圆盘上表面上安装有荷载箱，荷载箱的顶部与一圆环固定连接，圆环固定安装于吸力桶内腔顶部；圆盘上设置一个与吸力桶顶部的吸力孔相对应且大小规格一致的圆孔，圆管顶部与吸力孔连接，下部穿过圆孔，并向下延伸一段，将吸力孔与吸力桶型基础下部空腔相连。

所述荷载箱包括施力装置和与环状盒型承载装置，所述环状盒型承载装置底部固定于圆盘上，施力装置有多个，且均匀对称固定安装于环状盒型承载装置内底部，环状盒型承载装置上各个施力装置安装处的外侧均留有用于贯穿工作管线的通孔，荷载箱外径为吸力桶形基础内径的一半，所述圆环内径为吸力桶形基础内径的一半，圆环与荷载箱的施力装置顶部刚性连接。

所述施力装置为千斤顶。

所述圆盘半径与吸力式桶形基础内径相同，厚度与桶形基础内壁厚度相等。

所述圆盘与吸力桶形基础内壁接触方式为活塞式接触方式，能沿着吸力桶形基础内壁上下自由移动，且气密性良好。

所述圆管与圆盘的圆孔的接触方式为活塞式接触方式，保证圆盘沿圆管上下自由移动，气密性良好。

所述圆管侧壁上开口，荷载箱内施力装置的液压管通过开口，从吸力孔进入保护管道，从而与外界设备连接。

所述圆盘、圆环及圆管均为钢制结构。

一种基于吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1）在吸力式桶形基础内腔顶部焊接圆环；

2）在吸力桶形基础内腔靠近顶部处安置一个圆盘；

3）在吸力桶形基础顶部吸力孔下部焊接圆管；

4）安装加载装置，加载装置为荷载箱，荷载箱底部安置在圆盘上，荷载箱内施力装置顶部与吸力桶形基础内腔顶部圆环刚性接触，形成一个封闭空间的刚性整体，各液压管线路、控制线路、传感器数据传输线路均通过圆管预留孔，从吸力桶形基础吸力孔进入外界保护管道，与外界控制设备相连；对所有设备进行调试，并对所有线路连接处做密封处理；

5）在完成吸力式桶形基础安装完成后，进入后期检测部分，此时吸力式桶形基础内部土体与钢制圆盘底部完全接触；

通过外界控制设备启动荷载箱，按照《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）中要求进行荷载逐级加载，记录荷载箱荷载Q与位移量y，按照规范进行吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算；

6）所有检测完成之后，回收吸力式桶形基础与检测装置，进行下一组吸力式桶形基础极限抗拔承载力检测。

吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算如下：

吸力式桶形基础抗拔承载力F _拔 由基础重力G ，桶壁外侧与土体的摩擦力 F _外 ，桶壁内侧与土体摩擦力F _内 和当桶基承受外部瞬时荷载时产生的负压力F _负 相加组成，即：

（1）

荷载箱各施力装置施力为Q₁，Q₂，Q₃，……，Q_n，n为大于等于1的自然数，相加即为合力Q，即：

（2）

荷载箱施力装置上部将合力Q作用于吸力式桶型基础内腔顶部，荷载箱施力装置下部通过钢制圆盘将反力Q施加在桶内土体，进而传递到整个地基，即：

（3）

式中，γ为受检测桶形基础的抗拔摩阻力转换系数，承压型抗拔吸力式桶形基础应取1.0，对于承拉型抗拔吸力式桶形基础，应根据实际情况通过相近条件的比对试验和地区经验确定，但不得小于1.1；α为折减系数，由于吸力式桶形基础桶内部土体受压，侧向土压力增大导致竖向摩擦力增大，可能在一定程度上导致抗拔承载力偏大，故进行折减。

当吸力式桶形基础开始产生上拔位移时，记录Q值与吸力式桶形基础位移值量y，绘制荷载Q与位移量y关系曲线与和位移量y与加荷时间t的对数曲线，对其极限抗拔承载力进行分析。

本发明基于自平衡法的全埋入式吸力式桶形基础抗拔承载力检测技术，利用体积较小的荷载箱作为施力装置，占用空间小，荷载施加简单准确易控制；以桶基内土体及地基作为反力基础，不需要建设反力架等大型辅助工程；当桶基施工安装现场离陆地基础较远，尤其是远海深水地区情况下，也不需要使用大型检测船作为承载基础，大大减少工程量及经济建设成本；检测技术原理便于理解，检测流程简单易实施，检测过程中对吸力式桶形基础自身抗拔承载力影响更小；检测完成后，即可回收荷载箱及相关量测装备，用于进行下一工程检测。

本发明适用于使用吸力式桶形基础等一切桶形基础作为基础的构筑物，无需另外基建工程及反力系统。该方案将海洋土地基作为反力基础，通过荷载箱提供荷载，实现吸力式桶形基础极限抗拔承载力精确检测，大大减小了吸力式桶形基础极限抗拔承载力检测时所需经济成本、基建工程量、人工成本与时间成本。

附图说明

图1为本发明吸力桶受力分析简图；

图2为本发明吸力桶基础示意图；

图3为本发明钢制圆环结构示意图；

图4为本发明钢制圆盘结构示意图；

图5为本发明钢制圆管结构示意图；

图6为本发明荷载箱与施力装置结构示意图；

图7为本发明检测装置组合示意图；

图8为本发明整体结构示意图；

其中，1、钢制圆盘；2、荷载箱；3、活塞装置；4、钢制圆环；5、施力装置；6、钢制圆管；7、吸力孔；8、钢制圆盘预留圆孔；9、钢制圆管预留孔；10、环状盒型承载装置；11、环状盒型承载装置预留孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图8所示，吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，包括钢制圆盘1，荷载箱2及其附属装置。钢制圆盘1上表面上安装有荷载箱2，荷载箱2的顶部与一钢制圆环4固定连接，钢制圆环4固定安装于吸力桶内腔顶部；钢制圆盘1上设置一个与吸力桶顶部的吸力孔7相对应且大小规格一致的钢制圆盘预留圆孔8，钢制圆管6顶部与吸力孔7连接，下部穿过圆孔8，并向下延伸一段，将吸力孔7与吸力桶型基础下部空腔相连。钢制圆管6与钢制圆盘1的圆孔8的接触方式为活塞式接触方式，保证钢制圆盘1沿钢制圆管6上下自由移动，气密性良好。

荷载箱2包括施力装置5和与环状盒型承载装置10，所述环状盒型承载装置10底部固定于钢制圆盘1上，施力装置5有多个，且均匀对称固定安装于环状盒型承载装置10内底部，环状盒型承载装置10上各个施力装置安装处的外侧均留有用于贯穿工作管线的环状盒型承载装置预留孔11，荷载箱2外径为吸力桶形基础内径的一半，所述钢制圆环内径为吸力桶形基础内径的一半，钢制圆环4的下表面设有连接装置，实现与荷载箱2的施力装置5顶部刚性连接。

钢制圆盘1与吸力桶形基础内腔采用活塞式接触，能沿着吸力桶形基础内腔的内壁上下自由移动，且气密性良好；荷载箱2底部与钢制圆盘1连接，顶部与吸力式桶形基础内腔顶部钢制圆环4接触，将荷载施加于整个吸力桶形基础；荷载箱内施力装置5由液压千斤顶或囊式千斤顶等一切施力装置构成，不做特别要求；钢制圆管6通过钢制圆盘预留圆孔8将吸力桶形基础顶部吸力孔7与其内部空腔相连，便于进行负压沉贯，安装；钢制圆管6侧壁上开口（即钢制圆管预留孔9），荷载箱2的施力装置所需的压力管线、控制线路等也可通过钢制圆管6的开口，从吸力孔7穿过，进入保护管道，与外界设备相连。

本发明主要有两部分：前期准备及后期检测。

在前期准备部分，根据安装的吸力式桶形基础的规格，预制好荷载箱2，钢制圆盘1及钢制圆管6，并且按照如下说明将其固定组合于吸力式桶形基础内腔中。

将预制钢制圆环4焊接到吸力式桶形基础内腔顶部，将钢制圆管6刚性连接到吸力式桶形基础内腔的吸力孔7处。

将施力装置5对称安置于圆环状盒型承载装置10中；将施力装置液压管线、控制线路从环状盒型承载装置预留孔11中穿出；荷载箱2预制组装完成。

将荷载箱2安装于钢制圆盘1上；将液压管线、传感器线路及控制线路从钢制圆管预留管线口9穿过，从吸力式桶形基础吸力孔7穿出，进入保护管线与外界设备相连；对所有设备进行调试，并对所有线路连接处做密封处理。

将刚制圆盘1与荷载箱2从吸力式桶形基础底部压入内腔中，直至施力装置5顶部与吸力式桶形基础内腔顶部受力钢环刚性接触，形成一个刚性整体；钢制圆管6从钢制圆盘预留圆孔8无缝穿过，接触为活塞接触。

做好活塞密封保护工作，前期准备完成。

在完成吸力式桶形基础安装完成后，进入后期检测部分。此时吸力式桶形基础内部土体与钢制圆盘1底部完全接触。

通过外界控制设备启动荷载箱2，按照《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T 403-2017）中要求进行荷载逐级加载，记录荷载箱2荷载Q与桶形基础位移量y，按照规范进行吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算。

吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算如下：

吸力式桶形基础抗拔承载力F _拔 由基础重力G ，桶壁外侧与土体的摩擦力 F _外 ，桶壁内侧与土体摩擦力F _内 和当桶基承受外部瞬时荷载时产生的负压力F _负 相加组成，即：

（1）

荷载箱各施力装置施力为Q₁，Q₂，Q₃，……，Q_n，n为大于等于1的自然数，相加即为合力Q，即：

（2）

荷载箱施力装置上部将合力Q作用于吸力式桶型基础内腔顶部，荷载箱施力装置下部通过钢制圆盘将反力Q施加在桶内土体，进而传递到整个地基，即：

（3）

式中，γ为受检测桶形基础的抗拔摩阻力转换系数，承压型抗拔吸力式桶形基础应取1.0，对于承拉型抗拔吸力式桶形基础，应根据实际情况通过相近条件的比对试验和地区经验确定，但不得小于1.1；α为折减系数，由于吸力式桶形基础桶内部土体受压，侧向土压力增大导致竖向摩擦力增大，可能在一定程度上导致抗拔承载力偏大，故进行折减。

当吸力式桶形基础开始产生上拔位移时，记录Q值与吸力式桶形基础位移值量y，绘制荷载Q与位移量y关系曲线与和位移量y与加荷时间t的对数曲线，对其极限抗拔承载力进行分析。

所有检测完成之后，回收吸力式桶形基础与检测装置，进行下一组吸力式桶形基础极限抗拔承载力检测。

本方案适用于使用吸力式桶形基础等一切桶形基础作为基础的构筑物，无需另外基建工程及反力系统。该方案将海洋土地基作为反力基础，通过荷载箱提供荷载，实现吸力式桶形基础极限抗拔承载力精确检测，大大减小了吸力式桶形基础极限抗拔承载力检测时所需经济成本、基建工程量、人工成本与时间成本。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，包括一个能够沿吸力桶内壁上下自由移动的圆盘，所述圆盘与吸力桶形基础内壁接触方式为活塞式接触方式，能沿着吸力桶形基础内壁上下自由移动，且气密性良好，所述圆盘上表面上安装有荷载箱，荷载箱的顶部与一圆环固定连接，圆环固定安装于吸力桶内腔顶部；圆盘上设置一个与吸力桶顶部的吸力孔相对应且大小规格一致的圆孔，圆管顶部与吸力孔连接，下部穿过圆孔，并向下延伸一段，将吸力孔与吸力桶型基础下部空腔相连，所述圆管与圆盘的圆孔的接触方式为活塞式接触方式，保证圆盘沿圆管上下自由移动，气密性良好。

2.根据权利要求1所述的吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，所述荷载箱包括施力装置和环状盒型承载装置，所述环状盒型承载装置底部固定于圆盘上，施力装置有多个，且均匀对称固定安装于环状盒型承载装置内底部，环状盒型承载装置上各个施力装置安装处的外侧均留有用于贯穿工作管线的通孔，荷载箱外径为吸力桶形基础内径的一半，所述圆环内径为吸力桶形基础内径的一半，圆环表面与荷载箱的施力装置顶部刚性连接。

3.根据权利要求2所述的吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，所述施力装置为千斤顶。

4.根据权利要求1所述的吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，所述圆盘半径与吸力桶形基础内径相同，厚度与桶形基础内壁厚度相等。

5.根据权利要求2所述的吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，所述圆管侧壁上开口，荷载箱内施力装置的液压管通过开口，从吸力孔进入保护管道，从而与外界设备连接。

6.根据权利要求1所述的吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置，其特征是，所述圆盘、圆环及圆管均为钢制结构。

7.一种利用权利要求1所述吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

1）在吸力式桶形基础内腔顶部焊接钢制圆环；

2）在吸力式桶形基础内腔靠近顶部处安置一个钢制圆盘；

3）在吸力式桶形基础顶部吸力孔下部焊接钢制圆管；

4）安装加载装置，加载装置为荷载箱，荷载箱底部安置在钢制圆盘内，荷载箱内施力装置顶部与吸力式桶形基础内腔顶部圆环刚性接触，形成一个封闭空间的刚性整体，各液压管线路、控制线路、传感器数据传输线路均通过钢制圆管预留孔，从吸力式桶形基础吸力孔进入外界保护管道，从而与外界控制设备相连；对所有设备进行调试，并对所有线路连接处做密封处理；

5）在完成吸力式桶形基础安装完成后，进入后期检测部分，此时吸力式桶形基础内部土体与钢制圆盘底部完全接触；

通过外界控制设备启动荷载箱，按照《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）中要求进行荷载逐级加载，记录荷载箱荷载Q与位移量y，按照规范进行吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算；

6）所有检测完成之后，回收吸力式桶形基础与检测装置，进行下一组吸力式桶形基础极限抗拔承载力检测。

8.如权利要求7所述的利用吸力式桶形基础抗拔承载力检测装置的检测方法，其特征是，吸力式桶形基础极限抗拔承载力分析计算如下：

吸力式桶形基础抗拔承载力F _拔 由基础重力G ，桶壁外侧与土体的摩擦力F _外 ，桶壁内侧与土体摩擦力F _内 和当桶基承受外部瞬时荷载时产生的负压力F _负 相加组成，即：

（1）

荷载箱各施力装置施力为Q₁，Q₂，Q₃，……，Q_n，n为大于等于1的自然数，相加即为合力Q，即：

（2）

荷载箱施力装置上部将合力Q作用于吸力式桶型基础内腔顶部，荷载箱施力装置下部通过钢制圆盘将反力Q施加在桶内土体，进而传递到整个地基，即：

（1）

式中，γ为受检测桶形基础的抗拔摩阻力转换系数，承压型抗拔吸力式桶形基础应取1.0，对于承拉型抗拔吸力式桶形基础，应根据实际情况通过相近条件的比对试验和地区经验确定，但不得小于1.1；α为折减系数，由于吸力式桶形基础桶内部土体受压，侧向土压力增大导致竖向摩擦力增大，可能在一定程度上导致抗拔承载力偏大，故进行折减；

当吸力式桶形基础开始产生上拔位移时，记录Q值与位移值量y，绘制荷载Q与位移量y关系曲线与和位移值量y与加荷时间t的对数曲线，对其极限抗拔承载力进行分析。

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