CN111289350A - 深水环境下浅层地基承载力测试装置及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水环境下浅层地基承载力测试装置及实施方法，该测试装置通过自带的调平装置对加载装置进行调平，确保基底载荷板与地基土体在加载接触过程中处于水平状态，保证测试结果的准确性；通过加载装置实施加载，联合位移传感器获得完整的荷载‑位移曲线，进而确定地基承载力。测试过程中由反力架提供千斤顶压载所需的反力，攻克了反力源的难题，实现深水环境下浅层地基承载力的原位精准测试。本发明为深水环境下地基承载力测试提供了一种全新的方法，助力我国深水环境下基础工程的设计更安全合理、造价更为经济，具有十分重要的工程推广价值。

Description

深水环境下浅层地基承载力测试装置及实施方法

技术领域

本发明涉及一种地基土承载力加载测试的装置及方法，具体涉及一种深水环境下浅层地基承载力测试装置及实施方法。

背景技术

浅层地基土承载力的精准测量对浅埋式基础竖向承载力确定至关重要，直接决定着基础设计的安全性能。目前浅层地基土承载力测试主要采用浅层载荷板方法实施，通过加载千斤顶对载荷板施加下压荷载、通过反力梁、上部堆载提供反压荷载，即可完成地基承载力测试。对于陆上的测试项目，上述方法是不存在任何技术难度；但当需要开展水下浅层地基土承载力测试时，传统的浅层载荷板方案中的反力梁和压重堆载在水下实施难度很大且成本非常高，特别是水深较深时，这种方法基本不可能实施。由于目前尚无深水环境下的浅层地基承载力原位测试方法，导致深水环境下的浅基础的设计偏于过度保守，造成大量的浪费。

随着我国海洋战略的推进，海上风电、跨海桥梁以及跨海隧道工程的建设步伐逐渐加快，工程规模越来越大。重力式基础、大型沉箱基础等方案不但设计简单、施工便利，更可节约大量材料成本和时间成本。然而，这些基础的安全及合理应用均离不开浅层地基土承载力的确定。另外，某些情况下，如液化场地、沉管隧道减沉地基等，需对海床进行地基加固，但地基处理后的承载力提升效果无法准确评价。如能直接测得深水环境下浅层地基土承载力，对深水环境下各种类型的浅置式基础的进一步推广和安全应用具有重要意义，可使得设计更安全合理、造价更为经济。

发明内容

发明目的：为了克服现有浅层载荷板测试技术无法在深水环境下应用的技术瓶颈，本发明提供一种深水环境下浅层地基承载力测试装置，该测试装置能直接获得江、河、湖、海等深水环境下地基加固前后的承载力。

本发明的另一目的是提供一种上述测试装置的实施方法。

技术方案：本发明所述的一种深水环境下浅层地基承载力测试装置，包括反力架、调平装置、加载装置和传感监测系统；所述反力架包括反力塔、对称连接在反力塔下端外周的多个载重梁、以及设置在各载重梁上的配重块；所述反力塔具有反力顶板，反力塔的下端面与所述反力顶板之间形成有下端开放的容纳空间，所述调平装置和所述加载装置均设置在所述容纳空间内；调平装置包括安装在反力顶板下的多个球支座、设置在球支座下的多个调平千斤顶、设置在调平千斤顶下的调平底板；所述加载装置包括加载千斤顶和基底载荷板，所述加载千斤顶倒置安装在所述调平底板下，所述基底载荷板连接在加载千斤顶的下端；所述传感监测系统包括用于监测调平底板倾角的倾角仪、以及用于监测基底载荷板位移的位移传感器。

其中，所述反力塔的下端面呈正方形的框架结构，四个所述载重梁分别铰接在所述框架的四条侧边上，载重梁能够以铰接点为轴在水平的展开位置和抵靠反力塔侧面的收拢位置之间转动。

所述反力架还包括多条预应力缆索，所述多条预应力缆索的上端均连接反力塔，下端分别连接在各所述载重梁上；当载重梁处于展开位置时，预应力缆索呈斜向的拉紧状态。

进一步的该测试装置还包括下端分别与各载重梁对应连接的多条吊装缆索；所述反力塔设置有分别与各载重梁对应的多个限位环，所述吊装缆索分别穿设在各相对应的限位环内，从而在吊装时能够将载重梁拉至收拢位置。

所述载重梁为钢制桁架结构，载重梁的活动端上表面设置具有镂空孔的垫板，所述配重块可拆卸的设置于所述垫板上。

所述反力塔为钢制桁架结构，包括外立柱、内立柱和五层内支撑；所述五层内支撑自下而上分别为第一内支撑、第二内支撑、第三内支撑、第四内支撑以及第五内支撑；所述第一内支撑位于反力塔的下部，所述第二内支撑与所述调平底板平齐，所述第三内支撑位于所述反力顶板上方，所述第四内支撑位于所述第三内支撑和所述第五内支撑的中间，所述第五内支撑位于反力塔的上部。

所述内立柱连接在所述第三内支撑和所述第五内支撑之间，且与所述第四内支撑交叉连接。

所述外立柱的顶端设置有限位圆盘，当所述载重梁转动至收拢位置时，所述限位圆盘抵靠载重梁以对其进行限位。

所述调平底板的中心轴线、所述加载千斤顶的中心轴线、所述基底载荷板的中心轴线相互重叠，所述多个球支座围绕所述中心轴线旋转对称布置。

对应于上述深水环境下浅层地基承载力测试装置，本发明提供的实施方法所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)根据预估地基承载力极限值，确定加载千斤顶的加载能力，要求加载能力至少为预估地基承载力极限值的两倍；

(2)根据加载千斤顶的加载能力，预制配重块，要求配重块的水下总重量至少为加载千斤顶加载能力的1.2倍；

(3)制作反力塔和载重梁，并组装成反力架；

(4)将加载装置、调平装置、传感监测系统、吊装缆索按要求安装在反力架中并彼此连接牢固；

(5)根据倾角仪监测结果启动调平千斤顶进行调平底板的初始调平；

(6)通过吊装缆索将载重梁收起至收拢位置，随后将整个测试装置吊放至深水环境的指定测试位置；下放吊装缆索确保载重梁顺利展开；

(7)依次将配重块吊装并下放在载重梁的垫板上；

(8)根据倾角仪监测结果，调整调平底板为水平状态；

(9)启动加载千斤顶并加载至油泵压力不再掉压时为止，使得基底载荷板与地基表面紧密；然后按设计的加载要求进行逐级加载并通过位移传感器读取相应的位移值，直至满足加载终止要求；

(10)测试完成后，先首回收配重块，然后将整个测试装置从水下回收。

有益效果：该测试装置通过自带的调平装置对加载装置进行调平，确保基底载荷板与地基土体在加载接触过程中处于水平状态，保证测试结果的准确性；通过加载装置实施加载，联合位移传感器获得完整的荷载-位移曲线，进而确定地基承载力。测试过程中由反力架提供千斤顶压载所需的反力，攻克了反力源的难题，实现深水环境下浅层地基承载力的原位精准测试。此外，该测试装置不但可以用于原状地基土承载力测试，亦可用于地基处理后相应的承载力测试工作，便于评判地基加固处理效果；并且不但可以用于浅层地基承载力测试，亦可用作其他水下结构的承载力测试，例如海床面下的减沉桩、微型桩等承载力不大的桩基础的承载力测试。其采用预制方式实施，制造简单，吊装与周转便利，便于同一水域不同地点的测试作业。承载力测试时，技术员在船舶上施加荷载并获得试验数据，无安全隐患和风险，便于推广使用。

附图说明

图1是本发明的测试装置立体结构示意图；

图2是本发明的测试装置侧视状态下局部的平面结构示意图；

图3是本发明的测试装置的调平底板和加载装置部分的结构示意图，其中， 3a为侧视状态下的透视结构，3b为俯视状态下的透视结构；

图4是本发明的测试装置的实施例中反力顶板和调平装置部分的结构示意图，其中，4a为侧视状态下的透视结构，4b为沿4a中A-A线俯视状态下的透视结构，4c为沿4a中B-B线仰视状态下的透视结构；

图5是本发明的测试装置中反力塔的结构示意图，其中，5a为侧视状态下的透视结构，5b为沿5a中A-A线俯视状态下的透视结构，5c为自反力塔顶端俯视状态下的透视结构；

图6是本发明的测试装置中载重梁的结构示意图；

图7是本发明的测试装置吊装状态的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本实施例公开一种深水环境下浅层地基承载力测试装置，包括反力架、调平装置、加载装置、传感监测系统和缆索组件。

具体的，加载装置由基底载荷板100和加载千斤顶101组成；调平装置由调平底板102、调平千斤顶103、球支座104以及反力顶板105组成；传感监测系统包括位移传感器1和倾角仪2；反力架包括反力塔10、载重梁20以及预应力缆索30；缆索组件包括吊装缆索33、柱扣环31、限位环34以及梁扣环32。

请一并参阅图3所示，基底载荷板100采用圆形钢板，按规范要求直径取为 80cm，钢板材料强度为Q345等级及以上，钢板厚度宜大于2cm。

加载千斤顶101采用环缸型千斤顶，该千斤顶的顶盖直径不得大于基底载荷板100直径，油管接口及位移传感器1均设置在环缸内部密闭腔体内。设计时，加载千斤顶101应具有较大的位移行程能力；同时，荷载输出能力至少为预估的地基承载力两倍。而位移传感器1应具有较大的位移行程监测能力，其位移测量能力不得小于加载千斤顶101最大位移行程，传感器的两端分别与基底载荷板100和加载千斤顶101底座连接。

调平底板102为边长80cm且正中间开圆孔的方形钢板，圆孔直径应等于或略大于加载千斤顶101油管直径与位移传感器1线缆直径之和，钢板材料强度为 Q345等级及以上，钢板厚度宜大于2cm。同时，加载千斤顶101中心轴线与基底载荷板100中心轴线重叠并牢固连接，形成加载装置；加载千斤顶101中心轴线与调平底板102中心轴线重叠并牢固连接；加载千斤顶101腔内的加载千斤顶 101油管与位移传感器1线缆穿过调平底板102中间孔洞，并用密封胶对孔洞空隙进行密封处理。

再参阅图4所示，调平千斤顶103数量为四个，宜采用直径较大、高度较低的扁平型千斤顶，分别设置在调平底板102四等分的中心位置处。也即关于调平底板102的中心轴线旋转对称布置。倾角仪2具有双向倾角监测功能，设置在调平底板102上表面，且位于相邻两个所述调平千斤顶103中间。相应的，球支座 104数量也为四个，具有任意方向转动功能，分别与四个调平千斤顶103底座轴线对齐连接。

反力顶板105为边长100cm的方形钢板且在四角切割掉反力塔10外立柱11 的四分之一圆面积所得形状，钢板材料强度为Q345等级及以上，钢板厚度宜大于2cm。

进一步的，反力顶板105正中间位置开孔，孔径大小需确保加载千斤顶101 油管、位移传感器1线缆、倾角仪2线缆以及调平千斤顶103油管均同时穿过。

调平底板102、调平千斤顶103、球支座104和反力顶板105按顺序依次从下往上逐层对齐牢固连接，进而形成调平装置。反力顶板105表面与反力塔10 中其他部位接触的部分均全部焊接牢固。

如图5所示，桁架反力塔10由外立柱11、内立柱12和内支撑等焊接而成，相应的平面投影尺寸为1.0m×1.0m。

具体的，外立柱11为直径不超过20cm的圆形钢管，高度为2m左右，数量为四根，钢管材料强度为Q345等级及以上，分别与内支撑连接。

为保证结构强度及受力均匀性，内支撑共有五层，第一内支撑13和第二内支撑14均由四根小型钢管依次与外立柱11侧壁连接而成，第三内支撑15、第四内支撑16、第五内支撑17分别由纵横各四根小型钢管均布排列并与相邻外立柱11焊接而成。

进一步的，第一层内支撑13距离外立柱11端部以上10cm左右位置，第二层内支撑14与调平底板102在同一水平位置，第三层内支撑15位于反力顶板 105上方，第五层内支撑17距离外立柱11顶部以下10cm左右位置，第四层内支撑16位于第三层内支撑15和第五层内支撑17的中间位置。

内立柱12数量为四根圆形钢管，其直径不超过内支撑钢管直径，第三内支撑15、第四内支撑16、第五内支撑17钢管交叉点连接，用于分散反力顶板105 传递的反力。

再次参阅图5中5a所示，限位圆盘18由厚度1cm、直径为外立柱11钢管直径2倍的Q235钢板制作而成，正中间焊接一段长约20～30cm、直径略小于外立柱11直径的钢管；圆盘最外围安装一层橡胶垫。

一并结合图5中5c所示，限位铰支座19一端焊接在外立柱11外侧，与内支撑13位置齐平，一端与载重梁20连接，用于实现反力塔10与载重梁20的铰接，限位铰支座19只允许载重梁20在0～90°之间转动。

如图6所示，载重梁20均采用钢管焊接而成的桁架结构，其中载重梁20 的梁身段长、宽尺寸为3m×1m为的矩形桁架结构，端部为1.3m×1.5m的矩形桁架构造，端部表面平铺一层垫板21。

进一步的，垫板21平面尺寸为1.3m×1.5m、厚度为1cm、强度为Q235等级的波纹钢板制作而成，中间开一系列镂空孔洞便于水流通过，表面用于堆放预制的配重块22。

而配重块22为预制的混凝土块，其平面尺寸为(1.0m～1.3m)×(1.3m～1.5m)，内部填充碎石混凝土或矿渣，高度根据预估加载重量控制；顶部预埋一对吊环以方便吊装。

结合图1、图2、图7所示，柱扣环31和梁扣环32均为钢制圆环，数量均为8个，分别成对焊接在第四内支撑16位置处的外立柱11外侧壁及载重梁20 的梁身中间位置，并通过预应力缆索30连接。

预应力缆索30采用强度较高的柔性钢绞线制作而成，长度应为载重梁20 水平展开时，正好使预应力缆索30处于紧拉状态。

限位环34为钢制圆环，数量为4个，分别焊接在第五内支撑17的外围钢管侧壁。

吊装缆索33采用强度较高的柔性钢绞线制作而成，一端与所述载重梁20 梁身中间位置附近钢管连接，穿过所述限位环34并与吊机相连。

本实施例还提供一种上述深水环境下浅层地基承载力测试装置的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据预估地基承载力极限值，确定加载千斤顶的加载能力，要求加载能力至少为预估地基承载力极限值的两倍；

(2)根据加载千斤顶的加载能力，预制配重块，要求配重块的水下总重量至少为加载千斤顶加载能力的1.2倍；

(3)按要求制作反力塔和载重梁，并组装成反力架；

(4)将加载装置、调平装置、传感监测系统、吊装缆索按要求安装在反力架中并彼此连接牢固；所有油管及线缆从反力架装置中间穿出，并与吊装缆索捆绑绑扎在一起，需要注意：所有管线均提前预留足够长度防止拉断；其次所有调平千斤顶均提前顶推相同的少量位移量，一般控制在2cm～3cm左右；

(5)将反力架装置放置在水平地表面或船舶上，根据倾角仪监测结果启动调平千斤顶进行调平底板的初始调平，调平过程中所有调平千斤顶的油泵均需打开以便于调平底板转动，完成初始调平后关闭油阀；

(6)通过吊机吊装缆索将载重梁收起至抵靠限位圆盘的收拢位置(如图7)，随后将整个测试装置吊放至指定位置下放至海床面上；吊机上缆索持续下放至一个较大的长度，确保载重梁能顺利展开；

(7)依次将配重块吊装并下放在载重梁的垫板上；

(8)再次观测倾角仪监测结果，当结果显示存在一定倾角时打开所有调平千斤顶油阀，并开启油泵让需要调平的千斤顶工作直到倾角仪结果显示调平底板为水平放置状态，然后关闭调平千斤顶油阀；

(9)启动加载千斤顶并缓慢加载，直至油泵压力不再掉压时为止，表明基底载荷板已与地基表面紧密，然后按设计的加载要求进行逐级加载并通过位移传感器读取相应的位移值，直至满足加载终止要求；

(10)测试完成后，先首吊装回收配重块，然后进一步通过吊装缆索将整个测试装置从水下回收。

Claims (10)

1.一种深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，包括反力架、调平装置、加载装置和传感监测系统；所述反力架包括反力塔(10)、对称连接在反力塔(10)下端外周的多个载重梁(20)、以及设置在各载重梁(20)上的配重块(22)；所述反力塔(10)具有反力顶板(105)，反力塔(10)的下端面与所述反力顶板(105)之间形成有下端开放的容纳空间，所述调平装置和所述加载装置均设置在所述容纳空间内；调平装置包括安装在反力顶板(105)下的多个球支座(104)、设置在球支座(104)下的多个调平千斤顶(103)、设置在调平千斤顶(103)下的调平底板(102)；所述加载装置包括加载千斤顶(101)和基底载荷板(100)，所述加载千斤顶(101)倒置安装在所述调平底板(102)下，所述基底载荷板(100)连接在加载千斤顶(101)的下端；所述传感监测系统包括用于监测调平底板(102)倾角的倾角仪(2)、以及用于监测基底载荷板(100)位移的位移传感器(1)。

2.根据权利要求1所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述反力塔(10)的下端面呈正方形的框架结构，四个所述载重梁(20)分别铰接在所述框架的四条侧边上，载重梁(20)能够以铰接点为轴在水平的展开位置和抵靠反力塔(10)侧面的收拢位置之间转动。

3.根据权利要求2所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述反力架还包括多条预应力缆索(30)，所述多条预应力缆索(30)的上端均连接反力塔(10)，下端分别连接在各所述载重梁(20)上；当载重梁(20)处于展开位置时，预应力缆索(30)呈斜向的拉紧状态。

4.根据权利要求3所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，还包括下端分别与各载重梁(20)对应连接的多条吊装缆索(33)；所述反力塔(10)设置有分别与各载重梁(20)对应的多个限位环(34)，所述吊装缆索(33)分别穿设在各相对应的限位环(34)内，从而在吊装时能够将载重梁(20)拉至收拢位置。

5.根据权利要求2所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述载重梁(20)为钢制桁架结构，载重梁(20)的活动端上表面设置具有镂空孔的垫板(21)，所述配重块(22)可拆卸的设置于所述垫板(21)上。

6.根据权利要求2所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述反力塔(10)为钢制桁架结构，包括外立柱(11)、内立柱(12)和五层内支撑；所述五层内支撑自下而上分别为第一内支撑(13)、第二内支撑(14)、第三内支撑(15)、第四内支撑(16)以及第五内支撑(17)；所述第一内支撑(13)位于反力塔(10)的下部，所述第二内支撑(14)与所述调平底板(102)平齐，所述第三内支撑(15)位于所述反力顶板(105)上方，所述第四内支撑(16)位于所述第三内支撑(15)和所述第五内支撑(17)的中间，所述第五内支撑(17)位于反力塔(10)的上部。

7.根据权利要求6所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述内立柱(12)连接在所述第三内支撑(15)和所述第五内支撑(17)之间，且与所述第四内支撑(16)交叉连接。

8.根据权利要求6所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述外立柱(11)的顶端设置有限位圆盘(18)，当所述载重梁(20)转动至收拢位置时，所述限位圆盘(18)抵靠载重梁(20)以对其进行限位。

9.根据权利要求1所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置，其特征在于，所述调平底板(102)的中心轴线、所述加载千斤顶(101)的中心轴线、所述基底载荷板(100)的中心轴线相互重叠，所述多个球支座(104)围绕所述中心轴线旋转对称布置。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的深水环境下浅层地基承载力测试装置的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据预估地基承载力极限值，确定加载千斤顶的加载能力，要求加载能力至少为预估地基承载力极限值的两倍；

(2)根据加载千斤顶的加载能力，预制配重块，要求配重块的水下总重量至少为加载千斤顶加载能力的1.2倍；

(3)制作反力塔和载重梁，并组装成反力架；

(4)将加载装置、调平装置、传感监测系统、吊装缆索按要求安装在反力架中并彼此连接牢固；

(5)根据倾角仪监测结果启动调平千斤顶进行调平底板的初始调平；

(6)通过吊装缆索将载重梁收起至收拢位置，随后将整个测试装置吊放至深水环境的指定测试位置；下放吊装缆索确保载重梁顺利展开；

(7)依次将配重块吊装并下放在载重梁的垫板上；

(8)根据倾角仪监测结果，调整调平底板为水平状态；

(9)启动加载千斤顶并加载至油泵压力不再掉压时为止，使得基底载荷板与地基表面紧密；然后按设计的加载要求进行逐级加载并通过位移传感器读取相应的位移值，直至满足加载终止要求；

(10)测试完成后，先首回收配重块，然后将整个测试装置从水下回收。

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