CN111424625B - 自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴、其试验装置与方法 - Google Patents

自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴、其试验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋自升式平台、潮间带风机安装平台基础技术领域，提供了一种自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴、其试验装置与方法，吸力式桩靴包括桩腿、碟式圆盘上部盖板、碟式圆盘下部盖板、贯入锥头、密封装置、万向转环、喷头、吸力筒壁、动力装置；所述的吸力筒壁与碟式圆盘上部盖板和碟式圆盘下部盖板构成吸力式桩靴；吸力式桩靴安装过程试验装置包括土工鼓式离心机、模型槽、透明土、吸力式桩靴、CCD相机、激光器、加载架和加载装置。本发明所述的吸力式桩靴可有效提高桩靴的横向和竖向承载力，减少滑桩；本发明还可以可视化观测和分析吸力式桩靴的安装过程和周围土体的变形。

Description

自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴、其试验装置 与方法
技术领域
本发明属于海洋自升式平台、潮间带风机安装平台基础技术领域，尤其涉及一种自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴与安装过程及其试验装置与方法。
背景技术
海洋自升式平台是海上石油资源开发过程中常用的生产设备，具有安装工期短、投产快、可自行起升降落的优点，使其成为海上石油生产系统中不可或缺的一部分。自升式平台通过桩腿插入海床获取其工作需要的承载力。为减小对海底土层的压强，一般在桩腿底部安装一个相对面积较大的碟式桩靴；桩靴是保证自升式平台稳定的重要结构，其承载力主要依赖于桩靴底部的垂向正压力。海上的风、浪、流常使自升式平台承受较大的横向荷载，而普通的桩靴横向承载力较弱；尤其当桩靴入泥深度较浅时，容易在风、浪、流作用下发生滑桩。同时，桩靴底部的土体长时间固结后，在拔桩时会产生较大的吸力，使桩靴难以从泥沙中拔出。此外，复杂荷载作用下桩靴-海床土体相互作用机理尚不明确。因此，发明一种可同时承受较大横向和竖向荷载的桩靴且插桩、拔桩便利的新型桩靴，以及研究桩靴-海洋土相互作用机理的试验装置与方法显得十分必要。
发明内容
为了解决普通桩靴横向承载能力较弱，容易发生滑桩的问题，本发明提出了一种自升式平台及潮间带风机安装平台新型吸力式桩靴，通过碟式圆盘上安装的可竖向自由活动的筒壁与碟式圆盘共同形成吸力式桩靴，综合吸力式筒形基础和传统桩靴的优点，有效增大了自升式平台及潮间带风机安装平台基础的横向和竖向承载能力，抑制滑桩现象的发生。可自由活动的筒壁在打桩过程中，位于碟式圆盘的顶部，有利于圆盘的贯入；打桩完成后，利用动力装置将筒壁继续贯入土中，直至其贯入至碟式圆盘的底部，形成封闭的吸力式桩靴。碟式圆盘的底部安装有可万向旋转的喷水环；在打桩时，喷水环喷出高压水流，冲开碟式圆盘底部的泥土有助于桩靴的贯入；在拔桩时，喷水环喷水以减小桩靴底部的吸力有助于拔桩。
本发明的技术方案：
自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴，包括桩腿1、碟式圆盘上部盖板2、碟式圆盘下部盖板3、贯入锥头4、密封装置5、万向转环6、喷头7、吸力筒壁8和动力装置9；碟式圆盘上部盖板2、碟式圆盘下部盖板3和贯入锥头4共同组成碟式圆盘；吸力筒壁8设置在碟式圆盘和桩腿1外部，可在动力装置作用下竖向自由活动，在打桩和拔桩时位于碟式圆盘的上部，承担荷载时位于碟式圆盘的下部；
所述的碟式圆盘上部盖板2，主要由圆环状钢板和小弧度壳体组成。
所述的碟式圆盘下部盖板3，主要由圆环状钢板和大弧度壳体组成。
所述的桩腿1，固定连接在碟式圆盘上部盖板2上。
所述的贯入锥头4，固定连接在碟式圆盘下部盖板3上。
所述的密封装置5，设置在碟式圆盘上部盖板2和碟式圆盘下部盖板3的连接处，与吸力筒壁8和碟式圆盘密切联系起到密封作用。
所述的万向转环6，设置在碟式圆盘下部盖板3上。
所述的喷头7，设置在万向转环6上，可随万向转环6自由转动；喷头7在打桩时喷出高压水流，冲开碟式圆盘底部的泥土利于桩靴的贯入，在拔桩时喷水减小桩靴底部的吸力利于拔桩。
所述的吸力筒壁8，设置在碟式圆盘和桩腿1外部，可上下自由活动，与动力装置9连接；吸力筒壁8在打桩前位于碟式圆盘的上部，打桩完成后位于碟式圆盘的下部。
所述的动力装置9，安装在桩腿1上，为吸力筒壁8上下自由活动提供动力，可在桩腿1上上下活动。
本发明还提供了一种基于透明土材料和土工鼓式离心机的可视化观测吸力式桩靴安装过程的试验装置和试验方法；非嵌入式的可视化观测吸力式桩靴安装过程中碟式圆盘和吸力筒壁的运动过程以及桩靴周围土体在整个安装过程中的内部位移场，揭示新型吸力式桩靴-海洋土的相互作用机理。
一种基于透明土材料和土工鼓式离心机的吸力式桩靴试验装置，包括土工鼓式离心机、模型槽13、透明土10、吸力式桩靴、CCD相机、激光器、加载架12和加载装置11；所述的模型槽13为透明有机玻璃；所述的透明土，由熔融石英砂颗粒或无定形二氧化硅粉末、15#白油和正十二烷的混合矿物油混合而成，用于模拟天然砂土或黏土；所述的加载架12为固定在模型槽13底部平面上的反力架；所述的加载装置11安装在加载架12上，通过调整加载架12的横梁动态调整加载装置11的位置；加载装置11为吸力式桩靴的贯入提供动力；所述的吸力式桩靴与加载装置11连接，随加载装置11的移动而移动；所述的激光器设置在模型槽13的侧面，CCD相机设置在模型槽13的正视面，CCD相机通过数据线与处理装置连接；CCD相机用于记录和分析试验过程中吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场，为揭示吸力式桩靴-海洋土的相互作用机理提供技术支撑。
一种用基于透明土材料和土工鼓式离心机的吸力式桩靴试验装置的试验方法，步骤如下：
(1)配置透明土10：将15#白油和正十二烷按质量比1:4混合形成折射率为1.4585或1.447的混合矿物油，将熔融石英砂颗粒或无定形二氧化硅粉末均匀撒入混合矿物油中制配成透明土10；将配置好的透明土10放置于真空环境中，去除透明土中的气泡；
(2)布置模型槽13：通过软管将透明土10注入模型槽13中；将激光器和CCD相机安装在模型槽13内，根据需要观测的位置，在正视面和侧视面调节激光器和CCD相机的安装位置，并记录激光器和CCD相机的坐标；通过数据线将CCD相机与数据采集处理装置连接；
(3)布置吸力式桩靴：将加载架12固定在模型槽13底部的平面上，并将加载装置11安装在加载架12上；将吸力式桩靴与加载装置11连接；通过移动加载架12横梁动态调整加载装置11和吸力式桩靴，使之位于模型槽13的正上方；
(4)透明土固结：启动土工鼓式离心机，让透明土10在设置的加速度下进行固结；固结完成后通过调整加速度获取不同的超固结比；
(5)进行试验：启动激光器和CCD相机；启动加载装置11，让吸力式桩靴贯入到透明土10中，吸力筒壁8贯入到透明土10表面以下后停止加载装置11；启动吸力桩靴上的动力装置9，让吸力筒壁8继续贯入到透明土10中；通过CCD相机实时记录和分析吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场；
(6)结束试验；关闭土工鼓式离心机，移除模型槽13内的透明土10和吸力式桩靴完成试验测试。
本发明的有益效果：本发明通过在碟式圆盘的外部增设一个吸力筒壁形成吸力式桩靴，既提高桩靴的横向承载力又提高竖向承载力，可有效避免滑桩现象的发生；吸力式筒壁可竖向自由活动，在打桩时位于碟式圆盘上方便于桩靴贯入，在打桩完成后位于碟式圆盘下方形成吸力式桩靴以提高桩靴承载力；在碟式圆盘的下方设置万向旋转喷头可进一步方便桩靴的贯入和拔出。本发明还联合运用透明土试验技术和土工鼓式离心机试验技术，提供一种非嵌入式可视化观测吸力式桩靴安装过程运动轨迹和周围土体变形的试验装置及试验方法。
附图说明
图1是本发明一种吸力式桩靴示意图；
图2是图1的仰视图；
图3是本发明一种吸力式桩靴安装完成后示意图；
图4是本发明一种吸力式桩靴安装过程土工鼓式离心机试验装置示意图。
图中：1桩腿；2碟式圆盘上部盖板；3碟式圆盘下部盖板；4贯入锥头；5密封装置；6万向转环；7喷头；8吸力筒壁；9动力装置；10透明土；11加载装置；12加载架；13模型槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～4所示，吸力式桩靴主要包括桩腿1、碟式圆盘上部盖板2、碟式圆盘下部盖板3、贯入锥头4、密封装置5、万向转环6、喷头7、吸力筒壁8和动力装置9。所述的碟式圆盘上部盖板2、碟式圆盘下部盖板3和贯入锥头4共同组成类似于传统桩靴的碟式圆盘，所述的贯入锥头4固定连接在碟式圆盘下部盖板3中间位置。所述的碟式圆盘上部盖板2由圆环状钢板和弧度较小的壳体组成；所述的碟式圆盘下部盖板3由圆环状钢板和弧度较大的壳体组成。所述的桩腿1固定连接在碟式圆盘上部盖板2上。所述的密封装置5设置在碟式圆盘上部盖板2和碟式圆盘下部盖板3的连接处，且与吸力筒壁8密切联系，起到密封作用。所述的吸力筒壁8套在碟式圆盘和桩腿1外部，且可上下自由活动便于插桩和拔桩；吸力筒壁8在打桩时位于碟式圆盘的上部便于贯入，打桩完成后位于碟式圆盘的下部以提供横向和纵向承载力。所述的吸力筒壁8与动力装置9连接，动力装置9为吸力筒壁8上下自由活动提供动力；所述的动力装置9安装在桩腿1上，且可在桩腿1上上下活动。所述的万向转环6设置在碟式圆盘下部盖板3上，所述的喷头7设置在万向转环上6，可随万向转环6自由转动，多个方向喷水；所述的喷头7在打桩时，边转动边喷出高压水流，以冲开碟式圆盘底部的泥土，利于桩靴的贯入；在拔桩时，喷头7持续喷水减小桩靴底部的吸力，利于拔桩。
本发明所述的一种吸力式桩靴安装过程试验装置，包括土工鼓式离心机、模型槽13、透明土10、吸力式桩靴、CCD相机、激光器、加载架12和加载装置11。所述的土工鼓式离心机，相对更适合进行海洋工程相关科学问题试验；所述的模型槽13为透明有机玻璃；所述的透明土10由无定形二氧化硅粉末与15#白油和正十二烷的混合矿物油混合而成，可模拟海洋黏土；所述的加载架12固定在模型槽13底部平面上；所述的加载装置11安装在加载架12上，为吸力式桩靴的贯入提供动力；所述的吸力式桩靴与加载装置11连接，可通过调整加载架12的横梁动态调整加载装置11和吸力式桩靴的位置；所述的激光器和CCD相机分别设置在透明模型槽13的侧视面和正视面，CCD相机通过数据线与处理装置连接；CCD相机用于记录和分析试验过程中吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场。
下面结合一具体实施例对本发明涉及试验装置的试验方法进行说明：
本发明所述的一种吸力式桩靴安装过程试验装置的试验方法，主要包括以下步骤：
(1)配置透明土10：将15#白油和正十二烷按质量比1:4混合形成折射率为1.447的混合矿物油，将无定形二氧化硅粉末均匀撒入混合矿物油中制配成透明土10；将配置好的透明土10放置于真空环境中，去除透明土10中的气泡。
(2)布置模型槽13：通过专门软管将透明土10注入模型槽13中；模型槽13为直径80cm，径向长25cm，竖向长为35cm的环形；将激光器和CCD相机分别安装在模型槽13内的侧视面和正视面，并记录激光器和CCD相机的坐标；通过数据线将CCD相机与数据采集处理装置连接。
(3)布置吸力式桩靴：本实施例中，制作桩靴的桩腿1为边长为2cm，长为5cm的钢桁架；碟式圆盘的直径为3cm；贯入锥头4为上底面直径0.5cm、下底面直径1cm的圆台状；吸力筒壁为直径3.1cm，长为4cm的钢管；将加载架12固定在模型槽13底部的平面上，并将加载装置11安装到加载架12上；加载装置11为上下出力的电机，实现桩靴的插拔；将吸力式桩靴与加载装置11连接，并通过移动加载架12的横梁动态调整加载装置11和吸力式桩靴的位置，使之位于模型槽13的正上方。
(4)透明土10固结：启动土工鼓式离心机，让透明土10在300g的加速度下进行固结；固结完成后，通过调整加速度为100g，此时透明土10的超固结比为3。
(5)进行试验：首先，下移加载架12的横梁使吸力式桩靴的碟式圆盘下部盖板3接触透明土10表面；启动激光器和CCD相机；启动加载装置11向下出力，让吸力式桩靴竖直贯入到透明土10中，直至吸力筒壁8贯入到透明土10表面以下，停止加载装置11；启动吸力桩靴上的动力装置9，让吸力筒壁8继续贯入到透明土10中。通过CCD相机实时记录和分析吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场。
(6)结束试验；关闭土工鼓式离心机，移除模型槽13内的透明土10和吸力式桩靴完成试验测试。

Claims (4)

1.一种自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴，其特征在于，该自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴包括桩腿(1)、碟式圆盘上部盖板(2)、碟式圆盘下部盖板(3)、贯入锥头(4)、密封装置(5)、万向转环(6)、喷头(7)、吸力筒壁(8)和动力装置(9)；碟式圆盘上部盖板(2)、碟式圆盘下部盖板(3)和贯入锥头(4)共同组成碟式圆盘；吸力筒壁(8)设置在碟式圆盘和桩腿(1)外部，可在动力装置作用下竖向自由活动，在打桩和拔桩时位于碟式圆盘的上部，承担荷载时位于碟式圆盘的下部；
所述的桩腿(1)，固定连接在碟式圆盘上部盖板(2)上；
所述的贯入锥头(4)，固定连接在蝶式圆盘下部盖板(3)上；
所述的密封装置(5)，设置在碟式圆盘上部盖板(2)和碟式圆盘下部盖板(3)的连接处，与吸力筒壁(8)和碟式圆盘密切联系起到密封作用；
所述的万向转环(6)，设置在碟式圆盘下部盖板(3)上；
所述的喷头(7)，设置在万向转环(6)上，可随万向转环(6)自由转动；喷头(7)在打桩时喷出高压水流，冲开碟式圆盘底部的泥土利于桩靴的贯入，在拔桩时喷水减小桩靴底部的吸力利于拔桩；
所述的吸力筒壁(8)，设置在碟式圆盘和桩腿(1)外部，可上下自由活动，与动力装置(9)连接；吸力筒壁(8)在打桩前位于碟式圆盘的上部，打桩完成后位于碟式圆盘的下部；
所述的动力装置(9)，安装在桩腿(1)上，为吸力筒壁(8)上下自由活动提供动力，可在桩腿(1)上上下活动。
2.根据权利要求1所述的自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴，其特征在于，
所述的碟式圆盘上部盖板(2)，主要由圆环状钢板和小弧度壳体组成；
所述的碟式圆盘下部盖板(3)，主要由圆环状钢板和大弧度壳体组成。
3.一种如权利要求1或2所述的自升式平台及潮间带风机安装平台吸力式桩靴试验装置，其特征在于，该吸力式桩靴试验装置包括土工鼓式离心机、模型槽(13)、透明土(10)、吸力式桩靴、CCD相机、激光器、加载架(12)和加载装置(11)；所述的模型槽(13)为透明有机玻璃；所述的透明土，由熔融石英砂颗粒或无定形二氧化硅粉末、15#白油和正十二烷的混合矿物油混合而成，用于模拟天然砂土或黏土；所述的加载架(12)为固定在模型槽(13)底部平面上的反力架；所述的加载装置(11)安装在加载架(12)上，通过调整加载架(12)的横梁动态调整加载装置(11)的位置；加载装置(11)为吸力式桩靴的贯入提供动力；所述的激光器设置在模型槽(13)的侧面，CCD相机设置在模型槽(13)的正视面，CCD相机通过数据线与处理装置连接；所述的吸力式桩靴与加载装置(11)连接，随加载装置(11)的移动而移动；CCD相机用于记录和分析试验过程中吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场，为揭示吸力式桩靴-海洋土的相互作用机理提供技术支撑。
4.一种采用如权利要求3所述的吸力式桩靴试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：
(1)配置透明土(10)：将15#白油和正十二烷按质量比1:4混合形成折射率为1.4585或1.447的混合矿物油，将熔融石英砂颗粒或无定形二氧化硅粉末均匀撒入混合矿物油中制配成透明土(10)；将配置好的透明土(10)放置于真空环境中，去除透明土中的气泡；
(2)布置模型槽(13)：通过软管将透明土(10)注入模型槽(13)中；将激光器和CCD相机安装在模型槽(13)内，根据需要观测的位置，在正视面和侧视面调节激光器和CCD相机的安装位置，并记录激光器和CCD相机的坐标；通过数据线将CCD相机与数据采集处理装置连接；
(3)布置吸力式桩靴：将加载架(12)固定在模型槽(13)底部的平面上，并将加载装置(11)安装在加载架(12)上；将吸力式桩靴与加载装置(11)连接；通过移动加载架(12)横梁动态调整加载装置(11)和吸力式桩靴，使之位于模型槽(13)的正上方；
(4)透明土固结：启动土工鼓式离心机，让透明土(10)在设置的加速度下进行固结；固结完成后通过调整加速度获取不同的超固结比；
(5)进行试验：启动激光器和CCD相机；启动加载装置(11)，让吸力式桩靴贯入到透明土(10)中，吸力筒壁(8)贯入到透明土(10)表面以下后停止加载装置(11)；启动吸力桩靴上的动力装置(9)，让吸力筒壁(8)继续贯入到透明土(10)中；通过CCD相机实时记录和分析吸力式桩靴的运动轨迹和桩靴周围土体的内部位移场；
(6)结束试验；关闭土工鼓式离心机，移除模型槽(13)内的透明土(10)和吸力式桩靴完成试验测试。
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