CN112146969A - 水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置及实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置及实施方法，本发明通过放置预制配重块的载重塔，提供反力荷载值，通过角度监测装置和支撑架，调节载重塔的倾角，通过加载装置和沉降监测装置，获得完整的荷载‑沉降曲线，进而确定复合地基承载力；制作原理、结构简单，成本低，可提前在陆上上预制和组装，节约大量的测试时间，且测试过程中技术人员均位于船舶上，无安全风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置及实施方法，属于水下复合地基载荷试验领域。
背景技术
为提高深水环境下的深厚软土地基的承载性能，通常采用水下挤密砂桩法或深层水泥搅拌法（DCM）进行地基处理，进而形成复合地基。经加固处理后的复合地基承载力的精确测定对深水基础设计至关重要。目前针对水下复合地基载荷试验，主要采用锚桩法实施，但这种方法测试费用非常高昂，一次性试验费用高达2000万左右，且试验准备周期长，严重制约了工程进度，不利于水下复合地基的推广和应用。
发明内容
本发明提供了一种水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置及实施方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，包括，
反力装置：
包括支撑架和设置在支撑架上的载重塔；载重塔内放置有若干预制配重块；支撑架用以支撑载重塔并调节载重塔的倾角；
加载机构：
包括加载装置和载荷板；加载装置设置在载重塔的底部；加载装置的底端连接载荷板，用以向载荷板实施加载；
传感监测系统：
包括角度监测装置和沉降监测装置；角度监测装置用以监测载重塔的倾角；沉降监测装置用以监测载荷板的沉降。
支撑架包括可伸缩的支撑梁和设置在支撑梁端部的支撑腿，载重塔设置在支撑梁上，支撑腿包括设置在支撑梁端部倒置的调节千斤顶以及设置在调节千斤顶底端的底盘。
沉降监测装置包括设置在载荷板和底盘上的静力水准仪，所有静力水准仪通过通液管连通。
载重塔包括边框和设置在边框底部的支撑底座；角度监测装置设置在支撑底座外侧表面。
加载装置包括底座垫板、顶推垫板、若干倒置的加载千斤顶和传力柱，底座垫板设置在载重塔的底部，顶推垫板位于底座垫板下方，所有加载千斤顶均匀分布在底座垫板和顶推垫板之间，传力柱的两端分别连接顶推垫板和载荷板。
响应于所需载荷板面积小于阈值，加载机构包括加载装置，传力柱作为载荷板。
还包括吊装组件，用以吊装所述水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置。
吊装组件包括吊装主缆以及与吊装主缆连接的吊盘，吊盘与载重塔顶端之间设置有若干吊装副缆。
预制配重块包括块体，块体的顶面设置有若干吊耳，块体的底面设置有若干嵌入吊耳的沟槽。
水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置的实施方法，包括，
根据预估复合地基承载力极限值和复合地基承载力测试要求，制作水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置；
将水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置放入水中并着床；
根据角度监测装置的监测结果，调节载重塔的倾角，使其垂直；
加载装置逐级加载至满足加载终止要求，通过沉降监测装置监测各荷载对应的载荷板沉降；
构建荷载-沉降曲线，确定复合地基承载力。
本发明所达到的有益效果：1、本发明通过放置预制配重块的载重塔，提供反力荷载值，通过角度监测装置和支撑架，调节载重塔的倾角，通过加载装置和沉降监测装置，获得完整的荷载-沉降曲线，进而确定复合地基承载力；制作原理、结构简单，成本低，可提前在陆上上预制和组装，节约大量的测试时间，且测试过程中技术人员均位于船舶上，无安全风险；2、本发明可通过灵活放置载重塔数量，提供不同所需的反力荷载值，最大水下反力高达1000吨以上，满足当前各种复合地基的测试加载要求；3、本发明为一体化装置，通过吊装组件实现一次性整装整吊，使用便利，同时可重复使用，便于同一海洋不同测点的加载测试需求；4、本发明不但可以用于复合地基大型原位载荷测试，亦可用作桩基础等其他水下结构物的承载力测试，用途广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为支撑架的结构示意图；
图3为载重塔的结构示意图；
图4为边框的俯视图；
图5为支撑底座的结构示意图；
图6为预制配重块的结构示意图；
图7为加载千斤顶布置示意图；
图8为传力柱与载荷板连接断面俯视图；
图9为载荷板剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，包括反力装置2、加载机构1、吊装组件3和传感监测系统。
反力装置2包括支撑架和固定在支撑架上的载重塔20，载重塔20内放置有若干预制配重块21，支撑架用以支撑载重塔20并调节载重塔20的倾角。
如图2所示，支撑架包括可伸缩的支撑梁22和固定在支撑梁22端部的支撑腿，载重塔20固定在支撑梁22上，支撑腿包括固定在支撑梁22端部倒置的调节千斤顶23以及固定在调节千斤顶23底端的底盘24。
可伸缩的支撑梁22包括两个相对设置的伸缩横梁，伸缩横梁相对端部之间固定有连接梁，一般为工字钢梁，以加强整体承载稳定性。调节千斤顶23为长行程高加载能力的千斤顶，倒置的调节千斤顶23固定在伸缩横梁端部，每个端部均固定一倒置的调节千斤顶23。底盘24为厚度3cm及以上的钢板，形状为规则的圆形或方形，底盘24的中心与调节千斤顶23端部固定，四个底盘24的总面积为载荷板14面积的1.1~1.2倍，每个底盘24距离载荷板14外边缘的距离不得小于复合地基中加固体（砂桩等）直径的2倍。
如图3~5所示，载重塔20为空间桁架结构，平面投影是正方形，包括边框和固定在边框底部的支撑底座203。
边框为包括四个角的主立柱201和位于两主立柱201中间的中间立柱202，主立柱201和中间立柱202之间固定有多层水平支撑柱204，相邻水平支撑柱204之间设置有斜杆205。其中，主立柱201为直径至少20cm、壁厚至少1cm、高度为2~6m的钢管，呈间距为4m的正方形布置，构成载重塔20关键承重构件，主立柱201的底端与连接梁固定；中间立柱202直径和壁厚均为主立柱201一半，高度比主立柱201短1m。多层水平支撑柱204采用一系列钢管与主立柱201、中间立柱202在水平方向连接而成；每组斜杆205由两根交叉的钢管组成，用于连接载重塔20中的竖向布置构件与水平布置构件。支撑底座203由一系列交错的工字钢组成，并在距离主立柱201端部1m左右位置与之水平连接；支撑底座203和多层水平支撑柱204在载重塔20的竖向范围按每层间隔1m分布；支撑底座203上铺设一层支撑垫板206，为方形钢垫板，平面尺寸以能放入载重塔20内部为宜，用于搁置预制配重块21。
如图6所示，预制配重块21的长、宽尺寸均为支撑垫板206的一半，高度为50cm，采用混凝土制作而成，预制配重块21包括块体，块体的顶面固定有若干吊耳210，一般为一对吊耳210，以便于运吊作业，块体的底面开有嵌入吊耳210的沟槽，沟槽的尺寸要求能够容纳吊耳210，以便于预制配重块21的堆放。预制配重块21的水上总重要为复合地基承载力预估值的2倍及2倍以上。
加载机构1包括加载装置和载荷板14。加载装置固定在载重塔20的底部，加载装置的底端连接载荷板14，用以向载荷板14实施加载。
加载装置包括底座垫板11、顶推垫板12、若干倒置的加载千斤顶10和传力柱13。
底座垫板11固定在载重塔20的底部，具体固定在支撑底座203底部中心，底座垫板11为直径1m、厚度2~3cm的圆盘，采用材料强度为Q345及Q345以上的钢板制作。
顶推垫板12位于底座垫板11下方，为直径为1.5m、厚度为2~3cm的圆盘，采用材料强度为Q345及Q345以上的钢板制作。
如图7所示，所有加载千斤顶10均匀分布在底座垫板11和顶推垫板12之间，即加载千斤顶10顶端和底端分别连接底座垫板11和顶推垫板12，所有加载千斤顶10排布成一个圆，该圆、顶推垫板12与座垫板同轴。
如图8所示，传力柱13的两端分别连接顶推垫板12和载荷板14，一般与顶推垫板12和载荷板14中心固定，传力柱13为钢管混凝土柱，直径为0.8~1.5m，高度为1m左右，其中钢管壁厚为2cm，材料强度为Q345及Q345以上，混凝土的强度等级至少为C40及C40以上。
如图9所示，载荷板14是两边长均为0.8~5m、高度为20~30cm的钢箱，其内部固定一系列钢板格栅140且填充混凝土，进而形成传力性能较好的复合板；钢箱壁板采用厚度2cm，材料强度为Q345及以上的钢板制作，混凝土的强度等级至少为C40及以上。若所需载荷板14面积小于阈值，一般为1.5m2，无需额外设置载荷板14，传力柱13作为载荷板14。
为了保证载荷板14的稳固，传力柱13侧壁与载荷板14顶面之间均匀固定有加劲肋板15，加劲肋板15为厚度1~2cm的三角形钢板，按22.5°的等角度沿传力柱13外围均匀分布，其一端与传力柱13侧壁连接，长度与传力柱13等高，另一端与载荷板14连接，长度以正好与所述载荷板14完全连接为宜。
吊装组件3，用以吊装所述水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，包括吊装主缆30以及与吊装主缆30连接的吊盘33，吊盘33与载重塔20顶端之间连接有若干吊装副缆31。
吊装副缆31为高强度钢绞绳，数量为四根，其一端与载重塔20顶端固定扣环32相连，一端与吊盘33相连；固定扣环32为钢制材质制作，分别固定在四个主立柱201顶部；吊盘33同时与四根吊装副缆31连接形成整体后再与吊装主缆30连接；吊装主缆30为一根高强度的钢绞绳，通过吊装主缆30吊放整个装置。
传感监测系统包括角度监测装置5和沉降监测装置4；角度监测装置5用以监测载重塔20的倾角；沉降监测装置4用以监测载荷板14的沉降。
角度监测装置5为倾角仪，安装在支撑底座203外侧表面，据倾角仪的结果调节四个调节千斤顶23的高度，实现载重塔20的垂直度实时监测，确保加载过程中的安全。沉降监测装置4包括固定在载荷板14和底盘24上的静力水准仪40，所有静力水准仪40通过通液管41连通，进而给出不同荷载等级下载荷板14的沉降。
上述装置的具体实施方法，包括以下步骤：
步骤1，根据预估复合地基承载力极限值和复合地基承载力测试要求，制作水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置。、
具体如下：
11）根据预估复合地基承载力极限值，确定加载千斤顶10的总加载能力，要求加载能力至少为预估复合地基承载力极限值的两倍；
12）根据预估复合地基承载力极限值，预制配重块21，要求预制配重块21的水上总重量至少为预估复合地基承载力极限值的两倍；
13）根据预制配重块21总重量，确定调节千斤顶23总加载能力，要求加载能力至少为预制配重块21水上总重量的1.2倍；
14）根据复合地基承载力测试要求确定所需的载荷板14尺寸，当其平面尺寸小于1.5m时，则不用再设置加劲板和载荷板14，直接用传力柱13做载荷板14使用且水准仪直接安装在传力柱13上；
15）将载重塔20按要求制作后安装支撑架，随后安装加载机构1、吊装组件3和传感监测系统并提前放入预制配重块21。
步骤2，将水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置吊装放入水中并着床；过程中支撑梁22按要求缓慢伸展开，同时着床过程必须缓慢。
步骤3，根据角度监测装置5的监测结果，调节载重塔20的倾角，使其垂直。
步骤4，加载装置逐级加载至满足加载终止要求，通过沉降监测装置4监测各荷载对应的载荷板14沉降。
步骤5，构建荷载-沉降曲线，确定复合地基承载力。
步骤6，测试完毕后，再次通过吊装组件3将装置回收。
本发明通过放置预制配重块21的载重塔20，提供反力荷载值，通过角度监测装置5和支撑架，调节载重塔20的倾角，通过加载装置和沉降监测装置4，获得完整的荷载-沉降曲线，进而确定复合地基承载力；制作原理、结构简单，成本低，可提前在陆上上预制和组装，节约大量的测试时间，且测试过程中技术人员均位于船舶上，无安全风险。本发明可通过灵活放置载重塔20数量，提供不同所需的反力荷载值，最大水下反力高达1000吨以上，满足当前各种复合地基的测试加载要求。本发明为一体化装置，通过吊装组件3实现一次性整装整吊，使用便利，同时可重复使用，便于同一海洋不同测点的加载测试需求。本发明不但可以用于复合地基大型原位载荷测试，亦可用作桩基础等其他水下结构物的承载力测试，用途广。
本发明为水下复合地基大型原位荷载测试提供了一种全新的方法，克服了传统的锚桩法测试周期长、造价成本高、应用风险大的缺陷，对水下地基加固工法推广及深水基础工程的安全设计具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：包括，
反力装置：
包括支撑架和设置在支撑架上的载重塔；载重塔内放置有若干预制配重块；支撑架用以支撑载重塔并调节载重塔的倾角；
加载机构：
包括加载装置和载荷板；加载装置设置在载重塔的底部；加载装置的底端连接载荷板，用以向载荷板实施加载；
传感监测系统：
包括角度监测装置和沉降监测装置；角度监测装置用以监测载重塔的倾角；沉降监测装置用以监测载荷板的沉降。
2.根据权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：支撑架包括可伸缩的支撑梁和设置在支撑梁端部的支撑腿，载重塔设置在支撑梁上，支撑腿包括设置在支撑梁端部倒置的调节千斤顶以及设置在调节千斤顶底端的底盘。
3.根据权利要求2所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：沉降监测装置包括设置在载荷板和底盘上的静力水准仪，所有静力水准仪通过通液管连通。
4.根据权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：载重塔包括边框和设置在边框底部的支撑底座；角度监测装置设置在支撑底座外侧表面。
5.根据权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：加载装置包括底座垫板、顶推垫板、若干倒置的加载千斤顶和传力柱，底座垫板设置在载重塔的底部，顶推垫板位于底座垫板下方，所有加载千斤顶均匀分布在底座垫板和顶推垫板之间，传力柱的两端分别连接顶推垫板和载荷板。
6.根据权利要求5所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：响应于所需载荷板面积小于阈值，加载机构包括加载装置，传力柱作为载荷板。
7.根据权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：还包括吊装组件，用以吊装所述水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置。
8.根据权利要求7所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：吊装组件包括吊装主缆以及与吊装主缆连接的吊盘，吊盘与载重塔顶端之间设置有若干吊装副缆。
9.根据权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置，其特征在于：预制配重块包括块体，块体的顶面设置有若干吊耳，块体的底面设置有若干嵌入吊耳的沟槽。
10.基于权利要求1所述的水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置的实施方法，其特征在于：包括，
根据预估复合地基承载力极限值和复合地基承载力测试要求，制作水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置；
将水下复合地基大型原位载荷一体化测试装置放入水中并着床；
根据角度监测装置的监测结果，调节载重塔的倾角，使其垂直；
加载装置逐级加载至满足加载终止要求，通过沉降监测装置监测各荷载对应的载荷板沉降；
构建荷载-沉降曲线，确定复合地基承载力。
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