CN114894510A - 吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其包括:模型箱、吸力桶基础、轴向压贯控制系统、负压控制系统和自重平衡系统;模型箱内限定有容纳空间,容纳空间内设有上部水体和下部土体,下部土体内设有第一组孔压传感器;吸力桶基础设在容纳空间内,且位于下部土体上方;吸力桶基础适于贯入下部土体和从下部土体中拔出,吸力桶基础的顶部设有第一进出口、第二进出口;轴向压贯控制系统包括加载电机、电磁铁和加载底板;负压控制系统包括真空泵、吸力控制装置、储水桶和第二组孔压传感器;第二组孔压传感器设在吸力桶基础的顶部;自重平衡系统包括配重块和定滑轮。
Description
技术领域
本发明涉及海洋基础结构领域,具体而言,本发明涉及吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型。
背景技术
吸力桶基础是海洋工程中常见的一种基础结构,随着深海油气平台和风电平台的不断搭建,吸力桶基础以其成本低、安装简单和可以重复利用的优点,在海洋工程广泛使用。在安装过程中,由于负压的作用会引起土体内部超静孔压和渗流场的变化,从而显著影响吸力桶的端阻力和侧摩阻力,同时安装方式的不同也会导致吸力桶基础承载性能的变化,需要针对吸力桶基础安装运行过程进行整体分析,同时重点分析吸力桶基础安装运行过程中渗流场的演化。而离心机模型试验是常用的一种研究手段,与现场试验相比,其具有成本低、效率高的优点,因此,亟需研制吸力桶基础安装运行全过程离心机试验模型结构,以进一步分析吸力桶基础安装运行过程中的规律机理。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提出吸力桶基础测试离心机试验模型。
在本发明的一个方面,本发明提出了吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型。根据本发明的实施例,该吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型包括模型箱、吸力桶基础、轴向压贯控制系统、负压控制系统和自重平衡系统;
所述模型箱内限定有容纳空间,所述容纳空间内设有上部水体和下部土体;
所述吸力桶基础设在所述容纳空间内,且位于所述下部土体上方;所述下部土体内设有第一组孔压传感器,所述第一组孔压传感器沿水平方向和竖直方向均包括多个,且至少部分所述第一组孔压传感器位于所述吸力桶基础在所述模型箱底面的投影范围内;
所述吸力桶基础适于贯入所述下部土体和从所述下部土体中拔出,所述吸力桶基础的顶部设有第一进出口和第二进出口;
所述轴向压贯控制系统由上至下依次包括加载电机、电磁铁和加载底板,所述加载电机通过所述电磁铁和所述加载底板与所述吸力桶基础的顶部相连;
所述负压控制系统包括真空泵、吸力控制装置、储水桶和第二组孔压传感器,所述真空泵通过所述吸力控制装置和所述储水桶与所述第二进出口相连;所述第二组孔压传感器设在所述吸力桶基础的顶部;
所述自重平衡系统包括配重块和定滑轮,所述配重块通过所述定滑轮与所述加载底板相连。
该吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型将吸力桶基础安装过程和运行过程整体进行分析,可以分析吸力桶基础全生命周期内力学特性响应,同时通过土体中的孔压传感器可以分析吸力桶基础安装和运行过程中渗流场的演化过程;此外,通过负压控制系统可以远程控制吸力桶基础负压大小、加载方式以及贯入速度。通过以上手段,进一步揭示吸力桶基础安装运行过程贯入和拉拔性能演化机理,为吸力桶基础安装设计方法提供有力的依据。
另外,根据本发明上述实施例的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述第一进出口和所述第二进出口处均设有电磁阀。
在本发明的一些实施例中,所述加载电机的加载力为0~10kN。
在本发明的一些实施例中,所述真空泵的抽吸速率为0~4L/s。
在本发明的一些实施例中,所述孔压传感器分三层布置,每层包括五个所述孔压传感器。
在本发明的一些实施例中,上下相邻的两个所述孔压传感器的间距为1~3m,左右相邻的两个所述孔压传感器的间距为1~3m。
在本发明的一些实施例中,所述吸力控制装置包括流量阀。
在本发明的一些实施例中,所述定滑轮设在所述容纳空间的顶部。
在本发明的一些实施例中,所述配重块、所述定滑轮均包括两个,两个所述配重块分别通过所述定滑轮与所述加载底板的两端相连。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本发明一个实施例的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型的结构示意图;
图2是根据本发明一个实施例的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型中轴向压贯控制系统的结构示意图;
图3是根据本发明一个实施例的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型中负压控制系统的结构示意图;
图4是根据本发明一个实施例的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型中自重平衡系统的结构示意图。
附图标记:
10-模型箱,20-吸力桶基础,30-轴向压贯控制系统,40-负压控制系统,50-自重平衡系统,
11-上部水体,12-下部土体,
21-第一进出口,22-第二进出口,
31-加载电机,32-电磁铁,33-加载底板,
41-真空泵,42-吸力控制装置,43-储水桶,44-孔压传感器,
51-配重块,52-定滑轮。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面,本发明提出了吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型。参考图1~4,根据本发明的实施例,该吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型包括模型箱10、吸力桶基础20、轴向压贯控制系统30、负压控制系统40和自重平衡系统50。
根据本发明的实施例,模型箱10内限定有容纳空间,容纳空间内设有上部水体11和下部土体12;吸力桶基础20设在该容纳空间内,且位于下部土体12上方。下部土体12内设有第一组孔压传感器44,第一组孔压传感器44沿水平方向和竖直方向均包括多个,且至少部分第一组孔压传感器44位于吸力桶基础20在模型箱10底面的投影范围内。
进一步地,参考图1,根据本发明的一些实施例,第一组孔压传感器44分三层布置,每层包括五个孔压传感器44。
进一步地,根据本发明的一些实施例,第一组孔压传感器44中,上下相邻的两个孔压传感器44的间距为1~3m,左右相邻的两个孔压传感器44的间距为1~3m。根据本发明的具体示例,上下相邻的两个孔压传感器44的间距为2m,最上层孔压传感器44与下部土体12表面的间距为2m;位于吸力桶基础20在模型箱10底面的投影范围内的、和位于吸力桶基础20在模型箱10底面的投影范围外的左右相邻的两个孔压传感器44的间距为1m,位于吸力桶基础20在模型箱10底面的投影范围边界处内外左右相邻的两个孔压传感器44的间距为2m。
根据本发明的实施例,吸力桶基础20适于贯入下部土体12和从下部土体12中拔出,吸力桶基础的顶部设有第一进出口21和第二进出口22。
进一步地,根据本发明的一些实施例,吸力桶基础20的第一进出口21和第二进出口22处设有电磁阀(附图中未示出)。通过打开电磁阀,可以在吸力桶基础20压贯进入下部土体12的过程中将吸力桶基础20内部的水和气体排出;通过关闭电磁阀,可使吸力桶基础内部形成密封状态。
根据本发明的实施例,轴向压贯控制系统30由上至下依次包括加载电机31、电磁铁32和加载底板33,加载电机31通过电磁铁32和加载底板33与吸力桶基础20的顶部相连。可以根据吸力桶基础20安装方式的来决定电磁32是否打开,在吸力桶基础20压贯过程中,电磁铁32始终打开,以保证加载电机31所提供的力可以传递至吸力桶基础20。而在吸贯过程中,需要关闭电磁铁32,以保证在负压的作用下,吸力桶基础20可以自由向下贯入,同时电磁铁32的存在可以起到吸力桶基础20导向的作用。
进一步地,根据本发明的一些实施例,加载电机31的加载力为0~10kN。
根据本发明的实施例,负压控制系统40包括真空泵41、吸力控制装置42、储水桶43和第二组孔压传感器44,真空泵41通过吸力控制装置42和储水桶43与吸力桶基础20的第二进出口22相连第二组孔压传感器44设在吸力桶基础20的顶部(附图中未示出)。
第一和第二组孔压传感器44可用于量测吸力桶基础20内外压差,同时将测量值传递给吸力控制装置42,调节整个安装过程中负压的大小;储水桶43则是将吸贯过程中所抽出的水进行存储;吸力控制系统则是通过远程操作吸力控制装置42控制流量阀,从而对负压的加载速度和大小进行调节。另外,负压控制系统还包括荷载传感器,用于测量吸力桶基础吸力贯入过程中储水桶中水体的质量。
进一步地,根据本发明的一些实施例,真空泵41的抽吸速率可以为0~4L/s,当真空泵41的抽吸速率设置为4L/s时,吸力桶基础20内部可以达到98%的真空度。
根据本发明的实施例,自重平衡系统50包括配重块51和定滑轮52,配重块51通过定滑轮52与加载底板33相连。具体地,配重块51、定滑轮52、加载底板33之间可以通过线缆相连。通过定滑轮52可以利用配重块51的重力以调节贯入过程中吸力桶基础20的质量,通过定滑轮52以及配重块51的对称布置,可以保证吸力桶基础20在贯入过程中始终处于中心点的状态。
进一步地,根据本发明的一些实施例,定滑轮52设在容纳空间的顶部。
进一步地,根据本发明的一些实施例,配重块51、定滑轮52均包括两个,两个配重块51分别通过定滑轮52与加载底板33的两端相连。
为便于理解,下面对采用本发明的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型实施的吸力桶基础安装运行过程离心机试验方法进行描述:
试验开始前,打开电磁铁32,将吸力桶基础20与轴向压贯控制系统30相连接;
试验开始后,先以每级5g的离心加速度增量进行静力加载,在每10g之间间隔约2min,使土层沉降稳定,当离心加速度达到40g时,高25cm的土层相当于原型厚10m的土层,吸力桶基础20也相当于原型的直径为4m,壁厚0.04m的桶型基础,在提高离心加速度的过程中,电磁铁32始终保持通电状态,以保证吸力桶基础20位置固定,且始终与轴向压贯控制系统30相连接。
当土体变形稳定后,开始吸力桶基础20的贯入过程:
(1)压贯过程
吸力桶基础20的压贯过程,主要利用轴向压贯控制系统30在桶体顶部进行加载,在此过程中,桶体顶部电磁阀打开,以便于贯入过程中排水排气;电磁铁32在此过程中也始终保持通电状态,因此吸力桶基础20与其上部轴向压贯控制系统30始终处于一个整体,在压贯过程中,吸力桶基础20以10mm/s匀速向下贯入土体,直至吸力桶基础20贯入深度到0.8m。
(2)吸贯过程
压贯完成后,将电磁铁32关闭,桶体与上部轴向压贯控制系统30自此不再相连接;同时,关闭桶体顶部电磁阀,在吸力桶基础20内部形成密封状态;之后,打开吸力桶基础20与储水桶43之间的电磁阀,将真空泵41所产生的负压施加在吸力桶基础20内部。吸贯过程中,主要利用负压控制系统40以控制吸力桶基础20内外压差,通过调节控制阀,可实现负压线性加载或者吸力桶匀速贯入,吸力桶基础20最终在180s的时间内完成贯入。
(3)循环拉拔过程
打开电磁铁32,电磁铁32在加载电机31作用下向下移动,直至与吸力桶基础20顶部接触,此后,在轴向压贯控制系统30的作用下吸力桶进行循环拉拔运动。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中,除非另有。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含明确的规定和限定,“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,包括:模型箱、吸力桶基础、轴向压贯控制系统、负压控制系统和自重平衡系统;
所述模型箱内限定有容纳空间,所述容纳空间内设有上部水体和下部土体;所述下部土体内设有第一组孔压传感器,所述第一组孔压传感器沿水平方向和竖直方向均包括多个,且至少部分所述第一组孔压传感器位于所述吸力桶基础在所述模型箱底面的投影范围内;
所述吸力桶基础设在所述容纳空间内,且位于所述下部土体上方;
所述吸力桶基础适于贯入所述下部土体和从所述下部土体中拔出,所述吸力桶基础的顶部设有第一进出口和第二进出口;
所述轴向压贯控制系统由上至下依次包括加载电机、电磁铁和加载底板,所述加载电机通过所述电磁铁和所述加载底板与所述吸力桶基础的顶部相连;
所述负压控制系统包括真空泵、吸力控制装置、储水桶和第二组孔压传感器,所述真空泵通过所述吸力控制装置和所述储水桶与所述第二进出口相连;所述第二组孔压传感器设在所述吸力桶基础的顶部;
所述自重平衡系统包括配重块和定滑轮,所述配重块通过所述定滑轮与所述加载底板相连。
2.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述第一进出口和所述第二进出口处均设有电磁阀。
3.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述加载电机的加载力为0~10kN。
4.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述真空泵的抽吸速率为0~4L/s。
5.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述孔压传感器分三层布置,每层包括五个所述孔压传感器。
6.根据权利要求5所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,上下相邻的两个所述孔压传感器的间距为1~3m,左右相邻的两个所述孔压传感器的间距为1~3m。
7.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述吸力控制装置包括流量阀。
8.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述定滑轮设在所述容纳空间的顶部。
9.根据权利要求1所述的吸力桶基础安装运行过程离心机试验模型,其特征在于,所述配重块、所述定滑轮均包括两个,两个所述配重块分别通过所述定滑轮与所述加载底板的两端相连。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220812 |
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