CN115450248B - 一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及海洋工程基础结构领域，公开了一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置及其使用方法，包括预警组件和安装组件。预警组件包括感应件和拉伸件，感应件沿纵向方向间隔设有多个，各感应件的下端均连接有拉伸件，感应件能够通过监测拉伸件的拉力变化，以对多段纵向空间内的土体变化进行感应。安装组件包括钻头和钻杆，钻头连接于钻杆的下端，钻杆为空心钻杆，内壁形成有安装腔，感应件和拉伸件分别设于安装腔，钻杆内壁沿长度方向还设有滑槽，感应件相对设置有滚动槽，滑槽和滚动槽之间设有滚动体，钻杆能够沿滑槽移动至与感应件相脱离。本发明能够在复杂海洋环境中直接判断基础周围土体的排水条件，实现全寿命周期内的抗拔承载力预警评估。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程基础结构领域，尤其涉及一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置及其使用方法。
背景技术
吸力式基础是海洋油气平台和海上风电结构的重要基础形式，因其安装方便、可重复使用等优点而广泛应用于海洋工程中。在服役期间或者退役回收时吸力式基础会受到上拔承载力作用，准确计算吸力式基础的上拔承载力是保证基础稳定工作和顺利回收的重要前提。竖向拉拔荷载作用下，不同排水条件下吸力式基础内部的土体会发生不同的破坏形式。完全排水条件下为局部剪切破坏，基础内、外侧壁与基础脱离，基础内部土体不发生破坏；部分排水条件下为底部张拉破坏，基础外侧壁与基础脱离，基础内部土体在基础底端处、基础底端以上处发生断裂；完全不排水条件下为反向承载力破坏，基础外侧壁与基础脱离，基础内部土体在基础底端以下、某一深度处发生断裂。通过确定吸力式基础的不同排水条件下，从而根据不同条件下的抗拔承载力计算方法计算抗拔承载力，对于指导工程设计具有重要意义。
现有海洋吸力式基础抗拔承载力预警评估方法，主要包括两种。一是，通过开展现场试验，基于试验结果评价基础的抗拔承载力。二是，基于理论计算，确定不同排水条件(破坏模式)下基础的抗拔承载力。第一种方式，仅能得到完全排水条件下基础的抗拔承载力，无法得到部分排水、完全不排水条件下的抗拔承载力；如申请号为201910704972.1的中国发明专利申请公开了一种用于检测吸力桶抗拔承载力的方法，利用荷载箱上拔吸力桶，通过记录荷载箱荷载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，试验结束后，需要将吸力桶进行回收。由于现场的基础承载力检测，属于破坏性、一次性试验，无法在基础服役过程中实时预警评估。第二种方式，如《吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析》(刊登于《岩土力学》2008年第6期)、《不同排水条件下桶形基础上拔承载特性研究》(刊登于《天津大学学报(自然科学与工程版)》2020年第9期))等文章中，给出了完全排水、部分排水、完全不排水条件下的三个吸力式基础抗拔承载力计算公式，并通过土的固结系数、拔出的速率、基础直径判断排水条件。但是，海床土体参数的易变性导致难以合理地确定土的固结系数，海洋环境的复杂性导致基础的拔出速率同样难以准确确定。这两种原因导致基础周围土体的排水条件难以判别，进而导致基础的抗拔承载力无法准确获取。
目前，尚无基于现场排水条件监测的基础抗拔承载力预警评估方法。如何准确评估全寿命周期内吸力式基础的抗拔承载力，仍是需要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置及其使用方法，以解决上述技术问题的至少一个技术问题。
本发明所采用的技术方案为：
本发明提供了一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，应用于海洋吸力式基础内部土体中包括预警组件和安装组件，所述预警组件包括感应件和拉伸件，所述感应件沿纵向方向间隔设有多个，各所述感应件的下端均连接有所述拉伸件，所述感应件能够通过监测所述拉伸件的拉力变化，以对多段纵向空间内的土体变化进行感应；所述安装组件包括钻头和钻杆，所述钻头连接于所述钻杆的下端，所述钻杆为空心钻杆，内壁形成有安装腔，所述感应件和所述拉伸件分别设于所述安装腔，所述钻杆内壁沿长度方向还设有滑槽，所述感应件设置有滚动槽，所述滑槽和所述滚动槽之间设有滚动体，所述钻杆与所述感应件之间能够进行相对滑动，以使所述钻杆能够沿滑槽移动至与所述感应件相脱离。
作为本发明的一种优选实施方式，所述感应件自上而下至少设有四个，纵向方向上，最上部的所述感应件靠近所述吸力式基础的顶壁设置，中间两个所述感应件分别靠近所述吸力式基础的底端上下设置，最下部的所述感应件设于所述吸力式基础的下方。
作为本发明的一种优选实施方式，所述预警组件还包括支撑件，所述支撑件设于所述感应件的上方，所述支撑件和所述感应件之间通过所述拉伸件进行连接。
作为本发明的一种优选实施方式，所述感应件包括传感器和设于所述传感器外部的第一固定件，所述传感器和所述第一固定件之间设有第一转动件，所述第一固定件能够绕所述第一转动件转动至压缩状态和展开状态，在所述压缩状态，所述第一固定件围绕于所述传感器外壁，所述在所述展开状态，所述第一固定件展开于所述传感器外部。
作为本发明的一种优选实施方式，所述传感器包括圆柱形壳体和设于壳体内的感应元件，所述壳体外壁设有纵向设置的固定槽，所述第一转动件包括设于所述固定槽的转轴和套设于所述转轴的扭转弹簧，所述第一固定件为围绕所述壳体的环形结构，所述第一固定件一端固定于所述扭转弹簧端部，所述第一固定件另一端形成有所述滚动槽，或者，所述第一固定件另一端和所述壳体外壁共同形成有所述滚动槽；在所述压缩状态下，所述感应件位于所述钻杆的安装腔内，所述滚动体压接所述滚动槽，在所述展开状态，所述钻杆与所述感应件相互脱离，所述滚动体从所述滚动槽脱落。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第一固定件包括沿所述壳体直径对称设置的第一伸展翼和第二伸展翼，所述第一伸展翼和第二伸展翼分别包括一对转动方向相反的四分之一弧形翼。
作为本发明的一种优选实施方式，所述钻杆包括内钻杆和外钻杆，所述内钻杆的外径与所述外钻杆的内径相同，所述内钻杆外壁设有外凸部，所述外钻杆内壁设有与所述外凸部相对设置的内凹部，所述内钻杆形成所述安装腔，或者，所述内钻杆外壁设有外凹部，所述外钻杆内壁设有与所述外凹部相对设置的内凸部。
作为本发明的一种优选实施方式，所述钻头包括自上而下设置的连接部和钻进部，所述钻头包括自上而下设置的连接部和钻进部，所述连接部上端通过球铰件与所述拉伸件连接，所述连接部能够与所述外钻杆内壁滑动连接，以使所述外钻杆能够移动至与所述连接部相脱离，所述连接部设有与所述第一固定件、第一转动件结构相同的第二固定件和第二转动件，所述钻进部设于所述外钻杆下部，所述钻进部包括由多个三角形翼板连接形成的尖头状结构。
本发明还提供一种根据前述的海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置的安装使用方法，还包括吸力式基础，使用方法具体如下：
所述预警装置的组装，所述感应件与所述拉伸件连接形成预警组件的连接体，将预警组件的连接体安装于所述钻杆；
所述预警装置的沉贯，将预警装置沉贯至目标海洋土体深度，将钻杆依次逐层提起，释放预警组件，其中，所述目标海洋土体深度大于所述吸力式基础的长度；
所述吸力式基础的沉贯，将所述吸力式基础沉贯至预警装置的周围，所述吸力式基础和所述预警组件同心设置；
所述预警装置和吸力式基础进入服役阶段后，根据所述感应件的拉力变化，判断所述吸力式基础的周围土体条件，以根据不同情况下的周围土体条件，计算所述吸力式基础相应的抗拔承载力。
作为本发明的一种优选实施方式，所述感应件包括自上而下依次设置的第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件和第五感应件，所述第一感应件、第二感应件、第三感应件位于所述吸力式基础内部，所述第四感应件和第五感应件位于所述吸力式基础的下方，所述第三感应件和所述第四感应件纵向方向上靠近所述吸力式基础的底端设置；在所述预警装置和吸力式基础的服役阶段：
所述第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件、第五感应件的拉力数据均不发生改变时，判断所述吸力式基础处于完全排水条件，完全排水条件下，抗拔承载力计算公式为：
Vt＝Wcaisson+Vfo+Vfi；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Vfi为基础内侧壁的摩擦力；
所述第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件、第五感应件的拉力数据均发生变化，或者，所述第一感应件和所述第二感应件中的至少一个的拉力数据不发生变化，其余的感应件均发生变化，判断所述吸力式基础处于部分不排水条件，部分不排水条件下，抗拔承载力计算公式为：
Vt＝Wcaisson+Wsoil+Vfo+Rb；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重，Wsoil为破裂面以上基础内土体的自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Rb为土体破裂面位置处的张力；
所述第四感应件、第五感应件中的至少一个的拉力数据发生变化，其余的感应件均不发生变化，判断所述吸力式基础处于完全不排水条件，完全不排水条件下，抗拔承载力计算公式为Vt＝Wcaisson+Vfo+Ru；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Ru为基础底端的反向承载力。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1.本发明提出了一种海洋吸力式基础抗拔承载力的预警装置，应用于海洋吸力式基础内部土体中，利用不同高度处的感应件检测拉伸件的拉力变化，从而监测基础内部土体破裂面的位置，进而判断吸力式基础的排水条件和破坏模式。本方案的预警装置还能够实现自行安装，利用钻杆和钻头将预警组件沉贯安装于海洋土体中，通过滑槽和滚动体构成的脱离结构，使得钻杆和预警组件能够相互脱离，然后将吸力式基础沉贯安装于预警组件的周围。由于钻杆安装腔内设有拉伸件，根据拉伸件的长度使得感应件沿纵向方向间隔预设的高度沉贯于预设位置处，以用于监测不同高度处的吸力式基础内部土体的变化，从而判断破裂面的位置，以确定不同的排水条件。
2.本发明提供应用于海洋吸力式基础抗拔承载力的预警装置，利用第一固定件将感应件固定于海洋土体指定深度处，第一固定件在压缩状态下，能够嵌入传感器壳体和钻杆之间，当钻杆脱离时，第一固定件在展开状态下，从传感器壳体伸出，刺入周围土体中，从而保证感应件在使用过程中能够保证相对稳定的状态。
3.本发明提供的海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置的使用方法，将预警装置预安装于吸力式基础内部土体中，以便实时检测基础内部土体的破坏模式，从而在复杂海洋环境中直接、准确的判断基础周围土体的排水条件，根据排水条件选择相应公式计算基础的抗拔承载力，可以准确的确定基础抗拔承载力安全系数，在不破坏吸力式基础的前提下，实现了全寿命周期内吸力式基础的抗拔承载力预警评估。而且，基础周围土体的排水条件，由现场监测结果直接确定，而非根据土体参数间接获取，解决了土体参数难以准确确定的难题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的预警装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的压缩状态下感应件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的压缩状态下感应件的俯视图；
图4为本发明实施例提供的展开状态下感应件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的展开状态下感应件的俯视图；
图6为本发明实施例提供的钻杆的俯视图；
图7为本发明实施例提供的安装组件的部分结构示意图；
图8为本发明实施例提供的钻头的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的压缩状态下钻头连接部的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的压缩状态下钻头连接部的俯视图；
图11为本发明实施例提供的展开状态下钻头连接部的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的展开状态下钻头连接部的俯视图；
图13为本发明实施例提供的预警装置的使用方法示意图；
图14为本发明实施例提供的吸力式基础和预警装置的使用状态示意图；
图15为本发明实施例提供的吸力式基础和预警装置的使用状态剖视图。
其中，
1-预警组件；11-感应件；111-滚动槽；112-传感器；1121-壳体；1122-固定槽；113-第一固定件；1131-第一伸展翼；1132-第二伸展翼；114-第一转动件；1141-扭转弹簧；1142-转轴；115-第一感应件；116-第二感应件；117-第三感应件；118-第四感应件；119-第五感应件；12-拉伸件；13-支撑件。
2-安装组件；21-钻头；211-连接部；2111-第二固定件；2112-第二转动件；212-钻进部；2121-翼板；22-钻杆；221-安装腔；222-滑槽；223-内钻杆；2231-外凸部；224-外钻杆；2241-内凹部；225-球铰件；23-滚动体；
3-吸力式基础；
4-海床。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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，除非另有明确的规定和限定，术语“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，还可以是通信；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。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。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。
如图1-图6所示，本发明提供了一种海洋吸力式基础3抗拔承载力预警装置，包括预警组件1和安装组件2，预警组件1包括感应件11和拉伸件12，感应件11沿纵向方向间隔设有多个，多个感应件11之间通过拉伸件12进行串联，感应件11能够通过监测拉伸件12的拉力变化，以对多段纵向空间内的土体变化进行感应。拉伸件12可以选用连接感应件11的连接绳。感应件11包括能够检测拉力变化的拉力传感器。安装组件2包括钻头21和钻杆22，钻头21连接于钻杆22的下端，且最下端的感应件11通过拉伸件12连接钻头21。钻杆22的长度大于吸力式基础3的侧壁长度。钻杆22为空心钻杆22，内壁形成有安装腔221，感应件11和拉伸件12分别设于安装腔221，钻杆22内壁沿长度方向还设有滑槽222，感应件11外壁设有滚动槽111，滑槽222和滚动槽111之间设有滚动体23，感应件11外壁相对设置有滚动槽111，钻杆22与感应件11之间能够进行相对滑动，从而钻杆22能够沿滑槽222移动至与感应件11相脱离。在一个实施方式中，滚动体23选用滚珠，滑槽222为截面为半圆形的凹槽，同时，感应件11开设有半球形滚动槽111，滚动体23嵌合于钻杆22和感应件11之间形成的槽孔内，钻杆22和感应件11之间形成可相对滑动的结构。
本发明提出了一种应用于海洋吸力式基础3抗拔承载力的预警装置，利用不同高度处的感应件11检测拉伸件12的拉力变化，从而监测基础内部土体破裂面的位置，进而判断排水条件、基础的破坏模式。本方案的预警装置还能够实现自行安装，利用钻杆22和钻头21将预警组件1沉贯安装于海洋土体中，通过滑槽222和滚动体23构成的脱离结构，进行脱离钻杆22，使得钻杆22和预警组件1相脱离，然后将吸力式基础3沉贯安装于预警组件1的周围。由于钻杆22安装腔221内设有拉伸件12，拉伸件12的长度限制，使得感应件11沿纵向方向间隔预设的高度沉贯于预设位置处，以用于监测不同高度处的吸力式基础3内部土体的变化，从而判断破裂面的位置，以确定不同的排水条件。
如图13-14所示，感应件11自上而下至少设有四个，纵向方向上，最上部的感应件11靠近吸力式基础3的顶壁设置，中间两个感应件11分别靠近吸力式基础3的底端上下设置，最下部的感应件11设于所述吸力式基础3的下方。
如图1、图13、图14所示，在一个实施方式中，预警组件1还包括支撑件13，支撑件13设于感应件11的上方，支撑件13和感应件11之间通过拉伸件12进行连接。支撑件13优选的采用支撑板，支撑板在预警装置沉贯完成时，置于海床4表面，用于防止感应件11在自重作用下沉陷。其材质应为轻质板材，面积应足够大，密度大于水，在海床4土体表面不发生沉陷且在水中不会漂浮。当预警组件1沉贯于海床4内，钻杆22脱离，感应件11释放于海洋土体中后，将拉伸件12与支撑件13进行连接。当然，也可采用伞状、爪状等结构的支撑件13，以保证感应件11的稳定性。伞状或者爪状支撑件13压缩状态下可嵌入安装腔221内，当预警组件1沉贯于海床4内时，支撑件13进入预设安装位置即海床4表面，当钻杆22脱离，支撑件13展开并支撑于海床4表面。
进一步，如图1-图5所示，感应件11包括传感器112和设于传感器112外部的第一固定件113，通过第一固定件113将传感器112固定于土层指定深度处。传感器112和第一固定件113之间设有第一转动件114，第一固定件113能够绕第一转动件114转动至压缩状态和展开状态，在压缩状态，第一固定件113围绕于传感器112外壁，在展开状态，第一固定件113展开于传感器112外部。
具体的，钻杆22一般为圆柱形，传感器112包括圆柱形壳体1121和设于壳体1121内的感应元件，感应元件采用拉力传感器112112或者拉压传感器112。第一转动件114包括扭转弹簧1141和转轴1142，壳体1121外壁设有纵向设置的固定槽1122，转轴1142插接于固定槽1122，扭转弹簧1141套设于转轴1142。第一固定件113为围绕壳体1121的环形结构，第一固定件113一端通过扭转弹簧1141安装于壳体1121外壁，第一固定件113另一端形成滚动槽111，或者，第一固定件113另一端和壳体1121外壁共同形成滚动槽111；在压缩状态下，感应件11位于钻杆22的安装腔221内，滚动体23压接滚动槽111，在展开状态，钻杆22与感应件11相互脱离，滚动体23从滚动槽111脱落。
具体的，第一固定件113包括沿壳体1121直径对称设置的第一伸展翼1131和第二伸展翼1132，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132分别包括一对转动方向相反的四分之一弧形翼。优选的，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132沿纵向方向至少设有2组，有利于提高稳定性。
为提高传感器112的稳定性，第一固定件113优选的设于壳体1121的上半部分。壳体1121外壁设有能够包裹第一伸展翼1131和第二伸展翼1132的沟槽。滚动体23选用滚珠，滚动槽111为适配滚珠的半球形槽孔。第一伸展翼1131和第二伸展翼1132末端各设有四分之一球形槽，压缩状态下，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132嵌入沟槽内，滚珠向内压接于第一伸展翼1131和第二伸展翼1132的末端形成的滚动槽111，向外顶在钻杆22内壁的滑槽222。展开状态下，钻杆22与感应件11相互脱离时，滚珠从滚动槽111脱落，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132可以自由展开。
在一个实施方式中，第一转动件114还可以包括弹片，壳体1121外壁设有纵向设置的固定槽1122，弹片一端固定于固定槽1122，另一端连接第一固定件113，弹片具有向壳体1121外方向翻折或者卷曲的趋势，从而能够驱动第一固定件113伸展开。
如图1、图6所示，在一个实施方式中，钻杆22包括内钻杆223和外钻杆224，内钻杆223的外径与外钻杆224的内径相同，内钻杆223外壁设有外凸部2231，外钻杆224内壁设有与外凸部2231相对设置的内凹部2241，内钻杆223形成安装腔221。外凸部2231沿内钻杆223外壁长度方向延伸的凸筋，或者外凸部2231为多个凸台，凸台沿内钻杆223外壁长度方向分布，内凹部2241为沿外钻杆224内壁长度方向延伸的凹槽。外凸部2231能够插入内凹部2241，从而进行相互配合。外凸部2231和内凹部2241分别沿内钻杆223和外钻杆224的侧壁均匀分布有四个。在进行钻杆22间的安装时，外凸部2231和内凹部2241进行对接，从而起到安装导向作用。抽离钻杆22时，可以将内钻杆223、外钻杆224依次、逐层向上提起，内钻杆223的提升高度应小于外钻杆224，使得感应件11逐个暴露于土体中。将外钻杆224沿内钻杆223的外凸部2231向上抽离时，内钻杆223能够起到导向作用，然后将内钻杆223沿外钻杆224的内凹部2241向上抽离时，外钻杆224能够起到导向作用，避免设置单一钻杆22时，向上脱离过程中，钻杆22发生倾斜的情况，导致感应件11偏离预设位置，造成拉力数据不准确。
当然，可以理解的是，内钻杆223外壁设有外凹部，外钻杆224内壁设有与外凹部相对设置的内凹部2241，同样也能够使得内钻杆223和外钻杆224进行相互配合。
如图7-图8所示，在一个实施方式中，钻头21包括自上而下设置的连接部211和钻进部212，连接部211和钻进部212固定连接，连接部211连接于外钻杆224内壁，钻头21部伸出于外钻杆224下方。结合图9-图12所示，连接部211设有与第一固定件113、第一转动件114结构相同的第二固定件2111和第二转动件2112。第二固定件2111另一端页能够形成滚动槽111，或者，第二固定件2111另一端和连接部211外壁共同形成滚动槽111。连接部211外径与外钻杆224内径相同，第二固定件2111同样包括沿连接部211直径对称设置的第一伸展翼1131和第二伸展翼1132，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132分别包括一对转动方向相反的四分之一弧形翼。连接部211外壁设有能够包裹第一伸展翼1131和第二伸展翼1132的沟槽，压缩状态下，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132嵌入沟槽内。在一个实施方式中，内钻杆223外壁设有外凸部2231，外钻杆224内壁设有与外凸部2231相对设置的内凹部2241，压缩状态下，滚珠向内顶在滚动槽111、向外顶在外钻杆224的内凹部2241，阻止第一伸展翼1131和第二伸展翼1132伸出；钻杆22脱离时，第一固定件113进入展开状态下，滚珠脱落，第一伸展翼1131和第二伸展翼1132可以自由展开。内钻杆223外凸部2231和外钻杆224内凹部2241沿杆壁均匀分布有四个，连接部211外壁还可以设有外凸部2231，以与其他两个外钻杆224内凹部2241相连接。
进一步，连接部211上端通过球铰件225与拉伸件12连接，避免钻头21钻进过程中，拉伸件12发生拧结。钻进部212设于外钻杆224下方，包括由多个三角形翼板2121连接形成的尖头状结构。
本发明还提供一种根据前述的海洋吸力式基础3抗拔承载力预警装置的安装使用方法，还包括吸力式基础3，结合图13-图15所示，使用方法具体如下：
预警装置的组装，感应件11与拉伸件12连接形成预警组件1的连接体，将预警组件1的连接体安装于钻杆22。通过内钻杆外凸部2231、外钻杆内凹部2241，将内钻杆223、外部钻杆22连接为钻杆22连接体，将感应件11、拉伸件12串联为预警组件1连接体，并将钻头21连接于底部的感应件11，将预警组件1连接体和钻头21自下而上的穿过钻杆22连接体，完成预警装置的组装。
预警装置的沉贯，将预警装置沉贯至目标海洋土体深度，将钻杆22依次逐层提起，释放预警组件1。在吸力式基础3的拟安装位置，将预警装置沉贯至目标沉贯深度，最深处应超过吸力式基础3的侧壁长度；保持内钻杆223位置不变，将外钻杆224向上提起，钻头21上部由压缩状态变为展开状态，第二固定件2111嵌入周围土层。将内钻杆223、外钻杆224依次、逐层向上提起，内钻杆223的提升高度应小于外钻杆224；钻头21产生向下的拉力，将传感器112从内钻杆223中拉出，第一固定件113由压缩状态变为展开状态，伸展翼嵌入周围土层。重复该步骤，将不同深度处的感应件11释放。感应件11全部释放完毕后，将海床4表面的拉伸件12与支撑件13连接。至此，预警装置安装完毕。
吸力式基础3的沉贯，将吸力式基础3沉贯至预警装置的周围，吸力式基础3和预警组件1同心设置。
在一个实施方式中，感应件11包括自上而下依次设置的第一感应件115、第二感应件116、第三感应件117、第四感应件118和第五感应件11911，第一感应件115、第二感应件116、第三感应件117位于吸力式基础3内部，第四感应件118和第五感应件119位于吸力式基础3的下方，第三感应件117和第四感应件118纵向方向上靠近吸力式基础3的底端设置，第一感应件115靠近吸力式基础3的顶端设置。
在所述预警装置和吸力式基础的服役阶段：
第一感应件115、第二感应件116、第三感应件117、第四感应件118、第五感应件119的拉力数据均不发生改变时，判断吸力式基础3处于完全排水条件；吸力式基础3内的土体未发生破坏，仅是基础内、外侧壁与基础可能存在脱离的趋势，应根据完全排水条件下的吸力式基础3抗拔承载力计算公式确定其抗拔承载力。该情况下，计算公式为Vt＝Wcaisson+Vfo+Vfi；其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础3的水下自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Vfi为基础内侧壁的摩擦力。
第一感应件115、第二感应件116、第三感应件117、第四感应件118、第五感应件119的拉力数据均发生变化，或者，第一感应件115和第二感应件116中的至少一个的拉力数据不发生变化，其余的感应件11均发生变化，判断吸力式基础3处于部分不排水条件。土体断裂面位于基础底端以上处、基础底端处的情况，可按照部分排水条件下的吸力式基础3抗拔承载力计算公式确定其抗拔承载力。该情况下，计算公式为Vt＝Wcaisson+Wsoil+Vfo+Rb；其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础3的水下自重，Wsoil为破裂面以上基础内土体的自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Rb为土体破裂面位置处的张力。
第四感应件118、第五感应件119中的至少一个的拉力数据发生变化，其余的感应件11均不发生变化，判断吸力式基础3处于完全不排水条件。土体断裂面位于基础底端以下的情况，可按照完全不排水条件下的吸力式基础3抗拔承载力计算公式确定其抗拔承载力。该情况下，计算公式为Vt＝Wcaisson+Vfo+Ru；其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础3的水下自重,Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Ru为基础底端的反向承载力。
确定抗拔承载力安全系数λ。对于海洋环境中的吸力式基础3，已知基础承受的拉拔荷载为V，再根据本发明监测结果获取基础的抗拔承载力，则可得到抗拔承载力的安全系数为λ＝Vt/V。据此，可判断任意时刻基础的安全系数和抗拔承载力的安全余量，实现基础抗拔承载力的预警评估。
本发明中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，应用于海洋吸力式基础内部土体中，其特征在于，包括预警组件和安装组件，
所述预警组件包括感应件和拉伸件，所述感应件沿纵向方向间隔设有多个，多个所述感应件之间通过所述拉伸件进行串联，所述感应件能够通过监测所述拉伸件的拉力变化，以对多段纵向空间内的土体变化进行感应；
所述安装组件包括钻头和钻杆，所述钻头连接于所述钻杆的下端，所述钻杆为空心钻杆，内壁形成有安装腔，所述感应件和所述拉伸件分别设于所述安装腔，所述钻杆内壁沿长度方向还设有滑槽，所述感应件设置有滚动槽，所述滑槽和所述滚动槽之间设有滚动体，所述钻杆与所述感应件之间能够进行相对滑动，以使所述钻杆能够沿滑槽移动至与所述感应件相脱离。
2.根据权利要求1所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述感应件自上而下至少设有四个，纵向方向上，最上部的所述感应件靠近所述吸力式基础的顶壁设置，中间两个所述感应件分别靠近所述吸力式基础的底端上下设置，最下部的所述感应件设于所述吸力式基础的下方。
3.根据权利要求1所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述预警组件还包括支撑件，所述支撑件设于所述感应件的上方，所述支撑件和所述感应件之间能够通过所述拉伸件进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述感应件包括传感器和设于所述传感器外部的第一固定件，所述传感器和所述第一固定件之间设有第一转动件，所述第一固定件能够绕所述第一转动件转动至压缩状态和展开状态，在所述压缩状态，所述第一固定件围绕于所述传感器外壁，在所述展开状态，所述第一固定件展开于所述传感器外部。
5.根据权利要求4所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述传感器包括圆柱形壳体和设于壳体内的感应元件，所述壳体外壁设有纵向设置的固定槽，所述第一转动件包括设于所述固定槽的转轴和套设于所述转轴的扭转弹簧，所述第一固定件为围绕所述壳体的环形结构，所述第一固定件一端固定于所述扭转弹簧端部，所述第一固定件另一端形成有所述滚动槽，或者，所述第一固定件另一端和所述壳体外壁共同形成有所述滚动槽；
在所述压缩状态下，所述感应件位于所述钻杆的安装腔内，所述滚动体压接于所述滚动槽，在所述展开状态，所述钻杆与所述感应件相脱离，所述滚动体从所述滚动槽脱落。
6.根据权利要求5所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述第一固定件包括沿所述壳体直径对称设置的第一伸展翼和第二伸展翼，所述第一伸展翼和第二伸展翼分别包括一对转动方向相反的四分之一弧形翼。
7.根据权利要求4所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述钻杆包括内钻杆和外钻杆，所述内钻杆形成所述安装腔，所述内钻杆的外径与所述外钻杆的内径相同，所述内钻杆外壁设有外凸部，所述外钻杆内壁设有与所述外凸部相对设置的内凹部，或者，所述内钻杆外壁设有外凹部，所述外钻杆内壁设有与所述外凹部相对设置的内凸部。
8.根据权利要求7所述的一种海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置，其特征在于，所述钻头包括自上而下设置的连接部和钻进部，所述连接部上端通过球铰件与所述拉伸件连接，所述连接部能够与所述外钻杆内壁滑动连接，以使所述外钻杆能够移动至与所述连接部相脱离，所述连接部设有与所述第一固定件、第一转动件结构相同的第二固定件和第二转动件，所述钻进部设于所述外钻杆下部，所述钻进部包括由多个三角形翼板连接形成的尖头状结构。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置的使用方法，其特征在于，还包括吸力式基础，使用方法具体如下：
所述预警装置的组装，所述感应件与所述拉伸件连接形成预警组件的连接体，将预警组件的连接体安装于所述钻杆；
所述预警装置的沉贯，将预警装置沉贯至目标海洋土体深度，将钻杆依次逐层提起，释放预警组件，其中，所述目标海洋土体深度大于所述吸力式基础的长度；
所述吸力式基础的沉贯，将所述吸力式基础沉贯至预警装置的周围，所述吸力式基础和所述预警组件同心设置；所述预警装置和吸力式基础进入服役阶段后，根据所述感应件的拉力变化，判断所述吸力式基础的周围土体条件，以根据不同情况下的周围土体条件，计算所述吸力式基础相应的抗拔承载力。
10.根据权利要求9所述的海洋吸力式基础抗拔承载力预警装置的使用方法，其特征在于，所述感应件包括自上而下依次设置的第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件和第五感应件，所述第一感应件、第二感应件、第三感应件位于所述吸力式基础内部，所述第四感应件和第五感应件位于所述吸力式基础的下方，所述第三感应件和所述第四感应件纵向方向上靠近所述吸力式基础的底端设置；在所述预警装置和吸力式基础的服役阶段：
所述第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件、第五感应件的拉力数据均不发生改变时，判断所述吸力式基础处于完全排水条件，完全排水条件下，抗拔承载力计算公式为：
Vt＝Wcaisson+Vfo+Vfi；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Vfi为基础内侧壁的摩擦力；
所述第一感应件、第二感应件、第三感应件、第四感应件、第五感应件的拉力数据均发生变化，或者，所述第一感应件和所述第二感应件中的至少一个的拉力数据不发生变化，其余的感应件均发生变化，判断所述吸力式基础处于部分不排水条件，部分不排水条件下，抗拔承载力计算公式为：
Vt＝Wcaisson+Wsoil+Vfo+Rb；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重，Wsoil为破裂面以上基础内土体的自重，Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Rb为土体破裂面位置处的张力；
所述第四感应件、第五感应件中的至少一个的拉力数据发生变化，其余的感应件均不发生变化，判断所述吸力式基础处于完全不排水条件，完全不排水条件下，抗拔承载力计算公式为：
Vt＝Wcaisson+Vfo+Ru；
其中，Vt为抗拔承载力，Wcaisson为吸力式基础的水下自重,Vfo为基础外侧壁的摩擦力，Ru为基础底端的反向承载力。
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