CN202767121U - 导管架平台桩土作用模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种导管架平台桩土作用模型试验装置，设有试验水池、试验模型、伺服加载装置、加载反力架、检测装置、数据采集装置，其中，试验模型预埋于试验水池的土体中，滑轨总成固定于试验水池的边缘，加载反力架固定于滑轨总成上，伺服加载装置安装在加载反力架上，对试验模型施加载荷，检测装置一端安装在试验水池内，另一端与被测桩体固定；数据采集装置通过信号发生装置与受力桩体相连。本实用新型可以模拟多种海洋环境荷载，精确控制试验的加载条件；通过对导管架平台相似模型施加作用力，准确的模拟实际工程中导管架平台的桩-土作用，并根据试验结果有针对性的改善导管架平台桩基基础，提高了导管架平台使用寿命，进一步保证平台安全性、可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及试验装置，尤其涉及一种用于导管架平台桩土作用模型试验装置，属于海洋工程技术领域。
背景技术
在进行海洋固定结构物的桩基研究时，除了少数在原型结构上进行的检验性试验以外，一般的研究性试验都是模型试验。海洋石油钻井平台不同于大型机械厂房、桥梁支柱以及高压输电塔等高、大、深、重建构筑物，平台所承受的荷载不再仅局限于静载，还要承受巨大的风暴荷载、波浪荷载、冰载荷以及风荷载等动荷载的作用，其受力往往具有如下特点：
(1)循环荷载频率较低；
(2)基桩循环位移幅值大。
导管架平台在长期经受波浪、海风、冰等环境荷载的作用下，致使平台桩与桩基土体产生相互作用力。平台桩与桩基土体产生相互作用力后，会使土体强度减弱，进而导致平台桩基松动，影响整体平台结构安全。因此，在进行桩基承载力设计及平台服役期的平台安全评估中，除应符合规范中有关静力荷载的要求之外，有必要考虑动载效应；另一方面，平台长期受动载荷作用产生桩基弱化后，会导致平台的固有频率发生变化，这对平台工作人员的正常生产工作会产生重要影响。所以，研究动载荷作用后平台模型或者单桩模型的固有频率变化有重要意义。
在进行桩基研究中，由于群桩或者单桩试验花费巨大，且因为场地限制等原因很难在原位进行试验，在这种情况下，模型试验是一种行之有效的方法。桩的模型试验是建立与原型具有相似规律的模型基础上，并借助一些仪器和设备，按照相似规律控制试验条件，研究桩在特定的受力条件下的反应，进而分析桩土的受力情况。它不仅为安全可靠性分析研究提供试验数据和试验论证，而且，可以为工程设计提供依据进而指导工程实践。
目前，国内外的相关研究多是基于模拟地震振动的桩-土作用研究，尚未见到相关环境荷载作用下，导管架平台桩与桩基土体相互作用的研究文献。一般情况下，可进行单桩的桩-土相互作用试验，但，此种试验与导管架平台桩与桩基土体相互作用偏差较大，而且，由于动力研究所用的加载设备在控制精度和长期稳定性上稍显不足，一般很少涉及到研究桩体受到动载荷作用后的土的强度弱化情况以及土压力和孔隙水压变化。因此，在一定理论分析的基础上，模拟海底工况，建立合理的试验方法和装置，结合试验研究导管架平台桩-土作用对于平台安全、可靠的开采深水油气具有非常重要的意义。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种导管架平台桩土作用模型试验装置，其可以模拟多种海洋环境荷载，精确控制试验的加载条件，实现模型桩水平承载力和竖直承载力试验，并得到精度较高的测量结果；且通过对导管架平台相似模型施加作用力，能够更全面、准确地分析桩-土作用关系；同时，能够准确的模拟实际工程中导管架平台的桩-土作用，了解平台在动载荷下的桩基弱化情况，并根据试验结果有针对性的改善导管架平台桩基基础，以达到提高导管架平台使用寿命和进一步保证平台安全性、可靠性目的。
本实用新型的目的是由以下技术方案实现的：
一种导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：设有试验水池、试验模型、伺服加载装置、加载反力架、滑轨总成、检测装置、数据采集装置，其中，试验模型预埋于试验水池的土体中，滑轨固定于试验水池的边缘，加载反力架固定于滑轨总成上，且伺服加载装置安装在加载反力架上，对试验模型施加载荷，检测装置一端安装在试验水池内，另一端与被测桩体固定；数据采集装置通过信号发生装置与受力桩体相连，通过上述连接构成一导管架平台桩土作用模型试验结构。
所述试验水池为方形钢筋混凝土结构，试验水池中的水池回填物从下到上依次为碎石层、粗砂层、砂土层及水。
所述试验模型为：导管架平台模型及单桩模型；且模型在预埋时，任意两根桩体间距均大于5倍桩径。
所述伺服加载装置为作动器；伺服加载装置上通过法兰和销轴连接有三脚架，三脚架的两端安装有用于与桩身连接卡套。
所述检测装置包括：孔隙水压力计、应变式土压力盒、电阻应变片、位移传感器、加速度传感器，其中，孔隙水压计平行于导管架平台模型的桩身轴线埋设，与桩距离为2倍桩径；土压力盒固定于桩身单侧，间距为2倍桩径；电阻应变片沿桩身外径对称布设，间距为1倍桩径；位移传感器一端固定于试验水池内壁上，另一端与被测桩体固定。
所述加载反力架为：空间梁结构，主要包括：主立柱及水平和竖直斜撑，设在反力架的下部U型滑槽上设有数个用以与伺服加载装置的前端球铰及加载连接结构法兰连接定位孔；主立柱上也设有数个用以调节伺服加载装置的加载位置螺栓孔。
滑轨总成包括：两条相对放置滑道、滑道采用H型钢结构，滑轨上翼缘处设有数个用于加载反力架水平定位的螺栓孔，两条相对放置滑道之间安装有数个斜撑。
本实用新型的有益效果：
1.可以模拟海洋平台所受到的复杂的动态环境载荷，如：冰载荷、波浪载荷、风载荷等，通过伺服加载系统可以在竖直方向和水平方向对模型施加静态及长期动态载荷，能够更全面、准确地分析桩-土作用关系；
2.可以用于研究桩体在动态载荷作用后土体的弱化情况，进而研究桩基的水平和竖直承载力变化情况；并利用结构模态测试装置可以研究在长期动载荷下平台的基频变化规律及平台的动力特性，这对海洋固定平台的正常作业意义重大；
3.通过竖向加载可以模拟海底管道与土的相互作用；
4.水池缘口高出地面一定距离，通过改造，可以扩充冲刷试验设施。
附图说明：
图1为本实用新型整体结构示意图。
图2为本实用新型试验水池剖示示意图。
图3为本实用新型加载反力架与伺服加载装置连接示意图。
图4为本实用新型加载试验示意图。
图中主要标号说明：
1.试验水池、2.单桩模型、3.平台模型、4.加载连接结构、4.1桩身卡套、4.2三角架、4.3连接法兰、4.4销轴、5.伺服加载装置、6.加载反力架、6.1立柱、6.2基座法兰、6.3销轴、6.4 U型滑槽、7.滑轨总成、7.1滑道、7.2螺栓孔、7.3斜撑、8.注水排水装置、8.1注水井、8.2排水井、8.3渗水孔、8.4注水管道、9.水池回填物、9.1饱和砂土层、9.2、粗砂层、9.3碎石层、9.4水、10.检测装置、10.1孔隙水压力计、10.2应变式土压力盒、10.3电阻应变片、10.4位移传感器、10.5加速度传感器，11.数据采集装置。
具体实施方式
如图1—图4所示，本实用新型设有：试验水池1、试验模型、加载连接结构4、伺服加载装置5、加载反力架6、滑轨7、检测装置10、数据采集装置11，其中，试验模型预埋于试验水池1的土体中，滑轨总成7用地脚螺栓固定于试验水池1的边缘，加载反力架6用螺栓固定于滑轨总成7上，且伺服加载装置5安装在加载反力架6上，本实施例：伺服加载装置5水平方向定位时，其一端的底座以销轴6.3连接于加载反力架6上，而另一端则通过加载连接结构4与加载桩身连接；竖向定位时，其一端的底座也是用销轴6.3定位在加载反力架6上，加载缸体前端用螺栓固定于加载反力架6的立柱6.1上，对试验模型施加载荷；伺服加载装置5上通过法兰4.3和销轴4.4连接有三脚架4.2，三脚架4.2的两端安装有用于与桩身连接卡套4.1；检测装置10一端安装在试验水池1上，另一端与被测桩体固定；数据采集装置11通过信号发生装置与受力桩体相连，测得试验数据，通过上述连接构成一导管架平台桩土作用模型试验结构。
上述试验水池1为方形钢筋混凝土结构，试验水池1中的水池回填物9从下到上依次为碎石层9.3、粗砂层9.2、砂土层9.1及水9.4。
试验水池1上设有一注水排水装置8，注水排水装置8包括：注水井8.1、排水井8.2、渗水孔8. 3、注水管道8.4、注水开关8.5，其中，注水井8.1和排水井8.2设在试验水池1的对角上，注水管道8.4通过注水井8.5布设并连接于试验水池1底层，从下部注水可以使土体最大限度达到饱和，用以模拟真实的海底桩基基础环境，同时，可以准确的研究现实海洋环境载荷引起的导管架平台的桩-土作用关系；在试验水池1底层分为数个支路进行注水，通过注水开关8.5控制注水量，试验水池1中的水可以通过渗水孔8.3流入排水井8.2中，以方便随时排水控制试验水池1中的水位。
试验模型为：导管架平台模型3及单桩模型2，不同管径的单桩模型2和导管架平台模型3预埋于试验水池1的土体中，预埋时，要保证任意两根桩体间距均大于5倍桩径；同时，按照相似定理设置导管架平台模型3，导管架平台模型3与导管架原型物理性能、力学性能相似，用于研究导管架平台在动载荷作用下的动态特性及桩基础变化。
导管架平台模型3的主桩腿埋入到试验水池1饱和的土体9.1内，当导管架平台模型3受到外部载荷时，桩腿与土体会产生桩-土作用。
如图3所示，滑轨总成7设置在试验水池1的一侧，滑轨总成7包括：两条相对放置滑道7.1、滑道7.1固定于试验水池1边缘，滑道7.1使用H型钢，其下翼缘处打孔后，用地脚螺栓固定于试验水池1边缘，上翼缘处设有数个用于加载反力架6水平定位的螺栓孔7.2，两条相对放置滑道7.1之间安装有数个斜撑7.3，用于增加滑轨总成7的刚度。
加载反力架6采用H钢和方钢焊接成空间梁结构，主要包括：主立柱6.1及水平和竖直斜撑，设在反力架6的下部U型滑槽6.4上设有数个用于水平定位的腰形孔，可以精确调节其在滑道7.1上的左右位置，以方便位于伺服加载装置5的前端球铰及加载连接结构法兰4.2的连接。主立柱6.1上也设有数个螺栓孔，可以通过调节基座法兰6.2的高度来调节伺服加载装置5的加载位置，以模拟出不同的环境载荷。
伺服加载装置5安装于加载反力架6上，基座法兰6.2有腰型孔与设在主立柱6.1上的螺栓孔相配合以固定基座法兰6.2。伺服加载装置5前端的球铰连接于法兰6.3，用于给导管架平台模型3施加载荷。本实施例：伺服加载装置5为作动器。
如图4所示，本发明的试验原理：本发明通过伺服加载装置5模拟海洋波浪、海风、冰载等海洋环境载荷，对导管架平台模型3或单桩模型2施加作用力。
检测装置10安装在试验水池1上，检测装置10包括：孔隙水压力计10.1、应变式土压力盒10.2、电阻应变片10.3、位移传感器10.4、加速度传感器10.5，其中，孔隙水压计10.1平行于导管架平台模型3的桩身轴线埋设，与桩距离为2倍桩径；土压力盒10.2固定于桩身单侧，间距为2倍桩径；电阻应变片10.3沿桩身外径对称布设，间距为1倍桩径；位移传感器10.4一端用膨胀螺栓固定于试验水池1内壁上，另一端与被测桩体固定。
试验时，利用电阻应变片10.3测得桩的弯矩数据，位移传感器10.4测得静动载荷下的桩-土相互作用时桩的移动位移，土压力盒10.2测得静动载荷下的桩-土相互作用时的土抗力数据，加速度传感器10.5测得导管架平台模型3在动载荷作用下的加速度数据等，最后处理试验数据，并用P-Y曲线法进行数值分析，验证桩-土耦合模型，分析桩基的水平和竖直承载力及其变化，进而研究平台结构安全性变化规律。
数据采集装置、信号发生装置、作动器、电阻应变片、应变式土压力盒、传感器、压力计为现有技术。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：设有试验水池、试验模型、伺服加载装置、加载反力架、滑轨总成、检测装置、数据采集装置，其中，试验模型预埋于试验水池的土体中，滑轨固定于试验水池的边缘，加载反力架固定于滑轨总成上，且伺服加载装置安装在加载反力架上，对试验模型施加载荷，检测装置一端安装在试验水池内，另一端与被测桩体固定；数据采集装置通过信号发生装置与受力桩体相连，通过上述连接构成一导管架平台桩土作用模型试验结构。
2.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：所述试验水池为方形钢筋混凝土结构，试验水池中的水池回填物从下到上依次为碎石层、粗砂层、砂土层及水。
3.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：所述试验模型为：导管架平台模型及单桩模型；且模型在预埋时，任意两根桩体间距均大于5倍桩径。
4.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：所述伺服加载装置为作动器；伺服加载装置上通过法兰和销轴连接有三脚架，三脚架的两端安装有用于与桩身连接卡套。
5.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：所述检测装置包括：孔隙水压力计、应变式土压力盒、电阻应变片、位移传感器、加速度传感器，其中，孔隙水压计平行于导管架平台模型的桩身轴线埋设，与桩距离为2倍桩径；土压力盒固定于桩身单侧，间距为2倍桩径；电阻应变片沿桩身外径对称布设，间距为1倍桩径；位移传感器一端固定于试验水池内壁上，另一端与被测桩体固定。
6.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：所述加载反力架为：空间梁结构，主要包括：主立柱及水平和竖直斜撑，设在反力架的下部U型滑槽上设有数个用以与伺服加载装置的前端球铰及加载连接结构法兰连接定位孔；主立柱上也设有数个用以调节伺服加载装置的加载位置螺栓孔。
7.根据权利要求1所述的导管架平台桩土作用模型试验装置，其特征在于：滑轨总成包括：两条相对放置滑道、滑道采用H型钢结构，滑轨上翼缘处设有数个用于加载反力架水平定位的螺栓孔，两条相对放置滑道之间安装有数个斜撑。
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