CN208346875U - 海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，包括模型槽、桩靴加载和定位模块、桩基加载和固定模块及加载控制和测量模块；模型槽上设导轨，位于模型槽上的导轨上设桩靴加载和定位模块；桩基加载和固定模块位于模型槽上方且与桩靴加载和定位模块下部的横向工字钢连接；加载控制和测量模块设在模型槽外部，包括加载控制平台和数据采集平台，加载控制平台和数据采集平台通过传输线与桩靴加载和定位模块和桩基加载和固定模块相连，实现对桩靴加载和定位模块及桩基加载和固定模块的控制；可对插拔桩过程中桩身应变及临近受影响桩基的竖向、水平向承载力测定，达到揭示桩靴插拔对邻近桩基承载力影响而指导工程的目的。

Description

海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置

技术领域

本实用新型涉及海洋工程技术设备，尤其涉及一种模拟海上自升式钻井平台桩靴贯入拔出后，可以对插拔桩过程中的桩身应变及临近受影响桩基的竖向、水平向承载力进行测定的海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置。

背景技术

随着近年来陆上石油及天然气开采逐渐饱和或开采成本过高，开发海上油气资源已形成必然的趋势。目前海上自升式钻井平台或钻井船是海洋石油开发的主要载体，主要结构包括上部结构、桩腿和桩靴。一般采用三桩腿形式的独立桩靴基础，可以在海床土体中对上部平台起到支撑和抗倾覆作用。其与传统桩基础平台相比入泥深度更小，且在相同的入泥深度下可以获得更大的承载力和更好的稳定性。

但是自升式钻井平台(船)钻修井作业时，通常附近会存在既有的导管架平台或井口平台。由于目前平台桩靴的直径范围一般在6至20m之间，属于超大直径结构。故桩靴贯入过程会向下方和四周方向产生较大的挤排土作用，且拔出过程存在二次挤土与排土作用过程。因此海上自升式钻井平台插拔桩过程不可避免地对周围固定平台的桩基产生不利影响，严重时可能会导致周围固定平台发生倾斜甚至倾覆，造成严重的工程事故。

因此有必要对桩靴插拔对临近桩基产生的影响进行分析评价，主要探究桩靴插拔过程中临近桩基桩身的轴力和水平向弯矩变化，以及插拔桩后受影响桩基的水平向和竖向承载力变化，并与未受影响桩进行对比。

中国专利CN201510603269.3公开了一种模拟自升式钻井平台插桩时桩腿土压力的测量装置，其特点是通过水平土压力计固定单元、竖直土压力计固定单元、土压力计和数据采集处理系统，测量和检测插桩过程中桩腿周围土压力的数据。

中国专利CN201020648786.5公开了一种海上自升式钻井平台插桩、拔桩自动控制装置，其特点是将测量的插桩及拔桩过程中的数据传递到计算机监测控制系统进行处理，自动判定插桩过程中桩的承载力是否达到桩的最大预压载力、拔桩过程中是否需要冲桩及桩是否已完全拔出，并据此控制压载泵开关、冲桩阀及拔桩作业控制开关，实现海上自升式钻井平台插桩及拔桩自动控制。

目前现有的试验装置基本只模拟了海上自升式钻井平台的插拔桩过程，对于插拔桩对临近桩基的影响研究甚少。因此模拟海洋自升式钻井平台插拔对临近桩基产生的影响进行分析评价，对于临近平台和钻井平台自身的安全性评价都有着重要意义。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其包括桩靴加载和定位模块、桩基加载和固定模块、以及加载控制和测量模块，可以对插拔桩过程中的桩身应变及临近受影响桩基的竖向、水平向承载力进行测定，达到揭示桩靴插拔对邻近桩基承载力影响，为今后工程问题提供指导的目的。

本实用新型的目的是由以下技术方案实现的。

本实用新型海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其特征在于，主要包括模型槽、桩靴加载和定位模块、桩基加载和固定模块以及加载控制和测量模块；该模型槽上布置导轨，位于模型槽上的导轨上架设桩靴加载和定位模块；桩基加载和固定模块位于模型槽上方且通过螺接方式与桩靴加载和定位模块下部的横向工字钢连接；加载控制和测量模块设置在模型槽外部，其包括加载控制平台和数据采集平台，该加载控制平台和数据采集平台分别通过信号传输线与桩靴加载和定位模块和桩基加载和固定模块相连，实现对桩靴加载和定位模块以及桩基加载和固定模块的控制。

前述的海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其中，所述桩靴加载和定位模块包括伺服驱动器、伺服电机、行星减速机、电动缸、纵向工字钢、纵向滑动导轨、纵向导轨滑块、横向工字钢、横向滑动导轨、横向导轨滑块以及固定翼板；所述模型槽为中空方形立方体，该模型槽顶面设有两个开口，且顶面长度方向的相对两侧分别设有一个纵向工字钢，该两个纵向工字钢的顶面分别安装一个纵向滑动导轨；该两个纵向滑动导轨上分别设有两个对称的纵向导轨滑块，分别位于两个纵向滑动导轨上对称设置的两个纵向导轨滑块上分别设有一个横向工字钢，该两个横向工字钢上分别设有一个横向滑动导轨，该两个横向滑动导轨上分别设有一个横向导轨滑块；该横向导轨滑块上设置固定翼板，该固定翼板上固定电动缸，电动缸上方设置伺服驱动器，电动缸的驱动轴与伺服驱动器的轴心连接；该伺服驱动器上方设置行星减速机，伺服驱动器与行星减速机通过轴心连接；该行星减速机上方设置伺服电机，行星减速机与伺服电机通过轴心连接；通过电动缸与伺服驱动器的集成而将伺服电机的旋转运动转换成电动缸推杆的直线运动；当伺服电机加载时，反作用力通过横向导轨滑块施加在位于横向导轨滑块下方的横向工字钢上；伺服电机转子转速受脉冲信号控制，可把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，实现恒定速度、恒定载荷、可变载荷的竖向加载模式；桩靴加载装置的加载幅值为0至50kN、竖向运动幅值0至60cm、最小加载速率为0.1mm/s；

所述桩基加载和固定模块包括桩基竖向加载电机、桩基水平向加载电机、桩头固定装置、模型桩以及加载设备连接板；桩基竖向加载电机和桩基水平向加载电机分别设置在加载设备连接板两侧；两个桩头固定装置分别设置在桩基竖向加载电机和桩基水平向加载电机上，桩基水平向加载电机通过驱动桩头固定装置进行加载；桩头固定装置的固定套环与模型桩顶部相连；该加载设备连接板与桩靴加载和定位模块下部的横向工字钢螺接；试验分为桩基水平承载力测定阶段和桩基竖向承载力测定阶段，桩基竖向加载电机加载幅值为0至1kN，最小加载精度为10N，在桩头顶部施加分级荷载条件下的竖向加载，以测定受影响桩的竖向极限承载力；桩基水平向加载电机加载幅值为0至0.8kN,最小加载精度为10N，在桩头位置处施加分级荷载条件下的水平向加载，以测定受影响桩的水平极限承载力；

所述加载控制和测量模块包括两个压力传感器、两个位移传感器、一个加载控制器、动态数据采集仪和计算机；两个压力传感器分别设置在桩基竖向加载电机和桩基水平向加载电机内部的电动缸中，并分别与电动缸的缸芯通过法兰连接，用于测量加载过程中阻力的大小；两个位移传感器分别设置在桩基竖向加载电机和桩基水平向加载电机的加载杆外侧，用于测量加载过程中的行程；加载控制器位于模型槽外部，通过信号传输线分别与桩靴加载和定位模块、桩基加载和固定模块相连，从而实现对加载控制和测量模块的控制；动态数据采集仪通过信号传输线一端与两个压力传感器和两个位移传感器串连，另一端与计算机相连；动态数据采集仪采集两个压力传感器和两个位移传感器的信号变化后，将数据输出到计算机中，即可读取试验的数据结果。

前述的海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其中，所述固定翼板为两块相同的一侧具有斜边的五边形板体，该两块五边形板体板面分别与横向导轨滑块呈垂直状，两块五边形板体与斜边相近的一条长边分别与横向导轨滑块固定，且两块五边形板体与斜边相对的一条直线边分别与电动缸固定；所述桩头固定装置是由一根圆形钢管两端分别焊接一个钢质圆形底座和一个钢质圆形套环构成；两个桩头固定装置的底座分别与桩基竖向加载电机和桩基水平向加载电机的底部焊接固定，套环分别与两个模型桩顶部装配固定；所述加载设备连接板为两块板面具有螺纹孔的矩形板体并靠一体构成，该桩基竖向加载电机、桩基水平向加载电机底面分别通过螺栓与加载设备连接板两块板面的螺接孔螺接固定；所述模型槽是为水泥材质的中空形立方体。

本实用新型海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置的有益效果是，该装置桩靴加载和定位模块可以在水平范围内自由移动以确定插拔桩靴位置；同时桩靴加载位置确定后，模型桩位置可自由移动以调整其与桩靴之间的间距；为了模拟海上临近平台的实际工况，本装置采用桩头固定装置以约束模型桩桩头的水平向自由度。在平台桩靴贯入和拔出过程中，对临近受影响桩的竖向轴力和水平向弯矩进行测定。待平台插拔桩结束后，对受影响桩的竖向和水平向承载力进行测定，并与未受影响桩基进行对比。

附图说明

图1为本实用新型桩靴加载和定位模块和模型槽结构示意图。

图2为本实用新型桩基加载和固定模块结构示意图。

图3为本实用新型整体结构示意图。

图中主要标号说明：1桩靴加载和定位模块、12伺服驱动器、13伺服电机、14行星减速机、15电动缸、16纵向工字钢、161纵向滑动导轨、162纵向导轨滑块、17横向工字钢、171横向滑动导轨、172横向导轨滑块、18固定翼板、2桩基加载和固定模块、20桩基竖向加载电机、21桩基水平向加载电机、22桩头固定装置、23模型桩、24加载设备连接板；3加载控制和测量模块、31压力传感器、32位移传感器、33加载控制器、34动态数据采集仪、35计算机、4模型槽。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本实用新型海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其主要包括模型槽4、桩靴加载和定位模块1、桩基加载和固定模块2以及加载控制和测量模块3；该模型槽上布置导轨，位于模型槽上的导轨上架设桩靴加载和定位模块1；桩基加载和固定模块2位于模型槽4上方且通过螺接方式与桩靴加载和定位模块1下部的横向工字钢17连接；加载控制和测量模块3设置在模型槽4外部，其包括加载控制平台和数据采集平台，该加载控制平台和数据采集平台分别通过信号传输线与桩靴加载和定位模块1和桩基加载和固定模块2相连，实现对桩靴加载和定位模块1以及桩基加载和固定模块2的控制。

如图1、图2、图3所示，本实用新型海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其中，

所述桩靴加载和定位模块1包括伺服驱动器12、伺服电机13、行星减速机14、电动缸15、纵向工字钢16、纵向滑动导轨161、纵向导轨滑块162、横向工字钢17、横向滑动导轨171、横向导轨滑块172以及固定翼板18；该模型槽4为中空方形立方体，该模型槽4顶面设有两个开口，且顶面长度方向的相对两侧分别设有一个纵向工字钢16，该两个纵向工字钢16的顶面分别安装一个纵向滑动导轨161；该两个纵向滑动导轨161上分别设有两个对称的纵向导轨滑块162，分别位于两个纵向滑动导轨161上对称设置的两个纵向导轨滑块162上分别设有一个横向工字钢17，该两个横向工字钢17上分别设有一个横向滑动导轨171，该两个横向滑动导轨171上分别设有一个横向导轨滑块172；该横向导轨滑块172上设置固定翼板18，该固定翼板18上固定电动缸15，电动缸15上方设置伺服驱动器12，电动缸15的驱动轴与伺服驱动器12的轴心连接；该伺服驱动器12上方设置行星减速机14，伺服驱动器12与行星减速机14通过轴心连接；该行星减速机14上方设置伺服电机13，行星减速机14与伺服电机13通过轴心连接；通过电动缸15与伺服驱动器12的集成而将伺服电机13的旋转运动转换成电动缸推杆的直线运动；当伺服电机加载时，反作用力通过横向导轨滑块172施加在位于横向导轨滑块172下方的横向工字钢17上；伺服电机转子转速受脉冲信号控制，可把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，实现恒定速度、恒定载荷、可变载荷的竖向加载模式；桩靴加载装置的加载幅值为0至50kN、竖向运动幅值0至60cm、最小加载速率为0.1mm/s；

所述桩基加载和固定模块2包括桩基竖向加载电机20、桩基水平向加载电机21、桩头固定装置22、模型桩23以及加载设备连接板24；桩基竖向加载电机20和桩基水平向加载电机21分别设置在加载设备连接板24两侧；两个桩头固定装置22分别设置在桩基竖向加载电机20和桩基水平向加载电机21上，桩基水平向加载电机21通过驱动桩头固定装置22进行加载；桩头固定装置22的固定套环与模型桩23顶部相连；该加载设备连接板24与桩靴加载和定位模块1下部的横向工字钢17螺接；试验分为桩基水平承载力测定阶段和桩基竖向承载力测定阶段，桩基竖向加载电机20加载幅值为0至1kN，最小加载精度为10N，在桩头顶部施加分级荷载条件下的竖向加载，以测定受影响桩的竖向极限承载力；桩基水平向加载电机21加载幅值为0至0.8kN,最小加载精度为10N，在桩头位置处施加分级荷载条件下的水平向加载，以测定受影响桩的水平极限承载力；

所述加载控制和测量模块3包括两个压力传感器31、两个位移传感器32、一个加载控制器33、动态数据采集仪34和计算机35；两个压力传感器31分别设置在桩基竖向加载电机20和桩基水平向加载电机21内部的电动缸中，并分别与电动缸的缸芯通过法兰连接，用于测量加载过程中阻力的大小；两个位移传感器32分别设置在桩基竖向加载电机20和桩基水平向加载电机21的加载杆外侧，用于测量加载过程中的行程；加载控制器33位于模型槽4外部，通过信号传输线分别与桩靴加载和定位模块1、桩基加载和固定模块2相连，从而实现对加载控制和测量模块的控制；动态数据采集仪34通过信号传输线一端与两个压力传感器31和两个位移传感器32串连，另一端与计算机35相连；动态数据采集仪34采集两个压力传感器31和两个位移传感器32的信号变化后，将数据输出到计算机中，即可读取试验的数据结果。

所述固定翼板18为两块相同的一侧具有斜边的五边形板体，该两块五边形板体板面分别与横向导轨滑块呈垂直状，两块五边形板体与斜边相近的一条长边分别与横向导轨滑块172固定，且两块五边形板体与斜边相对的一条直线边分别与电动缸15固定；所述桩头固定装置22是由一根圆形钢管两端分别焊接一个钢质圆形底座和一个钢质圆形套环构成；两个桩头固定装置22的底座分别与桩基竖向加载电机20和桩基水平向加载电机21的底部焊接固定，套环分别与两个模型桩顶部装配固定；所述加载设备连接板24为两块板面具有螺纹孔的矩形板体并靠一体构成，该桩基竖向加载电机20、桩基水平向加载电机21底面分别通过螺栓与加载设备连接板24两块板面的螺接孔螺接固定；所述模型槽4是为水泥材质的中空形立方体。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述：

一、试验准备

(a)试验开始前分别在砂土槽和粘土槽内制备试验需要的土样；

(b)利用滑动导轨对桩靴插桩位置定位后，由固定螺栓锁紧；

(c)按试验要求的桩靴与模型桩间距布置模型桩，并由桩头固定装置(22)约束模型桩(23)桩头的水平位移；

(d)按图3所示连接数据采集仪和计算机等设备，并调试各类传感器及桩身应变片完好，即完成试验前的所有准备工作。

二、试验过程控制与数据采集

(a)通过桩靴加载和定位模块(1)桩靴开始贯入，由数据采集仪(34)和计算机(35)对此时的桩身应变片数值进行采集；

(b)桩靴贯入到预定位置后，荷载减小为最大贯入载荷的一半以模拟实际工作在位情况；

(c)桩靴在预定位置工作2小时后，开始拔出，由动态数据采集仪(34)和计算机(35)对此时的桩身应变片数值进行采集；

(d)桩靴插拔阶段试验完成后，开始进行桩基水平和竖向承载力试验测定阶段。该阶段通过桩基加载和固定模块(2)对模型桩(23)施加荷载。桩基水平承载力试验由桩基水平向加载电机(21)对桩头固定装置(22)施加荷载控制，该阶段测定出模型桩(23)受到的水平荷载和对应位移，得出水平向荷载-位移曲线；桩基竖向承载力试验由桩基竖向加载电机(20)通过对桩头固定装置(22)施加荷载控制，该阶段测定出模型桩(23)受到的竖向荷载和对应位移，得出竖向荷载-位移曲线；完成测试工作。

本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。

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 (3)

1.一种海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其特征在于，主要包括模型槽(4)、桩靴加载和定位模块(1)、桩基加载和固定模块(2)以及加载控制和测量模块(3)；

该模型槽上布置导轨，位于模型槽上的导轨上架设桩靴加载和定位模块(1)；桩基加载和固定模块(2)位于模型槽(4)上方且通过螺接方式与桩靴加载和定位模块(1)下部的横向工字钢(17)连接；加载控制和测量模块(3)设置在模型槽(4)外部，其包括加载控制平台和数据采集平台，该加载控制平台和数据采集平台分别通过信号传输线与桩靴加载和定位模块(1)和桩基加载和固定模块(2)相连，实现对桩靴加载和定位模块(1)以及桩基加载和固定模块(2)的控制。

2.根据权利要求1所述的海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其特征在于，

所述桩靴加载和定位模块(1)包括伺服驱动器(12)、伺服电机(13)、行星减速机(14)、电动缸(15)、纵向工字钢(16)、纵向滑动导轨(161)、纵向导轨滑块(162)、横向工字钢(17)、横向滑动导轨(171)、横向导轨滑块(172)以及固定翼板(18)；

所述模型槽(4)为中空方形立方体，该模型槽(4)顶面设有两个开口，且顶面长度方向的相对两侧分别设有一个纵向工字钢(16)，该两个纵向工字钢(16)的顶面分别安装一个纵向滑动导轨(161)；该两个纵向滑动导轨(161)上分别设有两个对称的纵向导轨滑块(162)，分别位于两个纵向滑动导轨(161)上对称设置的两个纵向导轨滑块(162)上分别设有一个横向工字钢(17)，该两个横向工字钢(17)上分别设有一个横向滑动导轨(171)，该两个横向滑动导轨(171)上分别设有一个横向导轨滑块(172)；

该横向导轨滑块(172)上设置固定翼板(18)，该固定翼板(18)上固定电动缸(15)，电动缸(15)上方设置伺服驱动器(12)，电动缸(15)的驱动轴与伺服驱动器(12)的轴心连接；该伺服驱动器(12)上方设置行星减速机(14)，伺服驱动器(12)与行星减速机(14)通过轴心连接；该行星减速机(14)上方设置伺服电机(13)，行星减速机(14)与伺服电机(13) 通过轴心连接；通过电动缸(15)与伺服驱动器(12)的集成而将伺服电机(13)的旋转运动转换成电动缸推杆的直线运动；

所述桩基加载和固定模块(2)包括桩基竖向加载电机(20)、桩基水平向加载电机(21)、桩头固定装置(22)、模型桩(23)以及加载设备连接板(24)；

桩基竖向加载电机(20)和桩基水平向加载电机(21)分别设置在加载设备连接板(24)两侧；两个桩头固定装置(22)分别设置在桩基竖向加载电机(20)和桩基水平向加载电机(21)上，桩基水平向加载电机(21)通过驱动桩头固定装置(22)进行加载；桩头固定装置(22)的固定套环与模型桩(23)顶部相连；该加载设备连接板(24)与桩靴加载和定位模块(1)下部的横向工字钢(17)螺接；

所述加载控制和测量模块(3)包括两个压力传感器(31)、两个位移传感器(32)、一个加载控制器(33)、动态数据采集仪(34)和计算机(35)；两个压力传感器(31)分别设置在桩基竖向加载电机(20)和桩基水平向加载电机(21)内部的电动缸中，并分别与电动缸的缸芯通过法兰连接，用于测量加载过程中阻力的大小；两个位移传感器(32)分别设置在桩基竖向加载电机(20)和桩基水平向加载电机(21)的加载杆外侧，用于测量加载过程中的行程；加载控制器(33)位于模型槽(4)外部，通过信号传输线分别与桩靴加载和定位模块(1)、桩基加载和固定模块(2)相连，从而实现对加载控制和测量模块的控制；动态数据采集仪(34)通过信号传输线一端与两个压力传感器(31)和两个位移传感器(32)串连，另一端与计算机(35)相连；动态数据采集仪(34)采集两个压力传感器(31)和两个位移传感器(32)的信号变化后，将数据输出到计算机中，即可读取试验的数据结果。

3.根据权利要求2所述的海上自升式钻井平台插拔桩对临近桩基影响研究试验装置，其特征在于，

所述固定翼板(18)为两块相同的一侧具有斜边的五边形板体，该两块五边形板体板面分别与横向导轨滑块呈垂直状，两块五边形板体与斜边相近的一条长边分别与横向导轨滑块(172)固定，且两块五边形板体与斜边相对的一条直线边分别与电动缸(15)固定；

所述桩头固定装置(22)是由一根圆形钢管两端分别焊接一个钢质圆形底座和一个钢质圆形套环构成；两个桩头固定装置(22)的底座分别与桩基竖向加载电机(20)和桩基水平向加载电机(21)的底部焊接固定，套环分别与两个模型桩顶部装配固定；

所述加载设备连接板(24)为两块板面具有螺纹孔的矩形板体并靠一体构成，该桩基竖向加载电机(20)、桩基水平向加载电机(21)底面分别通过螺栓与加载设备连接板(24)两块板面的螺接孔螺接固定；

所述模型槽是为水泥材质的中空形立方体。