CN208844630U - 一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，本装置包括试验土槽、可移动底座、纵向钢梁、主横向钢梁、副横向钢梁、插拔桩靴加载装置和受影响桩靴加载装置，本方法针对自升式平台插拔桩靴对邻近桩靴影响研究的小模型比尺的试验设备，可有效模拟自升式平台插拔桩靴对不同间距邻近桩靴的影响，并在加载过程中土体抗力和变形准确测量。对自升式平台基础稳定性及安全评估具有重要的意义。

Description

一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验 装置

技术领域

本实用新型属于海洋工程技术领域，具体涉及一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置。

背景技术

近年来随着我国海洋油气开发，目前海上自升式钻井平台可移动性强、可以有效减少海洋油气开发的成本以及作业稳定性好等优点，被广泛的应用，其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。

自升式钻井平台(船)在执行钻井或维修作业时，通常附近会存在既有的或井口平台。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平台的基础产生不利影响，严重时可能会导致周围平台发生倾斜甚至倾覆，造成严重的工程事故。

因此模拟海洋自升式钻井平台插拔对邻近桩靴产生的影响进行分析评价，对于邻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

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，包括试验土槽、可移动底座、纵向钢梁、主横向钢梁、副横向钢梁、插拔桩靴加载装置和受影响桩靴加载装置，在试验土槽两侧设置有可移动底座，在可移动底座上设置有纵向钢梁，在纵向钢梁之间横跨于试验土槽之上设置有与纵向钢梁相垂直并可沿其移动的主横向钢梁和副横向钢梁，在主横向钢梁上设置有可沿其移动的插拔桩靴加载装置，在副横向钢梁上设置有可沿其移动的受影响桩靴加载装置。

在上述技术方案中，所述可移动底座通过底部设置的载重脚轮现实移动。

在上述技术方案中，所述可移动底座底部设置有调平底脚用于固定位置。

在上述技术方案中，所述可移动底座由底座钢架和可嵌入于底座钢架内的配重钢箱构成，通过配重钢箱实现主横向钢梁、副横向钢梁的稳定。

在上述技术方案中，所述副横向钢梁的数量为2根，在每根副横向钢梁设置有2组受影响桩靴加载桩靴，所述2根副横向钢梁位于主横向钢梁的两侧。

在上述技术方案中，所述2根副横向钢梁位于主横向钢梁的一侧。

在上述技术方案中，所述插拔桩靴加载装置通过设置于底部的纵向导轨滑块实现在主横向钢梁上的移动，受影响桩靴加载装置通过设置于底部的横向导轨滑块实现在副横向钢梁上的移动。

在上述技术方案中，所述插拔桩靴加载装置包括整体式电动缸、电动推杆、导向杆、电动缸动板和斜撑板，整体式电动缸的底部设置电动推杆，电动推杆的底部连接电动缸动板，电动推杆的两侧设置有用于限位的导向杆，在整体式电动缸通过两侧设置的斜撑板与横向导轨滑块连接。

在上述技术方案中，所述受影响桩靴加载桩靴包括步进电机、丝杠、电机安装板、下垫板、垫板支撑柱、导杆滑动副、水平上动板、上动板丝杠付、竖直传力导向杆、水平下动板、法兰盘、桩靴加载杆；电机安装板、下垫板之间通过垫板支撑柱连接，步进电机设置于电机安装板的下方，步进电机上端设置有丝杠，丝杠穿过电机安装板通过上动板丝杠付与水平上动板相连接，水平上动板通过贯穿于电机安装板、下垫板的竖直传力导向杆与水平下动板相连接构成一个整体，在水平下动板的下端面设置法兰盘，法兰盘下端设置桩靴加载杆。

在上述技术方案中，所述研究试验装置还包括计算机、动态数据采集仪和传感器，计算机通过动态数据采集仪与传感器相连，传感器包括位移传感器和拉压传感器，所述位移传感器为拉线式位移传感器，传感器主体安装在水平上动板，传感器拉线穿过水平上动板一端固定在电机安装板上，传感器通过探测拉线长度变化得到加载装置位移变化；拉压传感器为S型应变式传感器，安装在桩靴加载杆上，可测量桩靴所受竖向力，通过传感器可将实时变化的桩靴受力及桩靴位移通过动态数据采集仪进行采集，将所得的力和位移通过计算机软件输出出来。

一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验方法，按照下列步骤进行：

步骤一、试验开始前在砂土槽中用砂雨法填入砂土，并缓慢注水使砂土饱和，填土至规定高度后将土表面整平；将桩靴模型安装在加载系统加载杆上，利用滑动导轨，按照实验要求间距对桩靴位置定位后，由固定螺栓锁紧；连接数据采集仪和计算机等设备，并调试各传感器和计算机软件；

步骤二、通过桩靴加载装置将桩靴模型缓慢数值向下移动至恰好与土表面接触，将四个受影响桩靴开始匀速贯入，数据采集仪和计算机此时开始采集受影响桩靴位移与承载力数据；受影响桩靴贯入到预定位置后，维持静止，插拔桩靴开始向土中贯入，贯入至预定深度后向上拔出至离开土面；受影响桩靴在原位置继续向下贯入，贯入至预定位置停止，停止数据采集；试验结束，将受影响桩靴上拔至离开土面；

步骤三、将得到的不同桩靴间距下桩靴插拔前后受影响桩靴的实验数据整理得到承载力-位移曲线。对比插拔前后承载力-位移关系，可得到受桩靴插拔影响，邻近桩靴承载力降低规律，在坐标系中以桩靴间距为横轴，承载力降低率为纵轴可得到承载力降低率-间距曲线。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型是针对自升式平台插拔桩靴对邻近桩靴影响研究的小模型比尺的试验设备，可有效模拟自升式平台插拔桩靴对不同间距邻近桩靴的影响，并在加载过程中土体抗力和变形准确测量。对自升式平台基础稳定性及安全评估具有重要的意义。

附图说明

图1装置整体示意图。

图2可移动底座示意图。

图3定位系统示意图。

图4插拔桩靴加载装置示意图。

图5受影响桩靴加载装置示意图。

图6加载装置固定示意图。

图7控制和测量系统示意图。

图8承载力降低率-间距曲线。

其中：1、可移动底座；2、纵向钢梁；3、主横向钢梁；4、副横向钢梁；5、试验土槽；6插拔桩靴加载装置；7、受影响桩靴加载装置；8、底座钢架；9、配重钢箱；10、载重脚轮；11、调平底脚；12、纵向导轨；13、纵向导轨滑块；14、横向导轨；15、横向导轨滑块；16、步进电机；17、丝杠；18、电机安装板；19、下垫板；20、垫板支撑柱；21、导杆滑动副；22、水平上动板；23、上动板丝杠付；24、竖直传力导向杆；25、水平下动板；26、法兰盘；27、桩靴加载杆；28、整体式电动缸；29、电动推杆；30、导向杆；31、电动缸动板；32、斜撑板；33、计算机；34、加载控制器；35、动态数据采集仪；36、数据线。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，包括试验土槽5、可移动底座1、纵向钢梁2、主横向钢梁3、副横向钢梁4、插拔桩靴加载装置6和受影响桩靴加载装置7，在试验土槽两侧设置有可移动底座，在可移动底座上设置有纵向钢梁，在纵向钢梁之间横跨于试验土槽之上设置有与纵向钢梁相垂直并可沿其移动的主横向钢梁和副横向钢梁，在主横向钢梁上设置有可沿其移动的插拔桩靴加载装置，在副横向钢梁上设置有可沿其移动的受影响桩靴加载装置。

可移动底座通过底部设置的载重脚轮10现实移动；可移动底座底部设置有调平底脚 11用于固定位置；可移动底座由底座钢架和可嵌入于底座钢架8内的配重钢箱9构成，通过配重钢箱实现主横向钢梁、副横向钢梁的稳定。

所述副横向钢梁的数量为2根，在每根副横向钢梁设置有2组受影响桩靴加载桩靴，所述2根副横向钢梁位于主横向钢梁的两侧。

所述插拔桩靴加载装置通过设置于底部的纵向导轨滑块实现在主横向钢梁上的移动，受影响桩靴加载装置通过设置于底部的横向导轨滑块实现在副横向钢梁上的移动。所述插拔桩靴加载装置包括整体式电动缸28、电动推杆29、导向杆30、电动缸动板31 和斜撑板32，整体式电动缸的底部设置电动推杆，电动推杆的底部连接电动缸动板，电动推杆的两侧设置有用于限位的导向杆，在整体式电动缸通过两侧设置的斜撑板与横向导轨滑块连接。

所述受影响桩靴加载桩靴包括步进电机16、丝杠17、电机安装板18、下垫板19、垫板支撑柱20、导杆滑动副21、水平上动板22、上动板丝杠付23、竖直传力导向杆24、水平下动板25、法兰盘26、桩靴加载杆27；电机安装板、下垫板之间通过垫板支撑柱连接，步进电机设置于电机安装板的下方，步进电机上端设置有丝杠，丝杠穿过电机安装板通过上动板丝杠付与水平上动板相连接，水平上动板通过贯穿于电机安装板、下垫板的竖直传力导向杆与水平下动板相连接构成一个整体，在水平下动板的下端面设置法兰盘，法兰盘下端设置桩靴加载杆。

所述研究试验装置还包括计算机、动态数据采集仪和传感器，计算机通过动态数据采集仪与传感器相连，传感器包括位移传感器和拉压传感器，位移传感器为拉线式位移传感器，传感器主体安装在水平上动板。传感器拉线穿过水平上动板一端固定在电机安装板上，传感器通过探测拉线长度变化得到加载装置位移变化。拉压传感器为S型应变式传感器，安装在桩靴加载杆上，可测量桩靴所受竖向力。通过传感器可将实时变化的桩靴受力及桩靴位移通过动态数据采集仪进行采集，将所得的力和位移通过计算机软件输出出来。

下面以分析D＝220mm的桩靴对邻近桩靴影响随间距L的变化实验为例，结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

1、试验目的

海洋平台桩靴在固定状态时，贯入土体中一定深度，可测得其承载力大小。若周围有直径较大桩靴进行临时插拔操作，会对原有小直径固定桩靴周围土体扰动，小桩靴受其影响承载力按一定比例降低。利用本实用新型可研究桩靴插拔对周围桩靴承载力影响，并分析这一影响与桩靴间距的关系。规定桩靴间距L为大小两桩靴边缘最短距离。

2、试验准备

试验在长×宽×高＝2m×2m×2m的模型试验槽中进行，试验开始前在砂土槽中用砂雨法填入砂土，并缓慢注水使砂土饱和，填土至规定高度后将土表面整平；

将桩靴模型安装在加载系统加载杆上。其中插拔桩靴直径D＝220mm，受影响桩靴直径d＝93mm。

利用滑动导轨，按照实验要求间距对桩靴位置定位后，由固定螺栓锁紧；桩靴位置如图所示，其中5号为插拔桩靴，1-4号为受影响桩靴，对应与桩靴间距L分别为440mm、275mm、220mm、385mm，对应与插拔桩靴直径之比L/D为2、1.25、1、1.75。

连接数据采集仪和计算机等设备，并调试各传感器，计算机软件，即完成试验前的所有准备工作。

3、试验过程控制与数据采集

通过桩靴加载装置将桩靴模型缓慢数值向下移动至恰好与土表面接触。

将四个受影响桩靴开始匀速贯入，数据采集仪和计算机此时开始采集受影响桩靴位移与承载力数据；

受影响桩靴贯入到预定位置后，维持静止，插拔桩靴开始向土中贯入，贯入至预定深度后向上拔出至离开土面；

受影响桩靴在原位置继续向下贯入，贯入至预定位置停止。停止数据采集。

试验结束，将受影响桩靴上拔至离开土面。

4、实验数据处理

将得到的不同桩靴间距下桩靴插拔前后受影响桩靴的实验数据整理得到承载力-位移曲线。对比插拔前后承载力-位移关系，可得到受桩靴插拔影响，邻近桩靴承载力降低比例。在坐标系中以桩靴间距为横轴，承载力降低率为纵轴可得到承载力降低率-间距曲线，如图8所示。

实施例2

一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，包括试验土槽5、可移动底座1、纵向钢梁2、主横向钢梁3、副横向钢梁4、插拔桩靴加载装置6和受影响桩靴加载装置7，可移动底座主体为2.0m×1.4m×0.3m的矩形钢架，为保证钢架强度，钢架采用60×60mm方形钢管。两钢架平行放置于试验土槽两侧，共同支撑上部结构。钢架内放置钢箱，钢箱四面及底面由1mm厚钢板围成，钢箱上端开口，可在使用时向钢箱中添加配重提供实验中所需反力。每个钢架底部装有6个载重脚轮及调平底脚，可调整实验装置整体位置，调整底脚高度保证整体装置水平。

桩靴定位系统由2根纵向钢梁及4根横向钢梁组成。钢梁均采用工字钢保证整体结构强度，减小变形。两侧底座钢架分别上安装两平行纵向钢梁，纵向钢梁上设置纵向导轨，导轨上装有纵向导轨滑块，导轨滑块底部安装固定螺栓。4根横向钢梁相互平行放置，横置于纵向导轨上，横向钢梁两端与纵向导轨滑块焊接固定。中间2根为主横向梁，主横向梁上设置横向导轨，导轨上装有横向导轨滑块，横向导轨滑块底部安装固定螺栓。两主横梁中间安装插拔桩靴加载装置。两侧两根为副横向梁，单侧副横向梁上安装2组受影响桩靴加载装置。上述桩靴定位系统可使插拔桩靴和4个受影响桩靴在水平面X和 Y两个方向上自由移动，插拔桩靴定位后4个受影响桩靴可分别调整其与插拔桩靴的间距。

桩靴加载系统包括插拔桩靴加载装置和受影响桩靴加载装置。插拔桩靴加载装置与横向导轨滑块采用斜撑板和螺栓固定，由整体式电动缸驱动电动推杆及2电动缸动板，对桩靴dd进行加载，电动缸动板两侧为导向杆控制加载方向竖直，受影响桩靴加载系统由固定机构和运动机构组成。固定机构确定加载装置整体位置并保证加载方向竖直，包括步进电机、丝杠、电机安装板、下垫板、垫板支撑柱、下垫板固定螺栓、导杆滑动副，固定机构通过下垫板固定螺栓与副横向梁固定。运动机构包括水平上动板、上动板丝杠付、竖直传力导向杆、水平下动板、法兰盘和桩靴加载杆。其中运动机构竖直传力导向杆穿过安装在电机安装板和下垫板导杆滑动副。加载系统通过步进电机带动丝杠转动，上动板丝杠付带动上动板运动，上动板通过竖直传力导向杆带动水平下动板运动，水平下动板通过桩靴加载杆对桩靴加载。下动板底面安装拉压传感器，传感器另一端连接桩靴加载杆，桩靴加载杆通过螺纹与桩靴模型固定。在顶板和上垫板间安装位移传感器。加载控制系统由步进电机电机，多通道控制器组成。该系统可以实现竖向速度幅值为0- 10mm/s，恒速加载运动；竖向运动幅值为0-35cm。通过多通道控制器可以单独控制某一桩靴的加载速度，加载深度及维持条件。测量系统包括拉压传感器、位移传感器、动态数据采集仪和计算机。本试验的目的是研究桩靴插拔后对邻近桩靴的影响。通过预先安装在桩靴加载杆上的拉压力传感器及位移传感器，可以测量竖向力应的竖向位移。通过动态数据采集仪进行数据采集，可以实时采集地基抗力及桩靴位移，采集精度高，可以直接将采集到的力和位移通过计算机软件输出出来。

实施例3

在实施例的基础上，可将2根副横向钢梁改变位置，将其设置于于主横向钢梁的一侧，可测量多组受影响桩靴加载装置共同位于插拔桩靴加载装置一侧时，插拔桩靴与受影响桩靴之间的相互作用。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：包括试验土槽、可移动底座、纵向钢梁、主横向钢梁、副横向钢梁、插拔桩靴加载装置和受影响桩靴加载装置，在试验土槽两侧设置有可移动底座，在可移动底座上设置有纵向钢梁，在纵向钢梁之间横跨于试验土槽之上设置有与纵向钢梁相垂直并可沿其移动的主横向钢梁和副横向钢梁，在主横向钢梁上设置有可沿其移动的插拔桩靴加载装置，在副横向钢梁上设置有可沿其移动的受影响桩靴加载装置。

2.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述可移动底座通过底部设置的载重脚轮现实移动。

3.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述可移动底座底部设置有调平底脚用于固定位置。

4.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述可移动底座由底座钢架和可嵌入于底座钢架内的配重钢箱构成。

5.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述副横向钢梁的数量为2根，在每根副横向钢梁设置有2组受影响桩靴加载桩靴，所述2根副横向钢梁位于主横向钢梁的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述插拔桩靴加载装置通过设置于底部的纵向导轨滑块实现在主横向钢梁上的移动，受影响桩靴加载装置通过设置于底部的横向导轨滑块实现在副横向钢梁上的移动。

7.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述插拔桩靴加载装置包括整体式电动缸、电动推杆、导向杆、电动缸动板和斜撑板，整体式电动缸的底部设置电动推杆，电动推杆的底部连接电动缸动板，电动推杆的两侧设置有用于限位的导向杆，在整体式电动缸通过两侧设置的斜撑板与横向导轨滑块连接。

8.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述受影响桩靴加载桩靴包括步进电机、丝杠、电机安装板、下垫板、垫板支撑柱、导杆滑动副、水平上动板、上动板丝杠付、竖直传力导向杆、水平下动板、法兰盘、桩靴加载杆；电机安装板、下垫板之间通过垫板支撑柱连接，步进电机设置于电机安装板的下方，步进电机上端设置有丝杠，丝杠穿过电机安装板通过上动板丝杠付与水平上动板相连接，水平上动板通过贯穿于电机安装板、下垫板的竖直传力导向杆与水平下动板相连接构成一个整体，在水平下动板的下端面设置法兰盘，法兰盘下端设置桩靴加载杆。

9.根据权利要求1所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述研究试验装置还包括计算机、动态数据采集仪和传感器，计算机通过动态数据采集仪与传感器相连，传感器包括位移传感器和拉压传感器。

10.根据权利要求9所述的一种海上自升式钻井平台插拔桩对邻近桩靴影响研究试验装置，其特征在于：所述位移传感器为拉线式位移传感器，传感器主体安装在水平上动板，传感器拉线穿过水平上动板一端固定在电机安装板上；拉压传感器为S型应变式传感器，安装在桩靴加载杆上。