[发明专利]可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置和测试方法，该装置包括支撑架、桶形箱、水压加载系统、液压伺服系统、传力系统、锚链等。通过在桶形箱内设置紧贴其内壁的柱环状气囊，为土体施加水平向应力；在桶形箱顶部紧贴上顶板设置饼状气囊，可为土体施加垂直向应力；锚链与土的切向相互运动由液压伺服系统施加，通过传力系统传递所施加位移，通过传力系统中的力传感器测量锚链与土切向抗力。本发明能够模拟出原始地层较为复杂的应力状态下锚链与土的切向相互作用，能够为锚链入土段的计算提供参数，对锚泊系统入土段的设计有重要参考意义。

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置及测试方法，它能通过控制气囊内的压力模拟水平向和竖直向压力，为锚链入土段的设计提供参数。

背景技术

在海洋工程领域，通常会采用锚固基础和锚链对海上浮式构筑物(如海上钻井平台、勘探平台等)进行固定，目前应用最广泛的是吸力锚，这种锚固基础通常有一定埋置深度以改善锚的受力状态从而发挥更大的承载力，与锚链的连接点通常位于锚固基础埋深的2/3处，因此锚链需要一定的入土深度。

已有研究认为，上部荷载传递到锚固基础上的荷载大小主要与锚链与土的切向剪切相关，锚链与土的切向剪切作用决定着锚链的张力，进而影响着整个锚泊系统的安全性。实际工程中的入土段锚链受力较为复杂，一般认为有水平向和竖直向应力的作用，然而目前国内外仍然没有相关的试验装置能够模拟出这种复杂应力下锚链与土的相互作用，本实验装置能弥补该技术领域的空白，为复杂应力下工程锚链入土段的计算提供重要设计参数，对于锚点在海底泥面以下的锚泊系统设计有重要参考意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置，该装置能够模拟复杂应力状态下锚链与土切向相互行为，并通过实验测得切向抗力，为工程上锚泊系统的入土段设计提供技术参数。该装置的特点是：通过两个特殊设计的气囊分别模拟实际土体的垂直向应力和水平向应力，这种设计更接近工程中锚链的实际受力状态；通过油缸施加位移，通过力传感器进行测量，从而测算出锚链与土的切向阻力。

本发明采取以下技术方案：

可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置，包括支撑架、桶形箱、水压加载系统、液压伺服系统、传力系统、锚链；所述的桶形箱为圆筒形封闭箱体，固定在支撑架上用于盛放土体；在桶形箱内，紧贴桶形箱内壁安装有柱环状气囊，用于为土体施加水平向应力，在土体上方设置饼状气囊，用于为土体施加垂直向应力；在桶形箱的顶面和底面以及饼状气囊上均开有中心孔供传力系统穿过；锚链竖直埋于土体中，两端与传力系统连接，水压加载系统用于向柱环状气囊及饼状气囊中抽注水以控制气囊压力，液压伺服系统用于施加应力并由传力系统传递至锚链使锚链与土进行切向相对运动，通过传力系统中的力传感器测量锚链与土的切向抗力。

上述技术方案中，进一步的，在所述的桶形箱的顶面和底面的中心孔内安装有直线轴承套筒。

进一步的，所述的传力系统包括钢绞线、四只定滑轮、两根直线轴承导杆、两只力传感器及两只挂钩；所述的四只定滑轮固定在支撑架上，且两两分设于桶形箱上、下两侧，钢绞线依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器、再连接第一直线轴承导杆穿过桶形箱上部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链上端连接，另一端连接第二力传感器再连接第二直线轴承导杆穿过桶形箱下部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链下端连接，液压伺服系统与钢绞线连接用于施加拉力。

进一步的，所述的液压伺服系统包括油缸和导杆，导杆一端与油缸活塞相连，另一端连接钢绞线。

进一步的，所述的水压加载系统包括水管、压力表与水压控制器，水管通入气囊中，由水压控制器控制向柱环状气囊、饼状气囊进行抽注水。

进一步的，所述的锚链包括5个单链环。

采用上述装置测定复杂应力下锚链与土切向作用的方法，包括如下步骤：