[发明专利]等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试方法

说明书

本发明公开了一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置及方法，该装置包括支撑架、传动装置、气压加载系统、试验箱、竖向位移施加部分、切向锚链单元、法向锚链单元等。本发明通过使用等刚度的弹簧模拟弹性边界，在能克服边界条件的影响下，大大缩小试验箱的尺寸，能有效节约材料和降低实验操作难度；同时它将法向和切向抗力测试集为一体，可以同时测量锚链与土的切向、法向相互作用，能够为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。

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，该放置可测量不同地层应力弹性边界下锚链与土体在切向、法向上发生相对位移时的抗力。

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，而锚泊线的形态主要与法向抗力大小相关。上部结构通过锚链传到锚眼位置处的作用力的大小决定着基础的受力和破坏模式，进而影响着整个锚泊系统的安全性。目前国内外没有相关的实验装置可以对锚链与土的法向和切向剪切抗力同时进行测量的装置，尤其是在法向抗力方面的测定，它往往需要考虑弹性边界的尺寸效应，因而需要将试验箱的尺寸做得足够大。本实验装置能弥补该技术领域的空白，为工程锚链入土段的计算提供重要设计参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，能够测量弹性边界下锚链与土体切向、法向抗力，弥补在锚链与土单元实验的标定的空白。该装置的特点是：通过气囊对实验中的土进行加压以模拟土体的原始应力状态；通过传动装置中伺服电机施加往返荷载，对实验过程中的锚链张力进行测量，从而测算出锚链与土的切向抗力；通过竖向位移施加单元中的步进电机施加竖向荷载，对试验过程中锚链与土体法向作用抗力进行测量；通过侧壁及底板上的弹簧，可模拟弹性边界，通过使用弹簧等效弹性边界可以大大减少模型箱的尺寸。

本发明采取以下技术方案：

一种等效弹性边界下锚链与土切向和法向抗力测试装置，包括支撑架、试验箱、传动装置、气压加载系统、竖向位移施加单元、切向锚链单元、法向锚链单元；所述的试验箱固定于支撑架上，由底板、前后壁、左右固定板及可拆卸顶板固接构成，在试验箱内顶板下方依次设置有气囊、滑动顶板、土样、滑动底板，试验箱内前侧壁后方依次设置有滑动前壁、土样、滑动后壁，滑动底板与底板间、滑动前壁与前壁间、滑动后壁与后壁之间均通过弹簧连接；在左右固定板上各开孔安装有直线轴承套筒，内置直线轴承导杆与埋于土样中的切向锚链单元两端通过挂钩相连，传动装置与直线轴承导杆连接；竖向位移施加单元贯穿顶板、气囊及滑动顶板直接与法向锚链单元连接，用于向法向锚链单元整体施加竖向位移；气压加载系统用于调控气囊内的压力。

上述技术方案中，进一步的，所述的传动装置包括四只定滑轮、伺服电机、钢绞线、两只力传感器，四只定滑轮固定于支撑架上，并两两分设于试验箱的左右两侧，钢绞线依次绕过四只定滑轮一端连接一只力传感器后与一直线轴承导杆连接，钢绞线另一端连接另一只力传感器后与另一直线轴承导杆连接，伺服电机与钢绞线连接用于施加位移。

进一步的，所述的气压加载系统包括气管、气压计以及气压调控系统，气囊通过气管与气压调控系统相连，气管上设置有气压计。

进一步的，所述的竖向位移施加单元包括固定于支撑架上的反力梁、与反力梁固定的步进电机、及导杆；步进电机连接导杆，导杆与法向锚链单元相连，导杆上设有竖向力传感器。

进一步的，所述的切向锚链单元具有五个单链环。

进一步的，所述的法向锚链单元各单链环间焊接。