[发明专利]三层套管吸力桶试验装置

说明书

本发明公开了一种三层套管吸力桶试验装置，该装置可用于测定吸力桶安装过程中桶外摩阻、内摩阻、端阻以及评估内部土塞和渗流场变化。本发明装置包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统。本装置所采用的吸力桶为三层套管结构吸力桶，各层套管之间具有一定间隙，从而将吸力桶所受的内摩擦阻力、外摩擦阻力以及端阻力分离开来。在吸力桶安装过程中，负压抽吸系统可使吸力桶内部形成负压，竖直导向杆可保证吸力桶竖直贯入土体。本发明的试验装置可用于分析吸力桶在安装过程中所受的各种阻力、桶内土塞发展过程以及桶体周围孔压、土压力的演化机制。

技术领域

本发明涉及一种三层套管吸力桶试验装置，属于海洋吸力式桶型基础安装试验装置领域。本发明装置可用于分析吸力桶在负压安装过程中所受各种阻力(土体对吸力桶外壁的摩阻力、土塞对吸力桶内壁的摩阻力和桶端土对吸力桶的端阻力)的大小，并实时获得负压安装过程中桶体周围孔压、土压力等参数，以及获取土塞发展过程及力学特性演化。

背景技术

在海洋工程中，相比于传统桩基础，吸力式桶型基础具有安装运输方便、无噪音污染、抗倾覆承载力、用钢量少以及可回收重复利用等优点，近年来受到工业界的青睐，但吸力桶的安装过程控制是目前困扰工程界的主要难题。

吸力桶的沉贯负压需介于最低需求负压和最大容许负压之间，分别对应着吸力桶沉贯阻力和内部土塞反向承载失效破坏。当吸力桶在粘土中贯入时，由于粘土渗透性差，在内外压差作用下土体中不会产生明显渗流；当吸力桶在渗透性较强的粉质、砂质海床贯入时，桶体周围渗流会显著降低桶内土体的有效应力，从而大大减小沉贯阻力，但是，当渗流强度过大时则可能导致内部土体产生渗蚀、液化、管涌等失稳破坏，最终导致安装失败。吸力桶贯入阻力由桶外阻、内阻、端阻共同组成，渗流场的存在将三者产生显著影响。

近海海域是海洋能源开发的主战场，在我国东南沿海离岸10km范围内广泛分布着粉土地基，粉土是一种性质介于粘土和砂土之间的特殊土。在粉土海床中进行吸力桶基础安装时，在桶内外压差作用下，细颗粒易流失，这将带来海床土体渗透性、强度、刚度等性质的改变，影响吸力桶基础的沉贯阻力以及安装完成后的服役性能。因此，吸力桶基础的安装控制过程在粉土海床中具有更加重要的工程意义。对吸力桶基础的安装过程控制建立在深刻理解贯入过程中桶外阻、内阻、端阻的发挥机制以及桶体周围土体性质的变化规律，但目前关于粉土海床中吸力桶贯入的相关研究十分有限。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提出了一种三层套管吸力桶试验装置，该装置的特点是：将吸力桶受到的竖向各部分摩阻力分割开来，快速准确地得到吸力桶贯入阻力中各部分阻力大小及分担比。并且，根据布置的多种传感器连续监测获得安装和承载过程中孔压、土压力等参数，以及通过传感器获得吸力沉贯过程中土塞发展和桶体周围土体力学特性的演化过程。

本发明采取以下技术方案：

一种三层套管吸力桶试验装置，包括桶体、负压抽吸系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；

所述的桶体顶部封闭，底部敞开，桶体包括由内而外依次同轴设置的内摩阻力套管、端阻力钢架和外摩阻力套管；所述的端阻力钢架包括端阻力钢架顶板、端阻力板连接杆和工字型端阻力环钢板；所述的端阻力板连接杆沿环向均匀布置，用于连接端阻力钢架顶板和工字型端阻力环钢板；所述的内摩阻力套管的端部、外摩阻力套管的端部与工字型端阻力环钢板之间均填充有橡胶塞；所述的桶体上方还设置有两个竖向导向杆，用于使整个吸力桶保持竖直悬挂，并保证吸力桶在安装时更稳定；

所述的负压抽吸系统包括负压泵、压力表和吸水管，用于将吸力桶贯入海床土体中；负压泵可通过抽水使桶内形成负压，相当于一个等效竖向力作用在吸力桶上，从而将吸力桶贯入土体中；

所述的传感器测量系统用于收集吸力桶贯入过程数据，包括套管之间传递的轴力、不同深度及吸力桶端部的内外孔压、土体作用于吸力桶桶身的土压力、套管顶盖与土体表面的距离和土体的刚度，并将数据传输至数据采集及控制系统中，所述的数据采集及控制系统用于处理分析数据。