[发明专利]海上单点系泊系统锚桩、离心条件测试装置及测试方法

说明书

本发明属于海洋岩土工程基础技术领域，提供了一种海上单点系泊系统锚桩、离心条件测试装置及测试方法。海上单点系泊系统锚桩包括加劲肋、可移动牛耳和钢管桩三部分；所述的可移动牛耳套在加劲肋上，可沿加劲肋切向和轴向滑动。一种海上单点系泊系统锚桩的离心条件试验装置及其试验方法，该试验装置包括：鼓式离心机、模型槽、锚桩、锚链、透明土、高速高清相机、照明灯、弹簧和护筒部件。本发明有效消除了锚链移动引起的对锚桩的扭转荷载、提高了锚桩的抗水平和竖向荷载能力，减少了锚链缠绕和自锁现象的发生。本发明可以在离心条件下可视化地观测锚链、锚桩、可移动牛耳运动轨迹和周围土体的变形。

技术领域

本发明属于海洋岩土工程基础技术领域，尤其涉及一种海上单点系泊系统锚桩、离心条件测试装置及测试方法。

背景技术

随着海上石油资源的不断开发，越来越多的石油资源将来自海洋的深水区。目前我国原油仍主要靠进口，主要运输模式为海上油轮运输。单点系泊系统是指海上船舶(如油轮、矿砂运输船)通过单点形式系泊在另一个固定式或浮式结构物上，船舶围绕该结构物可以随风、浪、流等作360°回转，并最终停泊在风、浪等环境力最小的方位上。海上船舶可以不停靠传统固定式码头，而直接系泊在“浮动式码头”。传统固定式码头，一般建造在海岸，对兴建大型深水码头的地理环境要求高，而且造价昂贵。海上单点系泊系统，一般建造在离岸位置；可供大型油船系泊，具有建造投资省、工期短的优点。与同等级固定式码头相比，单点系泊系统建设投资约减少70-80％，原油装卸费用每吨减少30-40％，建设工期缩短20-30％。在风、浪、流等环境恶劣情况，甚至7级大风、3.5m有效浪高的情况下，单点系泊系统仍可以保证油轮原油装卸，大大延长了工作周期，部分区域每年平均工作日可达330天。

单点系泊系统的锚固系统包括浮筒、锚链和锚桩(或吸力筒)几部分组成。其中，锚桩或吸力筒埋设在海床泥面以下一定深度，作为锚固基础的用途。在系泊船只的作用力、风、浪、流综合荷载作用下，锚链作用于锚桩的受力方向与水平面夹角可能在0～90度之间；锚链作用于锚桩的作用力，不仅在竖向面上有变化，在水平面上也可能发生变化，从而导致锚桩承受一定的扭转荷载。锚桩与锚链连接的牛耳一般设置在锚桩侧壁；牛耳在锚桩侧壁的设置位置，直接影响锚桩的水平向、上拔或斜拔承载性能。同时，传统固定式牛耳极易造成锚链的缠绕、自锁现象，从而造成锚链的损坏。因此，根据锚链对锚桩的作用力方向，动态调整牛耳的位置，从而协调、分配锚桩水平向力和竖向力的承载能力，且避免锚链的缠绕、自锁现象，显得尤为重要。发明专利“CN108146580B- 用于海洋平台锚泊系统锚固点的万向自由旋转接头装置”公开了一种万向自由旋转接头装置，该装置可减少锚链缠绕、自锁现象的发生；但是，该装置固定于锚桩顶部，仅能起到减少锚链缠绕、自锁的发生，不能调整锚桩在承受荷载时的形态。因此，有必要发明一种可动态协调、分配锚桩水平向和竖向承载力的新型锚桩。与此同时，锚链作用下锚桩的偏转角、锚桩周围土体的位移场、锚链在土体中的移动方式、锚链移动导致的海床土体扰动的机理尚不明确，非常有必要研发一种适用于锚桩-透明土相互作用机理研究的可视化观测试验装置与技术。

发明内容

为了解决传统单点固定式牛耳设置导致锚桩抗水平力和抗上拔力分配不协调、锚链作用力方向变化导致的作用于锚桩的扭转力以及锚链缠绕、自锁的问题，本发明提出一种含可移动牛耳、锚桩上部带加劲肋的单点系泊系统锚桩结构装置；加劲肋一方面提高锚桩水平向和竖向承载力，另一方面对可移动牛耳起到限定活动区间的作用；可移动牛耳是连接锚链和锚桩的结构部件，通过切向可滑动以消除锚链作用于锚桩的扭转力和锚链缠绕、自锁问题，通过轴向可移动以调整水平向和竖向承载性能。

本发明的技术方案：

一种海上单点系泊系统锚桩，包括加劲肋5、可移动牛耳6和钢管桩4三部分，所述的加劲肋5固定连接设置在钢管桩4上部，所述的可移动牛耳6在加劲肋5上且可滑动。

所述的钢管桩4，直径在0.8～1.2m、壁厚2～4cm、桩长15～25m，钢管桩4 的桩顶距离海床表面4～7m。