專利名稱：新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于深水系泊新型室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著海洋資源的開發(fā)與利用逐漸向深海轉(zhuǎn)移，適用于深水張緊式系泊系 統(tǒng)的新型海洋基礎(chǔ)的研究越來越引起人們的重視。其中，在深海復(fù)雜荷載環(huán)境下的新型系 泊基礎(chǔ)的承載力特性是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)與未來的發(fā)展方向。相關(guān)的理論研究與數(shù) 值模型的建立需要大量可靠而詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來加以驗(yàn)證和優(yōu)化。相對于現(xiàn)場原位試驗(yàn) 而言，模型試驗(yàn)方法具有費(fèi)用低廉，易于操作、外界干擾因素少等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究中具有 不可替代的作用。目前，國內(nèi)外進(jìn)行了很多關(guān)于新型系泊基礎(chǔ)的安裝與加載的模型試驗(yàn) 研究，但是相對成熟的試驗(yàn)儀器很少，而且大都集中于新型深水系泊基礎(chǔ)的靜承載力試驗(yàn) 方面，如The University of Texas at Austin研制成功的模型試驗(yàn)平臺(tái)，主要用于一類 新型系泊基礎(chǔ)_吸力錨的貫入、拔出以及傾斜方向的靜力加載模型試驗(yàn)，并即時(shí)采集所施 加荷載、位移和土體中孔壓變化等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見<EI-Sherbiny，R. M. , 2005. Performance of suction anchor anchors in normally consolidated Clay. Ph. D. Dissertation. The University of Texas at Austin. >。選用不同的試驗(yàn)儀器對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響非常大，因此 在研究復(fù)雜深海環(huán)境下的新型系泊基礎(chǔ)的承載力特性時(shí)，需要一套可以方便地用于新型系 泊基礎(chǔ)的安裝與回收，而且能實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的靜、動(dòng)力荷載施加的模型試驗(yàn)平臺(tái)，這對于推動(dòng) 海洋工程中深水系泊技術(shù)的發(fā)展是非常有意義的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是為各類深水系泊基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究提供一套新 型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，以提高進(jìn)行各類深水系泊基礎(chǔ)試驗(yàn)的效 率，減小由于不同試驗(yàn)儀器的選用對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的影響，更重要的是為進(jìn)行深水系泊基 礎(chǔ)在復(fù)雜靜、動(dòng)力荷載作用下的承載力理論研究提供可靠的模型試驗(yàn)技術(shù)。為此，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案包括錨和設(shè)置模擬海床的試驗(yàn)槽，所述試驗(yàn) 平臺(tái)還設(shè)有1)、設(shè)置在試驗(yàn)槽上方的加載固定架；2)、可拆卸地安裝在加載固定架上的垂直動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置能夠拉或壓所 述錨；3)、可拆卸式連在所述垂直動(dòng)力裝置和錨之間的連接機(jī)構(gòu)；4)、錨所受垂直動(dòng)力裝置拉力的力傳感器；5)、測量錨垂直位移的第一位移傳感器；6)、可拆式安裝在所述錨的頂部的傾角計(jì)；7)、安裝在所述試驗(yàn)槽側(cè)方的張力調(diào)整器；8)、可拆卸地連接在錨的側(cè)面和所述張力調(diào)整器之間的拉索；[0013]9)、所述拉索的導(dǎo)向滑輪組；10)、拉索對錨的拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；11)、測量拉索張力的力傳感器；12)、測量拉索位移距離的第二位移傳感器；13)、拉索的循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器；14)、與所述錨的頂部可拆卸連接的第三位移傳感器和第四位移傳感器。本實(shí)用新型首先使用豎向布置的油缸或微型真空泵實(shí)現(xiàn)平板錨和吸力錨等新型 系泊基礎(chǔ)的安裝；安裝完畢之后，通過豎向油缸和側(cè)向布置的加載系統(tǒng)對基礎(chǔ)模型施加不 同方向、大小和頻率的靜、動(dòng)力荷載；最后，在加載實(shí)驗(yàn)完成后，通過豎向油缸和微型真空泵 對基礎(chǔ)模型進(jìn)行回收。本實(shí)用新型與國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)相比，可以適用于更多樣 的深水系泊基礎(chǔ)形式，而且可以穩(wěn)定地施加更大的荷載，便于改變荷載的施加方向以及實(shí) 現(xiàn)可調(diào)控的靜、動(dòng)力荷載施加方式。由于采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，本實(shí)用新型具備以下功能快速布置的海床環(huán) 境，模擬新型深水系泊基礎(chǔ)的安裝與回收系統(tǒng)，可調(diào)控的靜、動(dòng)力荷載施加系統(tǒng)，對新型系 泊基礎(chǔ)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等參數(shù)進(jìn)行即時(shí)量測的量測系統(tǒng)。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)深海 復(fù)雜靜、動(dòng)力荷載環(huán)境下新型系泊基礎(chǔ)承載力特性的模型試驗(yàn)研究，并提高了進(jìn)行模型試 驗(yàn)的效率與結(jié)果的穩(wěn)定性，對于開展新型深水系泊基礎(chǔ)的研究有巨大的促進(jìn)與推動(dòng)作用。

圖1是本實(shí)用新型錨的安裝與回收示意圖。圖2是本實(shí)用新型的復(fù)雜荷載施加過程示意圖。圖3是吸力錨負(fù)壓貫入的操作示意圖。圖4是本實(shí)用新型靜、動(dòng)力加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖。本實(shí)用新型包括錨4和設(shè)置模擬海床的試驗(yàn)槽12，所述模擬海床包括 礫石排水層1、海床粘土 2，附圖標(biāo)號(hào)3為水。所述錨可采用吸力錨模型，或者平板錨模型。 所述試驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)有1)、設(shè)置在試驗(yàn)槽上方的加載固定架11。2)、可拆卸地安裝在加載固定架上的垂直動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置能夠拉或壓所 述錨，所述垂直動(dòng)力裝置采用豎向油缸8，附圖標(biāo)號(hào)7為其下進(jìn)油口，附圖標(biāo)號(hào)9為其上進(jìn)油 口，附圖標(biāo)號(hào)15為其備用儲(chǔ)油桶，附圖標(biāo)號(hào)16為其進(jìn)油管，附圖標(biāo)號(hào)17為其出油管，附圖 標(biāo)號(hào)18為油壓調(diào)控器。當(dāng)所述錨為平板錨模型時(shí)，其安裝由所述油缸8下壓完成。3)、可拆卸式連在所述垂直動(dòng)力裝置和錨之間的連接機(jī)構(gòu)，連接機(jī)構(gòu)中設(shè)有萬向 接頭5。4)、錨所受垂直動(dòng)力裝置拉力的力傳感器6，所述力傳感器6連在萬向接頭5和油 缸8的頂頭之間。5)、測量錨垂直位移的第一位移傳感器10 ；它可拆卸地安裝在加載固定架11上， 通過對油缸8的活塞桿的垂直運(yùn)動(dòng)距離測量，來測量錨垂直位移。[0031]6)、可拆式安裝在所述錨的頂部的傾角計(jì)19。7)、安裝在所述試驗(yàn)槽11側(cè)方的張力水平調(diào)節(jié)器14。所述張力水平調(diào)節(jié)器14包 括連接拉索的牽拉桿42 ；帶動(dòng)牽拉桿的步進(jìn)電機(jī)43以及渦輪渦桿變速機(jī)44。8)、可拆卸地連接在錨的側(cè)面和所述張力調(diào)整器之間的拉索28，所述拉索28可采 用高強(qiáng)度鋼絲繩。9)、所述拉索的導(dǎo)向滑輪組。10)、拉索28對錨的拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；所述拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在錨的 側(cè)面的第一滑輪26，它也是所述導(dǎo)向滑輪組中的滑輪，所述第一滑輪設(shè)置在調(diào)節(jié)板50上， 所述調(diào)節(jié)板50固定在加載固定架11上，所述調(diào)節(jié)板上有若干用于固定第一滑輪26的滑輪 定位孔25，從而能調(diào)節(jié)第一滑輪26在調(diào)節(jié)板50上的高度，所述調(diào)節(jié)板50的高度調(diào)節(jié)區(qū)域， 也即設(shè)置滑輪定位孔25的區(qū)域低于模擬海床面。附圖標(biāo)號(hào)27為所述調(diào)節(jié)板的側(cè)向固定器。11)、測量拉索張力的力傳感器24 ；所述拉索28被分為兩段，所述力傳感器24裝 在該兩段拉索之間，附圖標(biāo)號(hào)51為一端安裝力傳感器24的桿51，桿51的另一端連接所述 拉索，附圖標(biāo)號(hào)23為桿51的導(dǎo)向塊。12)、測量拉索28位移距離的第二位移傳感器22，它與桿51配合，通過測量桿51 的升降距離，來測量拉索位移距離。13)、拉索28的循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器13 ；所述循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器包括可旋轉(zhuǎn)作用于拉索 的偏心機(jī)構(gòu)41，在偏心機(jī)構(gòu)的兩側(cè)外具有拉索的導(dǎo)纜孔40，附圖標(biāo)號(hào)39為驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)旋 轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)，附圖標(biāo)號(hào)38為變速齒輪。14)、與所述錨的頂部可拆卸連接的第三位移傳感器21a和第四位移傳感器21b， 所述第三位移傳感器21a和第四位移傳感器21b分別包括與錨的頂部可拆卸式連接的繩子 20。以上可拆式連接的手段可采用螺紋連接、連接件連接等常用手段。參照圖3，在本實(shí)用新型采用吸力錨模型4時(shí)，本實(shí)用新型還設(shè)有與吸力錨模型連 接的吸水裝置，所述吸水裝置設(shè)有儲(chǔ)水筒52，所述儲(chǔ)水筒懸掛在支撐架31上，所述試驗(yàn)平 臺(tái)還設(shè)有儲(chǔ)水筒的重力傳感器32。附圖標(biāo)號(hào)29為微型真空泵，附圖標(biāo)號(hào)30為塑料管，附 圖標(biāo)號(hào)33為真空表，附圖標(biāo)號(hào)34為水，附圖標(biāo)號(hào)35為閥門，附圖標(biāo)號(hào)36為過濾器，附圖標(biāo) 號(hào)37為附加配重塊，所述附加配重塊37可以可拆式地連接在安裝所述萬向接頭的支桿53 上，支桿53與錨的頂部可拆式連接。本實(shí)用新型提出的新型深海系泊基礎(chǔ)安裝與回收的簡圖如附圖1所示。具體步驟 是首先在試驗(yàn)槽12里傾倒一定量的均勻攪拌成漿的海床粘土 2，底部布置的礫石排水層1 可以加速槽內(nèi)土體的排水固結(jié)，快速達(dá)到可以進(jìn)行試驗(yàn)的海床環(huán)境。對于吸力錨基礎(chǔ)，其安 裝方式較為特殊，為自重作用下貫入土中一定深度后，然后通過抽取模型錨內(nèi)部的水以形 成持續(xù)作用的負(fù)壓使其緩慢貫入到指定深度，其具體操作方式如附圖3所示，可以通過不 斷調(diào)節(jié)閥門35的開度來控制抽吸的速度。模型實(shí)驗(yàn)完畢，模型錨的回收可以通過設(shè)定豎向 油缸8的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，在模型錨拔出的過程中需變換微型真空泵的吸氣口和排氣口向模型 錨內(nèi)部持續(xù)注水以釋放其內(nèi)部不斷形成的負(fù)壓，并利用力傳感器6和位移傳感器10記錄試 驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型提出的新型海洋基礎(chǔ)模型的復(fù)雜荷載施加過程示意圖如附圖2所示。主要是通過更換加載固定架11上的設(shè)備和靜、動(dòng)力加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型錨的不同方向、大小 和頻率的荷載施加過程。靜、動(dòng)力加載系統(tǒng)與試驗(yàn)槽12分開布置以避免施加動(dòng)力荷載時(shí)對 槽內(nèi)土體的影響。通過將滑輪26安裝在不同的滑輪定位孔25上調(diào)節(jié)荷載施加的方向。其 具體步驟是通過張力水平調(diào)節(jié)器14慢慢牽拉另一端連接在模型錨4上的拉索28來施加一 定大小的靜力荷載，然后在循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器13上安裝好一定大小與形狀的偏心機(jī)構(gòu)41，并 設(shè)定其旋轉(zhuǎn)頻率，通過步進(jìn)電機(jī)13的運(yùn)行進(jìn)行模型錨4的靜、動(dòng)力加載試驗(yàn)。本實(shí)用新型設(shè) 計(jì)了靜、動(dòng)力加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如附圖4所示。在兩個(gè)導(dǎo)纜孔40之間，選用不同的偏心 結(jié)構(gòu)41實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)不同的荷載施加方式，可以非常方便地根據(jù)試驗(yàn)的要求進(jìn)行更換， 而通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)39的運(yùn)行速度可以對荷載頻率變化進(jìn)行控制。因?yàn)樵谏詈－h(huán)境下，傳 遞到系泊基礎(chǔ)上的荷載一般為低頻且幅值變化較大的力，通過本實(shí)用新型的方法可以較為 經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)對深水系泊荷載環(huán)境的模擬。在模型加載期間，通過傾角計(jì)19、小型位移傳感器 21a和21b、位移傳感器22和力傳感器24可以對系泊基礎(chǔ)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等參數(shù)進(jìn) 行即時(shí)記錄。 除了吸力錨基礎(chǔ)，還有許多不同形式的新型深水系泊基礎(chǔ)，比如平板錨等，進(jìn)行模 型試驗(yàn)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)豎向油缸的運(yùn)動(dòng)將其壓貫到海床內(nèi)指定位置，然后同樣利用靜、動(dòng) 力荷載施加系統(tǒng)通過連接鋼絲繩對系泊基礎(chǔ)模型進(jìn)行不同方向、大小和頻率的加載試驗(yàn)。
權(quán)利要求新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，包括錨和設(shè)置模擬海床的試驗(yàn)槽，其特征在于所述試驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)有1)、設(shè)置在試驗(yàn)槽上方的加載固定架；2)、可拆卸地安裝在加載固定架上的垂直動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置能夠拉或壓所述錨；3)、可拆卸式連在所述垂直動(dòng)力裝置和錨之間的連接機(jī)構(gòu)；4)、錨所受垂直動(dòng)力裝置拉力的力傳感器；5)、測量錨垂直位移的第一位移傳感器；6)、可拆式安裝在所述錨的頂部的傾角計(jì)；7)、安裝在所述試驗(yàn)槽側(cè)方的張力調(diào)整器；8)、可拆卸地連接在錨的側(cè)面和所述張力調(diào)整器之間的拉索；9)、所述拉索的導(dǎo)向滑輪組；10)、拉索對錨的拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；11)、測量拉索張力的力傳感器；12)、測量拉索位移距離的第二位移傳感器；13)、拉索的循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器；14)、與所述錨的頂部可拆卸連接的第三位移傳感器和第四位移傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于連接機(jī)構(gòu)中設(shè)有萬向接頭。
3.如權(quán)利要求1所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于所述拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在錨的側(cè)面的第一滑輪，所述第一滑輪設(shè)置在調(diào)節(jié)板上 并可被調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)板上的高度，所述調(diào)節(jié)板的高度調(diào)節(jié)區(qū)域低于模擬海床面。
4.如權(quán)利要求1所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于所述循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器包括可旋轉(zhuǎn)的作用于拉索的偏心機(jī)構(gòu)，在偏心機(jī)構(gòu)的兩側(cè)外具有拉 索的導(dǎo)纜孔。
5.如權(quán)利要求1所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于錨為平板錨模型。
6.如權(quán)利要求1所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于所述錨為吸力錨模型。
7.如權(quán)利要求6所述的新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，其特征在 于它設(shè)有與吸力錨模型連接的吸水裝置，所述吸水裝置設(shè)有儲(chǔ)水筒，所述儲(chǔ)水筒懸掛在支 撐架上，所述試驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)有儲(chǔ)水筒的重力傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型提供一套新型深海系泊基礎(chǔ)的安裝與復(fù)雜加載模型試驗(yàn)平臺(tái)，它包括錨和試驗(yàn)槽，還設(shè)有加載固定架、垂直動(dòng)力裝置、連接機(jī)構(gòu)、垂直動(dòng)力裝置拉力的力傳感器、第一位移傳感器、傾角計(jì)、張力調(diào)整器、拉索、拉索的導(dǎo)向滑輪組、拉力角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、測量拉索張力的力傳感器、第二位移傳感器、拉索的循環(huán)荷載調(diào)節(jié)器以及第三位移傳感器和第四位移傳感器。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)深海復(fù)雜靜、動(dòng)力荷載環(huán)境下新型系泊基礎(chǔ)承載力特性的模型試驗(yàn)研究，并提高了進(jìn)行模型試驗(yàn)的效率與結(jié)果的穩(wěn)定性，對于開展新型深水系泊基礎(chǔ)的研究有巨大的促進(jìn)與推動(dòng)作用。
文檔編號(hào)G01M10/00GK201707197SQ201020186529
公開日2011年1月12日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者國振, 王立忠, 袁峰 申請人:浙江大學(xué)