專利名稱：導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及試驗裝置，尤其涉及一種用于導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在進行海洋固定結(jié)構(gòu)物的樁基研究時，除了少數(shù)在原型結(jié)構(gòu)上進行的檢驗性試驗以外，一般的研究性試驗都是模型試驗。海洋石油鉆井平臺不同于大型機械廠房、橋梁支柱以及高壓輸電塔等高、大、深、重建構(gòu)筑物，平臺所承受的荷載不再僅局限于靜載，還要承受巨大的風暴荷載、波浪荷載、冰載荷以及風荷載等動荷載的作用，其受力往往具有如下特
占- ^ \\\ ·(I)循環(huán)荷載頻率較低；(2)基樁循環(huán)位移幅值大。導(dǎo)管架平臺在長期經(jīng)受波浪、海風、冰等環(huán)境荷載的作用下，致使平臺樁與樁基土體產(chǎn)生相互作用力。平臺樁與樁基土體產(chǎn)生相互作用力后，會使土體強度減弱，進而導(dǎo)致平臺樁基松動，影響整體平臺結(jié)構(gòu)安全。因此，在進行樁基承載力設(shè)計及平臺服役期的平臺安全評估中，除應(yīng)符合規(guī)范中有關(guān)靜力荷載的要求之外，有必要考慮動載效應(yīng)；另一方面，平臺長期受動載荷作用產(chǎn)生樁基弱化后，會導(dǎo)致平臺的固有頻率發(fā)生變化，這對平臺工作人員的正常生產(chǎn)工作會產(chǎn)生重要影響。所以，研究動載荷作用后平臺模型或者單樁模型的固有頻率變化有重要意義。在進行樁基研究中，由于群樁或者單樁試驗花費巨大，且因為場地限制等原因很難在原位進行試驗，在這種情況下，模型試驗是一種行之有效的方法。樁的模型試驗是建立與原型具有相似規(guī)律的模型基礎(chǔ)上，并借助一些儀器和設(shè)備，按照相似規(guī)律控制試驗條件，研究樁在特定的受力條件下的反應(yīng)，進而分析樁土的受力情況。它不僅為安全可靠性分析研究提供試驗數(shù)據(jù)和試驗論證，而且，可以為工程設(shè)計提供依據(jù)進而指導(dǎo)工程實踐。目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究多是基于模擬地震振動的樁-土作用研究，尚未見到相關(guān)環(huán)境荷載作用下，導(dǎo)管架平臺樁與樁基土體相互作用的研究文獻。一般情況下，可進行單樁的樁-土相互作用試驗，但，此種試驗與導(dǎo)管架平臺樁與樁基土體相互作用偏差較大，而且，由于動力研究所用的加載設(shè)備在控制精度和長期穩(wěn)定性上稍顯不足，一般很少涉及到研究樁體受到動載荷作用后的土的強度弱化情況以及土壓力和孔隙水壓變化。因此，在一定理論分析的基礎(chǔ)上，模擬海底工況，建立合理的試驗方法和裝置，結(jié)合試驗研究導(dǎo)管架平臺樁-土作用對于平臺安全、可靠的開采深水油氣具有非常重要的意義。

實用新型內(nèi)容本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點，而提供一種導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其可以模擬多種海洋環(huán)境荷載，精確控制試驗的加載條件，實現(xiàn)模型樁水平承載力和豎直承載力試驗，并得到精度較高的測量結(jié)果；且通過對導(dǎo)管架平臺相似模型施加作用力，能夠更全面、準確地分析樁-土作用關(guān)系；同時，能夠準確的模擬實際工程中導(dǎo)管架平臺的樁-土作用，了解平臺在動載荷下的樁基弱化情況，并根據(jù)試驗結(jié)果有針對性的改善導(dǎo)管架平臺樁基基礎(chǔ)，以達到提高導(dǎo)管架平臺使用壽命和進一步保證平臺安全性、可靠性目的。本實用新型的目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于設(shè)有試驗水池、試驗?zāi)Ｐ?、伺服加載裝置、加載反力架、滑軌總成、檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置，其中，試驗?zāi)Ｐ皖A(yù)埋于試驗水池的土體中，滑軌固定于試驗水池的邊緣，加載反力架固定于滑軌總成上，且伺服加載裝置安裝在加載反力架上，對試驗?zāi)Ｐ褪┘虞d荷，檢測裝置一端安裝在試驗水池內(nèi)，另一端與被測樁體固定；數(shù)據(jù)采集裝置通過信號發(fā)生裝置與受力樁體相連，通過上述連接構(gòu)成一導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗結(jié)構(gòu)。所述試驗水池為方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，試驗水池中的水池回填物從下到上依次為 碎石層、粗砂層、砂土層及水。所述試驗?zāi)Ｐ蜑閷?dǎo)管架平臺模型及單樁模型；且模型在預(yù)埋時，任意兩根樁體間距均大于5倍樁徑。所述伺服加載裝置為作動器；伺服加載裝置上通過法蘭和銷軸連接有三腳架，三腳架的兩端安裝有用于與樁身連接卡套。所述檢測裝置包括孔隙水壓力計、應(yīng)變式土壓力盒、電阻應(yīng)變片、位移傳感器、力口速度傳感器，其中，孔隙水壓計平行于導(dǎo)管架平臺模型的樁身軸線埋設(shè)，與樁距離為2倍樁徑；土壓力盒固定于樁身單側(cè)，間距為2倍樁徑；電阻應(yīng)變片沿樁身外徑對稱布設(shè)，間距為I倍樁徑；位移傳感器一端固定于試驗水池內(nèi)壁上，另一端與被測樁體固定。所述加載反力架為空間梁結(jié)構(gòu)，主要包括主立柱及水平和豎直斜撐，設(shè)在反力架的下部U型滑槽上設(shè)有數(shù)個用以與伺服加載裝置的前端球鉸及加載連接結(jié)構(gòu)法蘭連接定位孔；主立柱上也設(shè)有數(shù)個用以調(diào)節(jié)伺服加載裝置的加載位置螺栓孔?；壙偝砂▋蓷l相對放置滑道、滑道采用H型鋼結(jié)構(gòu)，滑軌上翼緣處設(shè)有數(shù)個用于加載反力架水平定位的螺栓孔，兩條相對放置滑道之間安裝有數(shù)個斜撐。本實用新型的有益效果I.可以模擬海洋平臺所受到的復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境載荷，如冰載荷、波浪載荷、風載荷等，通過伺服加載系統(tǒng)可以在豎直方向和水平方向?qū)δＰ褪┘屿o態(tài)及長期動態(tài)載荷，能夠更全面、準確地分析樁-土作用關(guān)系；2.可以用于研究樁體在動態(tài)載荷作用后土體的弱化情況，進而研究樁基的水平和豎直承載力變化情況；并利用結(jié)構(gòu)模態(tài)測試裝置可以研究在長期動載荷下平臺的基頻變化規(guī)律及平臺的動力特性，這對海洋固定平臺的正常作業(yè)意義重大；3.通過豎向加載可以模擬海底管道與土的相互作用；4.水池緣口高出地面一定距離，通過改造，可以擴充沖刷試驗設(shè)施。

圖I為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型試驗水池剖示示意圖。[0024]圖3為本實用新型加載反力架與伺服加載裝置連接示意圖。圖4為本實用新型加載試驗示意圖。圖中主要標號說明I.試驗水池、2.單樁模型、3.平臺模型、4.加載連接結(jié)構(gòu)、4. I樁身卡套、4. 2三角架、4. 3連接法蘭、4. 4銷軸、5.伺服加載裝置、6.加載反力架、6. I立柱、6. 2基座法蘭、6. 3銷軸、6. 4 U型滑槽、7.滑軌總成、7. I滑道、7. 2螺栓孔、7. 3斜撐、8.注水排水裝置、8. I注水井、8. 2排水井、8. 3滲水孔、8. 4注水管道、9.水池回填物、9. I飽和砂土層、9. 2、粗砂層、
9.3碎石層、9. 4水、10.檢測裝置、10. I孔隙水壓力計、10. 2應(yīng)變式土壓力盒、10. 3電阻應(yīng)變片、10. 4位移傳感器、10. 5加速度傳感器，11.數(shù)據(jù)采集裝置。
具體實施方式
如圖I一圖4所示，本實用新型設(shè)有試驗水池I、試驗?zāi)Ｐ?、加載連接結(jié)構(gòu)4、伺服加載裝置5、加載反力架6、滑軌7、檢測裝置10、數(shù)據(jù)采集裝置11，其中，試驗?zāi)Ｐ皖A(yù)埋于試驗水池I的土體中，滑軌總成7用地腳螺栓固定于試驗水池I的邊緣，加載反力架6用螺栓固定于滑軌總成7上，且伺服加載裝置5安裝在加載反力架6上，本實施例伺服加載裝置5水平方向定位時，其一端的底座以銷軸6. 3連接于加載反力架6上,而另一端則通過加載連接結(jié)構(gòu)4與加載樁身連接；豎向定位時，其一端的底座也是用銷軸6. 3定位在加載反力架6上,加載缸體前端用螺栓固定于加載反力架6的立柱6. I上,對試驗?zāi)Ｐ褪┘虞d荷；伺服加載裝置5上通過法蘭4. 3和銷軸4. 4連接有三腳架4. 2，三腳架4. 2的兩端安裝有用于與樁身連接卡套4. I ;檢測裝置10 —端安裝在試驗水池I上，另一端與被測樁體固定；數(shù)據(jù)采集裝置11通過信號發(fā)生裝置與受力樁體相連，測得試驗數(shù)據(jù)，通過上述連接構(gòu)成一導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗結(jié)構(gòu)。上述試驗水池I為方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，試驗水池I中的水池回填物9從下到上依次為碎石層9. 3、粗砂層9. 2、砂土層9. I及水9. 4。試驗水池I上設(shè)有一注水排水裝置8，注水排水裝置8包括注水井8. I、排水井8. 2、滲水孔8. 3、注水管道8. 4、注水開關(guān)8. 5，其中，注水井8. I和排水井8. 2設(shè)在試驗水池I的對角上，注水管道8. 4通過注水井8. 5布設(shè)并連接于試驗水池I底層，從下部注水可以使土體最大限度達到飽和，用以模擬真實的海底樁基基礎(chǔ)環(huán)境，同時，可以準確的研究現(xiàn)實海洋環(huán)境載荷引起的導(dǎo)管架平臺的樁-土作用關(guān)系；在試驗水池I底層分為數(shù)個支路進行注水，通過注水開關(guān)8. 5控制注水量，試驗水池I中的水可以通過滲水孔8. 3流入排水井8. 2中，以方便隨時排水控制試驗水池I中的水位。試驗?zāi)Ｐ蜑閷?dǎo)管架平臺模型3及單樁模型2，不同管徑的單樁模型2和導(dǎo)管架平臺模型3預(yù)埋于試驗水池I的土體中，預(yù)埋時，要保證任意兩根樁體間距均大于5倍樁徑；同時，按照相似定理設(shè)置導(dǎo)管架平臺模型3，導(dǎo)管架平臺模型3與導(dǎo)管架原型物理性能、力學性能相似，用于研究導(dǎo)管架平臺在動載荷作用下的動態(tài)特性及樁基礎(chǔ)變化。導(dǎo)管架平臺模型3的主樁腿埋入到試驗水池I飽和的土體9. I內(nèi)，當導(dǎo)管架平臺模型3受到外部載荷時，樁腿與土體會產(chǎn)生樁-土作用。如圖3所示，滑軌總成7設(shè)置在試驗水池I的一側(cè)，滑軌總成7包括兩條相對放置滑道7. I、滑道7. I固定于試驗水池I邊緣，滑道7. I使用H型鋼，其下翼緣處打孔后，用地腳螺栓固定于試驗水池I邊緣，上翼緣處設(shè)有數(shù)個用于加載反力架6水平定位的螺栓孔
7.2，兩條相對放置滑道7. I之間安裝有數(shù)個斜撐7. 3，用于增加滑軌總成7的剛度。加載反力架6采用H鋼和方鋼焊接成空間梁結(jié)構(gòu)，主要包括主立柱6. I及水平和豎直斜撐，設(shè)在反力架6的下部U型滑槽6. 4上設(shè)有數(shù)個用于水平定位的腰形孔，可以精確調(diào)節(jié)其在滑道7. I上的左右位置，以方便位于伺服加載裝置5的前端球鉸及加載連接結(jié)構(gòu)法蘭4. 2的連接。主立柱6. I上也設(shè)有數(shù)個螺栓孔，可以通過調(diào)節(jié)基座法蘭6. 2的高度來調(diào)節(jié)伺服加載裝置5的加載位置，以模擬出不同的環(huán)境載荷。伺服加載裝置5安裝于加載反力架6上，基座法蘭6. 2有腰型孔與設(shè)在主立柱6. I上的螺栓孔相配合以固定基座法蘭6. 2。伺服加載裝置5前端的球鉸連接于法蘭6. 3，用于給導(dǎo)管架平臺模型3施加載荷。本實施例伺服加載裝置5為作動器。如圖4所示，本發(fā)明的試驗原理本發(fā)明通過伺服加載裝置5模擬海洋波浪、海風、冰載等海洋環(huán)境載荷，對導(dǎo)管架平臺模型3或單樁模型2施加作用力。檢測裝置10安裝在試驗水池I上，檢測裝置10包括孔隙水壓力計10. I、應(yīng)變式土壓力盒10. 2、電阻應(yīng)變片10. 3、位移傳感器10. 4、加速度傳感器10. 5，其中，孔隙水壓計
10.I平行于導(dǎo)管架平臺模型3的樁身軸線埋設(shè)，與樁距離為2倍樁徑；土壓力盒10. 2固定于樁身單側(cè)，間距為2倍樁徑；電阻應(yīng)變片10. 3沿樁身外徑對稱布設(shè)，間距為I倍樁徑；位移傳感器10. 4 一端用膨脹螺栓固定于試驗水池I內(nèi)壁上，另一端與被測樁體固定。試驗時，利用電阻應(yīng)變片10. 3測得樁的彎矩數(shù)據(jù)，位移傳感器10. 4測得靜動載荷下的樁-土相互作用時樁的移動位移，土壓力盒10. 2測得靜動載荷下的樁-土相互作用時的土抗力數(shù)據(jù)，加速度傳感器10. 5測得導(dǎo)管架平臺模型3在動載荷作用下的加速度數(shù)據(jù)等，最后處理試驗數(shù)據(jù)，并用P-Y曲線法進行數(shù)值分析，驗證樁-土耦合模型，分析樁基的水平和豎直承載力及其變化，進而研究平臺結(jié)構(gòu)安全性變化規(guī)律。數(shù)據(jù)采集裝置、信號發(fā)生裝置、作動器、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變式土壓力盒、傳感器、壓力計為現(xiàn)有技術(shù)。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于設(shè)有試驗水池、試驗?zāi)Ｐ汀⑺欧虞d裝置、加載反力架、滑軌總成、檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置，其中，試驗?zāi)Ｐ皖A(yù)埋于試驗水池的土體中，滑軌固定于試驗水池的邊緣，加載反力架固定于滑軌總成上，且伺服加載裝置安裝在加載反力架上，對試驗?zāi)Ｐ褪┘虞d荷，檢測裝置一端安裝在試驗水池內(nèi)，另一端與被測樁體固定；數(shù)據(jù)采集裝置通過信號發(fā)生裝置與受力樁體相連，通過上述連接構(gòu)成一導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于所述試驗水池為方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，試驗水池中的水池回填物從下到上依次為碎石層、粗砂層、砂土層及水。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于所述試驗?zāi)Ｐ蜑閷?dǎo)管架平臺模型及單樁模型；且模型在預(yù)埋時，任意兩根樁體間距均大于5倍樁徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于所述伺服加載裝置為作動器；伺服加載裝置上通過法蘭和銷軸連接有三腳架，三腳架的兩端安裝有用于與樁身連接卡套。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于所述檢測裝置包括孔隙水壓力計、應(yīng)變式土壓力盒、電阻應(yīng)變片、位移傳感器、加速度傳感器，其中，孔隙水壓計平行于導(dǎo)管架平臺模型的樁身軸線埋設(shè)，與樁距離為2倍樁徑；土壓力盒固定于樁身單側(cè)，間距為2倍樁徑；電阻應(yīng)變片沿樁身外徑對稱布設(shè)，間距為I倍樁徑；位移傳感器一端固定于試驗水池內(nèi)壁上，另一端與被測樁體固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于所述加載反力架為空間梁結(jié)構(gòu)，主要包括主立柱及水平和豎直斜撐，設(shè)在反力架的下部U型滑槽上設(shè)有數(shù)個用以與伺服加載裝置的前端球鉸及加載連接結(jié)構(gòu)法蘭連接定位孔；主立柱上也設(shè)有數(shù)個用以調(diào)節(jié)伺服加載裝置的加載位置螺栓孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，其特征在于滑軌總成包括兩條相對放置滑道、滑道采用H型鋼結(jié)構(gòu)，滑軌上翼緣處設(shè)有數(shù)個用于加載反力架水平定位的螺栓孔，兩條相對放置滑道之間安裝有數(shù)個斜撐。
專利摘要一種導(dǎo)管架平臺樁土作用模型試驗裝置，設(shè)有試驗水池、試驗?zāi)Ｐ?、伺服加載裝置、加載反力架、檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置，其中，試驗?zāi)Ｐ皖A(yù)埋于試驗水池的土體中，滑軌總成固定于試驗水池的邊緣，加載反力架固定于滑軌總成上，伺服加載裝置安裝在加載反力架上，對試驗?zāi)Ｐ褪┘虞d荷，檢測裝置一端安裝在試驗水池內(nèi)，另一端與被測樁體固定；數(shù)據(jù)采集裝置通過信號發(fā)生裝置與受力樁體相連。本實用新型可以模擬多種海洋環(huán)境荷載，精確控制試驗的加載條件；通過對導(dǎo)管架平臺相似模型施加作用力，準確的模擬實際工程中導(dǎo)管架平臺的樁-土作用，并根據(jù)試驗結(jié)果有針對性的改善導(dǎo)管架平臺樁基基礎(chǔ)，提高了導(dǎo)管架平臺使用壽命，進一步保證平臺安全性、可靠性。
文檔編號E02D33/00GK202767121SQ20122039404
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者段夢蘭, 李志剛, 陳祥余, 周雷, 王建國, 孟元棟, 李記忠, 鐘超, 袁志林 申請人:中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 中國石油大學(北京)