一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着环境保护意识不断增强，各国都积极推进减少碳排放，寻求可持续发展之路，风能资源作为清洁、可再生能源，得到了快速发展。其中，海上风能储量更丰富、风速更稳定，风机利用率更高，且对人类生产生活影响更小，拥有更大的发展潜力。随着海上风电深水化、远海化趋势，漂浮式风电成为各国发展的重点。作为漂浮式平台主要锚固基础型式，吸力锚具有成本较低、对地质和水深适应性强、便于安装、可重复使用、环境友好等优点，在海上风电领域开始广泛应用，并且特别适合我国沿海海域较厚的软质粘性土沉积条件。

吸力锚的安装原理是：首先在自重下沉贯至海床下一定深度，在锚内形成密封条件，然后利用泵从锚体内向外抽水和空气，从而降低吸力锚内压力，在吸力内外形成压差，当压差大于土体对吸力锚的阻力(侧摩擦力和端阻力之和)时，驱动吸力锚克服沉贯阻力直至沉贯至设计深度。吸力锚内外压差控制是沉贯施工的关键，压差过小(低于所需压差)不足以克服沉贯阻力，压差过大(高于临界压差)会造成吸力锚内土体反向承载力破坏，从而形成较大土塞。因此，需要设计一套适用于粘性土体中获得吸力锚施工差压的模型试验装置，提出所需压差和临界压差的试验方法，这对提高施工效率且保证工程安全具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置及方法，以为吸力锚负压沉贯施工压差控制提供有效依据，从而在提高施工效率的同时保障工程安全。

本发明之一所述的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置，其包括：

一顶部开口并装填有试验用土的试验箱；

一横跨在所述试验箱上方的加载反力架；

一固定连接在所述加载反力架上的电动缸；以及

一吊装在所述电动缸的推杆下方的吸力锚，其顶盖密封安装有一用于测量所述吸力锚内土塞高度的土塞测量装置、一用于抽出所述吸力锚内水和/或空气的管路以及一用于测量所述吸力锚内压力的压力表。

在上述的获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置中，所述加载反力架包括：两根对称竖直设置在所述试验箱左右两侧的支撑立柱以及一水平连接在该两个支撑立柱的顶端之间的支架横梁。

在上述的获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置中，所述电动缸的缸体固定连接在所述支架横梁的底面的中间位置。

在上述的获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置中，所述吸力锚的顶盖上对称设置有两个预制吊耳，且该两个预制吊耳分别通过一钢丝绳固定连接在所述电动缸的推杆底端。

本发明之二所述的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验方法包括以下步骤：

步骤S0，提供如上所述的获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置；

步骤S1，利用所述电动缸将所述吸力锚压入所述试验用土中一定深度；

步骤S2，通过钢丝绳将所述吸力锚固定连接在所述电动缸的推杆底端，并使所述钢丝绳张紧后，将所述压力表和所述电动缸的读数归零；

步骤S3，通过所述管路抽出所述吸力锚内的水和/或空气，以使所述吸力锚内外产生压力差；

步骤S4，通过所述土塞测量装置持续测量并记录所述吸力锚内土塞隆起的高度；

步骤S5，随着所述吸力锚内外的压力差的不断增大，当所述电动缸的负载值开始增加时，将此时所述压力表的读数记录为所述吸力锚在粘性土中沉贯施工的所需压差；

步骤S6，继续增大所述吸力锚内外的压力差，当所述土塞测量装置测量到所述吸力锚内土塞隆起的高度陡然增加时，将此时所述压力表的读数记录为所述吸力锚在粘性土中沉贯施工的临界压差。

由于采用了上述技术手段，本发明具有以下特点：本发明的试验装置及方法可以获得吸力锚负压沉贯所需压差和临界压差，从而能为控制吸力锚负压沉贯施工压差提供有效依据，进而还可在提高施工效率的同时保障工程安全。另外，本发明室内试验装置还具有设备结构简单、操作方便、计数精准等优点。

附图说明

图1是本发明之一的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置的结构示意图；

图2是本发明之一的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置的立面图；

图3是本发明之一的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置的局部结构示意图；

图4是本发明之二的一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验方法的流程框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-图3，本发明之一，即一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置，包括：试验箱1、加载反力架2、电动缸3和吸力锚4，其中，

试验箱1内部装填有试验用土11，在本实施例中，试验用土为粘性土；

加载反力架2横跨在试验箱1上方，其由工字钢制成，呈门型框架结构置于试验箱1外部；在本实施例中，加载反力架2包括两根对称竖直设置在试验箱1左右两侧的支撑立柱21以及一水平连接在该两个支撑立柱的顶端之间的支架横梁22，支撑立柱21的底端与试验箱1的底部齐平；

电动缸3固定吊装在加载反力架2上，通过其推杆的伸缩可将吸力锚4压入试验用土11中；在本实施例中，电动缸3的缸体固定连接在支架横梁22的底面的中间位置；

吸力锚4吊装在电动缸3的推杆下方，其顶盖密封安装有用于测量吸力锚内土塞高度的土塞测量装置43、用于抽出吸力锚4内水和/或空气的管路44以及用于测量吸力锚4内压力的压力表42，吸力锚4的顶盖上还对称设置有两个预制吊耳41，它们分别通过一钢丝绳31固定连接在电动缸3的推杆底端。

如图4所示，本发明，即一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验方法，包括以下步骤：

步骤S0，提供如上所述的获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置；

步骤S1，首先将吸力锚4顶部的管路44打开，利用电动缸3将吸力锚4压入试验用土11中一定深度；

步骤S2，通过钢丝绳31将吸力锚4顶盖上的两个预制吊耳41与电动缸3的推杆底端固定连接，并使电动缸3出现较小负载以保证钢丝绳31张紧，然后将压力表42和电动缸3的读数归零；

步骤S3，通过管路44抽出吸力锚4内的水和/或空气，以降低吸力锚4内压力，从而使吸力锚4内外产生压力差，吸力锚4内试验用土11在压差作用下会形成土塞；

步骤S4，通过土塞测量装置43持续测量并记录吸力锚4内土塞隆起的高度；

步骤S5，随着管路44不断抽出吸力锚4内的水和/或空气，吸力锚4内外压差不断增大，其沉贯力不断增加，当沉贯力大于当前深度沉贯阻力时吸力锚4在内外压差的作用下开始下沉，此时与吸力锚4固定连接的电动缸3的负载值增大，将此时压力表42的读数记录为吸力锚4在粘性土中沉贯施工的所需压差；

步骤S6，继续增大吸力锚4内外的压力差，当土塞测量装置43测量到吸力锚4内土塞隆起的高度陡然增加时，土塞发生破坏，将此时压力表42的读数记录为吸力锚4在粘性土中沉贯施工的临界压差。

综上所述，本发明，即一种获得粘性土中吸力锚施工压差的室内试验装置及方法，能为吸力锚负压沉贯施工压差控制提供有效依据，从而在提高施工效率的同时保障工程安全。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。