原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的方法

摘要

本发明公开原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的方法，采用包括裙板、总沉贯阻力量测装置、端阻力量测装置和侧摩阻力量测装置在内的原位量测装置，在装配式裙板基础上加装摩擦块、端头及压力传感器，实现直接量测裙板基础摩阻力和端阻力的功能。本发明技术方案直接量测裙板基础的端阻力和摩阻力，采用装配式裙板结构，将端阻力、侧摩阻力分别量测，并可对量测数据进行连续实时记录，量测数据可直接使用，可以更好地指导裙板基础沉放设计和施工。

说明书

本发明申请是“一种原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的装置及方法”的分案 申请，申请号为2013102194384，申请日为2013年6月4日。

技术领域

本发明涉及一种原位量测装置，更加具体地说，特别是涉及一种原位量测裙板基础 沉贯过程所受端阻力和摩阻力的装置及方法，属于海洋、港口、岩土工程技术领域。

背景技术

浩瀚的大海，不仅蕴藏着丰富的矿产资源，更有真正意义上取之不尽、用之不竭的 海洋能源。海洋能源多种多样，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差 能、海上风能等等，这些能源永远不会枯竭，也不会造成任何污染，是化石能源的理想 替代者，因此海洋能源开发越来越受到世界各国的重视，但其同样也面临着诸多技术问 题。在海洋环境下，基础不仅承受上部结构物的竖向自重荷载以外，而且还要承受波浪、 暴风等引起的巨大水平荷载和弯矩，导致基础受荷偏心很大，因而传统的基础结构型式 在海洋结构建设中失去了优势和适用性。裙板基础是一种适合海上结构的基础形式，它 的基底下带有竖向增强板，具有抗倾覆能力强、适用于不良地基等诸多优势，具有广阔 的应用前景。

裙板基础是一种带裙的板基础，包括宽浅式筒型基础、沉箱基础等多种形式，在复 杂多变的海洋环境下顺利沉贯就位是一项非常关键的施工过程。国内外实际工程表明， 部分裙板基础之所以失败，多数是因为沉放过程出现问题，沉放阻力估算不准确，因此 非常有必要开展对裙板基础沉放阻力方面的研究。裙板基础沉贯过程需要克服的阻力主 要包括端阻力和摩阻力，目前确定裙板基础沉贯阻力的主要方法是：在现场进行静力触 探试验(CPT)，然后将CPT获得的锥尖贯入阻力等土质参数，通过国外规范中的一些 经验公式转换得到裙板基础的沉贯阻力。由于CPT采用的是圆锥探头，其沉贯过程结构 -土作用机理与筒裙贯入有所不同，并且该方法建立在国外工程经验的基础上，没有严格 的理论支持，加之公式中的参数取值范围宽泛，大大限制了其在我国工程中的应用。

因此如何比较准确地确定裙板基础沉放阻力是保证其顺利沉放的前提。由于目前裙 板基础在国内外的应用历史尚短，工程经验尚不丰富，缺乏专门的规范、规程，故亟需 能够原位量测裙板基础端阻力和摩阻力的装置设备，以给裙板基础的设计和施工带来准 确的沉贯阻力信息，保证裙板基础顺利安装就位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对上述存在问题，提供一种可以原位量 测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的装置及方法，解决裙板基础在沉贯过程中所受的侧摩 阻力和端阻力的量测问题。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的装置，包括量测总沉贯阻力的第一压 力传感器、摩擦块、裙板、量测侧摩阻力的第二压力传感器、第一连接螺栓、基座肋板、 量测端阻力的第三压力传感器、第二连接螺栓、端头、滑块、滑槽。

其中：所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器设置在裙板顶部，例如安装在裙板顶 部的安装孔中，待装置由静压设备压入海洋土体过程中，量测总的静压贯入力。

在所述裙板的侧面嵌入摩擦块，所述摩擦块与裙板侧面之间设置有滑块，所述摩擦 块的上方，与裙板固定相连设置有量测侧摩阻力的第二压力传感器。所述摩擦块与滑块 的接触面涂抹润滑油，以减小二者之间的摩擦。当摩擦块受到土的摩阻力时，会向上移 动，与压力传感器接触，压力传感器采集的总压力即为摩擦块受到的摩阻力。

所述裙板的侧面嵌入摩擦块后，与裙板在整体上侧面宽度一致。所述滑块选用半球 状滑块或者球状滑块。

在所述裙板的末端通过第一连接螺栓与基座肋板固定连接，所述基座肋板的下方固 定设置有量测端阻力的第三压力传感器；所述端头与裙板的末端通过第二连接螺栓相连， 并设置在基座肋板的下方；所述第二连接螺栓一端与端头固定相连，另一端设置在位于 裙板末端的滑槽中，这样一来，第二连接螺栓可在端头的作用下沿滑槽上下移动。装置 下沉时，第二连接螺栓沿滑槽向上移动，所述端头与第三压力传感器接触，第三压力传 感器量测端阻力；装置上提时，裙板向上移动。所述第二连接螺栓(螺栓8)为凹陷式螺 栓，以保证裙板表面的平滑。

所述摩擦块的上方，与第二压力传感器之间设置有间隙，以便于摩擦块的上下运动； 所述摩擦块的下方，与基座肋板之间设置有间隙，以便于摩擦块的上下运动；所述端头 的上方，与第三压力传感器之间设置有间隙，以便于端头的上下运动。

所述第一压力传感器数量选择为1—4个，均匀分布在裙板的顶部；所述第二压力传 感器数量选择2—4个，呈现均匀分布；所述第三压力传感器数量选择2—4个，呈现均 匀分布。

利用上述设备进行量测，待量测装置与动力设备和采集设备连接完毕后，按照下述 步骤进行：

(1)装置在静压动力设备作用下，按照设定速度，匀速压入量测土体中；

(2)压入过程中，第一压力传感器量测和记录总的贯入压力P随深度变化过程，由 于下沉过程中保持匀速，故由传感器量测，则某一深度处裙板基础总贯入阻力R＝P；

(3)压入过程中，端头在土体的作用下向上移动，与安装于基座肋板下侧的量测端 阻力的第三压力传感器发生接触，二者之间压力N随深度变化过程由传感器量测和记录， 则某一深度处裙板基础端阻力R_t＝N₁+N₂+......+N_n，其中N_n代表第n个第三压力传感 器量测的压力；

(4)压入过程中，摩擦块在土体的作用下向上移动，与安装于裙板的量测摩阻力的 第二压力传感器发生接触，二者之间压力F随深度变化过程由传感器量测和记录，则某 一深度h处内侧摩擦块受到的侧面摩阻力f_h＝F₁+F₂+......+F_n，其中F_n为第n个第二 压力传感器量测的压力。

设摩擦块长为D，高度为l，则单位面积侧面摩阻力q可表示为：

q＝f_h/(Dl)

裙板基础下沉至此深度时总的摩阻力Q为：

$Q=2D{\text{∫}}_0^{h}q\left(z\right)\mathrm{dz}$

其中q(z)为深度为z的侧面摩阻力。

与现有技术相比，本发明原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力试验装置，其主要 特点是在装配式裙板基础上加装摩擦块、端头及压力传感器，实现直接量测裙板基础摩 阻力和端阻力的功能。具有以下优点：

(1)本装置可以直接量测裙板基础的端阻力和摩阻力，相较于以往先使用原位静力 触探(CPT)锥形探头量测锥尖阻力和锥侧阻力，再通过经验公式换算的方法，本装置 的量测结果具有更高的可靠性和准确性；

(2)本装置采用装配式裙板结构，将端阻力、侧摩阻力分别量测，并可对量测数据 进行连续实时记录，量测数据可直接使用，可以更好地指导裙板基础沉放设计和施工；

(3)本装置结构新颖，制作简单，采用装配式结构，可以根据裙板基础具体形式进 行灵活改造，制作为弧形、直板型等多种形式，适用于筒型基础、沉箱基础等多种裙板 式基础。

附图说明

图1是本发明的裙板基础端阻力与摩阻力量测装置结构示意图(俯视图)。

图2是本发明的裙板基础端阻力与摩阻力量测装置结构示意图(剖视图)。

图3是本发明的裙板基础端阻力与摩阻力量测装置中，端头、基座肋板和滑槽结构示意 图(剖视图)。

图4是本发明的裙板基础端阻力与摩阻力量测装置中，端头、基座肋板和滑槽结构示意 图(正视图)。

其中1—量测总沉贯阻力的第一压力传感器；2—摩擦块；3—裙板；4—量测侧摩阻 力的第二压力传感器；5—连接基座肋板与裙板的第一连接螺栓；6—基座肋板；7—量测 端阻力的第三压力传感器；8—连接端头与裙板的第二连接螺栓；9—端头；10—滑块； 11—滑槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图1－4所示，一种原位量测裙板基础沉贯端阻力和摩阻力的装置，包括量测总 沉贯阻力的第一压力传感器1、摩擦块2、裙板3、量测侧摩阻力的第二压力传感器4、 第一连接螺栓5、基座肋板6、量测端阻力的第三压力传感器7、第二连接螺栓8、端头9、 滑块10、滑槽11，其中：

所述量测总沉贯阻力的第一压力传感器1设置在裙板顶部，例如安装在裙板顶部的 安装孔中，待装置由静压设备压入海洋土体过程中，量测总的静压贯入力。

在所述裙板3的侧面嵌入摩擦块2，所述摩擦块2与裙板3侧面之间设置有滑块10， 所述摩擦块2的上方，与裙板3固定相连设置有量测侧摩阻力的第二压力传感器4。所述 摩擦块2与滑块10的接触面涂抹润滑油，以减小二者之间的摩擦。当摩擦块2受到土的 摩阻力时，会向上移动，与压力传感器4接触，压力传感器4采集的总压力即为摩擦块 受到的摩阻力。

所述裙板3的侧面嵌入摩擦块2后，与裙板3在整体上侧面宽度一致。所述滑块10 选用半球状滑块或者球状滑块。

在所述裙板3的末端通过第一连接螺栓5与基座肋板6固定连接，所述基座肋板6 的下方固定设置有量测端阻力的第三压力传感器7；所述端头9与裙板3的末端通过第二 连接螺栓8相连，并设置在基座肋板6的下方，所述第二连接螺栓8一端与端头9固定 相连，另一端设置在位于裙板3末端的滑槽11中，这样一来，第二连接螺栓8可在端头 9的作用下沿滑槽11上下移动。装置下沉时，第二连接螺栓8沿滑槽11向上移动，所述 端头9与第三压力传感器7接触，第三压力传感器7量测端阻力；装置上提时，裙板3 向上移动。所述第二连接螺栓(螺栓8)为凹陷式螺栓，以保证裙板表面的平滑。

所述摩擦块2的上方，与第二压力传感器4之间设置有间隙，以便于摩擦块的上下 运动；所述摩擦块2的下方，与基座肋板6之间设置有间隙，以便于摩擦块的上下运动； 所述端头9的上方，与第三压力传感器7之间设置有间隙，以便于端头的上下运动。

所述第一压力传感器1数量选择为1—4个，均匀分布在裙板3的顶部；所述第二压 力传感器4数量选择2—4个，呈现均匀分布；所述第三压力传感器7数量选择2—4个， 呈现均匀分布。

利用上述设备进行量测，待量测装置与动力设备和采集设备连接完毕后，按照下述 步骤进行：

(1)装置在静压动力设备作用下，按照设定速度，匀速压入量测土体中；

(2)压入过程中，压力传感器1量测和记录总的贯入压力P随深度变化过程，由于 下沉过程中保持匀速，故由传感器量测，则某一深度处裙板基础总贯入阻力R为：

R＝P

(3)压入过程中，端头9在土体的作用下向上移动，与安装于基座肋板6下侧的量 测端阻力的压力传感器7(数量为2个)发生接触，二者之间压力N随深度变化过程由 传感器量测和记录，则某一深度处裙板基础端阻力R_t为：

R_t＝N₁+N₂

其中N₁、N₂分别代表两个压力传感器7量测的压力。

(4)压入过程中，摩擦块2在土体的作用下向上移动，与安装于裙板3的量测摩阻 力的压力传感器4(数量为2个)发生接触，二者之间压力F随深度变化过程由传感器 量测和记录，则某一深度h处内侧摩擦块受到的侧面摩阻力f_h为：

f_h＝F₁+F₂

其中F₁、F₂分别为两个压力传感器4量测的压力。

设摩擦块长为D，高度为l，则单位面积侧面摩阻力q可表示为：

q＝f_h/(Dl)

裙板基础下沉至此深度时总的摩阻力Q为：

$Q=2D{\text{∫}}_0^{h}q\left(z\right)\mathrm{dz}$

其中q(z)为深度为z的侧面摩阻力。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下， 任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落 入本发明的保护范围。