一种模拟离岸式桶型基础试验模型装置及沉贯试验方法

摘要

本发明公开了一种模拟离岸式桶型基础试验模型装置及沉贯试验方法，该装置包括试验系统、给水系统和负压调节系统三个部分；试验系统包括模型箱、吸力式桶形基础安装装置、桶型基础和消波板；给水系统包括自动水位控制装置和给水装置；负压调节系统包括水气分离装置和真空泵；其中自动水位控制装置能够维持模型箱内的水位高度，客观模拟出大海水平面稳定不变的情况；水气分离装置为吸力式桶形基础安装装置内部提供稳定的负压环境，且能够避免将水和砂土直接吸入真空泵中；本发明可用于模拟海洋环境下离岸式桶形基础沉贯过程，研究离岸式桶形基础贯入速度、桶壁与土体摩阻力以及沉贯所需负压大小，完善免开挖设计计算方法和相关施工技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离岸式桶形基础沉贯试验装置，可用于模拟海洋环境下离岸式桶形基础沉贯过程，研究离岸式桶形基础贯入速度、桶壁与土体摩阻力以及沉贯所需负压大小，完善免开挖设计计算方法和相关施工技术。

背景技术

近年来，离岸式桶形基础广泛运用于海洋石油工业的采油平台基础、风电塔基、防波堤基础、海港建设等海洋工程中，其中采用的吸力桶技术实现了复杂海洋环境中离岸式桶形基础的免开挖安装，可用于预防和治理海床液化对离岸式桶形基础工程的危害，同时又能够加快施工速度，降低施工成本、缩短工期。

在目前的海洋工程中，吸力桶尚未作为免开挖施工中的打桩装置投入使用，更多的是作为固定结构或临时结构的基础形式，因此相关的免开挖设计计算方法和相关施工技术还有待完善，相比于理论解析方法和数值方法的研究采用既定的模型，计算所得的数据对计算参数的选取具有较大依赖性；而工程实测的方法较难实现海床动态变化的实时监测，且实测成本高，技术要求指标高，监测难度大，对环境条件依赖大。鉴于常重力下模型试验不影响土体微观结构，且桶形基础和吸力式桶形基础安装装置贯入速度以及桶壁与土体之间的摩阻力与试验情况相符，能够有效模拟实际工程中桶形基础和吸力式桶形基础安装装置的沉贯过程从而达到试验目的。

因此，为了完善免开挖设计计算方法和相关施工技术，确定离岸式桶形基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶形基础与吸力式桶形基础安装装置之间的间距，亟需一种模拟离岸式桶形基础模型试验装置以及沉贯试验方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种模拟离岸式桶型基础试验模型装置及沉贯试验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一方面提供了一种模拟离岸式桶型基础试验模型装置，包括试验系统、给水系统和负压调节系统三个部分；所述试验系统包括模型箱、吸力式桶形基础安装装置、桶型基础和消波板；所述给水系统包括自动水位控制装置和给水装置；所述负压调节系统包括水气分离装置和真空泵；

所述模型箱由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可实时观察模型箱中试验情况，有机玻璃之间通过玻璃胶密封连接；所述模型箱侧面底部设有一进水阀，可向模型箱内从下往上供水制备饱和土；所述模型箱内自下而上依次布设一定厚度的砂石层、钢丝网和土工布；所述土工布上方为饱和土；所述模型箱内注有距饱和土表面一定高度的无气水；所述饱和土模拟海床；所述无气水模拟海水环境；

所述吸力式桶形基础安装装置是由盖板和吸力桶本体组合而成的PVC桶；所述盖板上设有贯穿的通气孔和第一真空表阀；所述通气孔上设有抽气阀门，所述通气孔用于连通吸力式桶形基础安装装置和负压调节系统；所述第一真空表阀的底部设有阻水阻泥的保护装置，所述第一真空表阀用于实时监测吸力式桶形基础安装装置内的气压状态；

所述桶形基础为无底无盖的PVC桶；所述桶形基础能够通过机械卡扣固定在吸力桶本体外侧，并抵住吸力式桶形基础安装装置的盖板；所述吸力式桶形基础安装装置和桶形基础的中心轴重合且均放置于模型箱中心区域；所述桶形基础外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器；

所述消波板平行并靠近于模型箱一侧面安装，插入土层一定深度，且格栅开口底部略高于饱和土表面，用以消除给水时产生的剧烈水位波动对试验的影响；在平行并靠近消波板的模型箱侧面上部安装自动水位控制装置，所述自动水位控制装置深入无气水中一定深度；

所述水气分离装置由第二真空表阀、进气口、出气口和水气分离瓶组成；所述水气分离瓶上设有进气阀和排水排泥阀；所述第二真空表阀用于实时监控水气分离瓶内的负压状态；所述进气口通过气管与吸力式桶形基础安装装置的通气孔连通；所述出气口通过气管与真空泵相连通；所述真空泵由负压调节表阀控制其负压值。

进一步地，若所述模型箱前后左右以及底部五块有机玻璃连接处的强度不足，可采用角钢加固；所述钢丝网采用不锈钢制成；所述试验系统中的饱和土与无气水的体积视模型箱的体积、桶形基础的高度和贯入深度确定；所述吸力式桶形基础安装装置的尺寸可利用相似原理通过桶形基础原型尺寸确定；所述吸力式桶形基础安装装置的盖板与吸力桶本体一体制成；所述吸力式桶形基础安装装置的盖板直径需大于桶型基础外径；所述桶型基础上端面抵住吸力式桶形基础安装装置的盖板后再利用机械卡扣固定，使得两者固定后一同贯入饱和土中；所述通气孔通过气管连接进气口，从而将吸力式桶形基础安装装置与水气分离装置密封连接；所述吸力式桶形基础安装装置与桶形基础均为PVC桶，可观察桶内土体变形，且桶形基础与吸力桶本体之间存在一定间距。

进一步地，所述消波板为钢板，消波板和与其平行且靠近的有机玻璃板之间的距离由进水需求确定，以减少模型箱内进水引起的水位剧烈波动对试验的不利影响；所述消波板具有长格栅开口和短格栅开口，上下两个短格栅开口构成一组，与长格栅开口均匀相间分布于消波板上。

进一步地，所述给水系统中的给水装置用于给模型箱内补充无气水；所述自动水位控制装置内设有浮子，浮子高度随着模型箱内的水位线变化；当水位线下降时，浮子高度随着水位线下降，当水位线低于预设水位时自动水位控制装置开启，给水装置供水；当水位线慢慢上升后，浮子高度随着水位线而上升，当水位线到达预设水位时自动水位控制装置关闭，给水装置停止供水。

进一步地，所述负压调节系统中的水气分离装置中的进气管深入瓶内的长度应长于出气管深入瓶内的长度，第二真空表阀安装在水气分离装置的顶部，用于监测水气分离装置内的负压值；整个试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度应低于瓶内出气管管口的高度。

本发明另一方面提供了一种利用上述装置模拟离岸式桶型基础沉贯试验的方法，该方法包括以下步骤：

(1)组装试验装置：在桶形基础外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器并在吸力式桶形基础安装装置的盖板上布置位移监测点；在模型箱一侧架设消波板；将自动水位控制装置和给水装置组装成为给水系统；将水气分离装置的出气口与真空泵密封连接成为负压调节系统。

(2)制备饱和土：从模型箱底部从下往上依次布设一定厚度的砂石层、钢丝网和土工布，形成比上部砂土孔隙比大的垫层；再向模型箱内铺设一定高度的砂土，无气水通过进水阀并透过垫层进入砂土中用于制备无气的饱和土；饱和土总高度视模型箱高度而定，且要使消波板深入土层一定深度；待饱和土制备完毕，关闭进水阀，并在饱和土表面设置位移监测点。

(3)连接自动水位控制装置与给水装置，并向模型箱内注水，待到达预设水位，自动水位控制装置关闭，给水装置自动停止供水。

(4)利用机械卡扣将吸力式桶形基础安装装置的盖板的外沿底部与桶形基础的上端面固定，然后将两桶缓慢放入水中，桶体在重力作用下均匀下沉且插入饱和土一定深度，使得吸力式桶形基础安装装置内部成为一个密封空间，以保证之后的吸力过程中两桶内部与外部之间形成较好的密封效果，避免在吸力初期桶体裙端土体流动导致沉贯倾斜。

(5)采用密封气管连接吸力式桶形基础安装装置的通气孔和水气分离装置的进气口，打开真空泵，使得吸力式桶形基础安装装置和水气分离瓶内均为真空状态，然后连续施加负压保证桶形基础和吸力式桶形基础安装装置稳定、匀速贯入土体，直至将桶形基础下沉至设计标高处，停止抽气、关闭通气孔上的抽气阀门并记录相应的压强大小。

(6)利用数据采集仪在试验初始状态下以及贯入过程中实时采集并记录微型孔隙水压力传感器、土体表面位移传感器和真空表的读数，同时在停止抽气后进行桶上位移监测直至采集数据逐渐达到稳定状态，所述的稳定状态可根据相关规范确定。

(7)数据采集完后打开固定吸力式桶形基础安装装置的机械卡扣，将通气孔上的气管与注气装置连接并打开抽气阀门，向吸力式桶形基础安装装置内充气将其拔出，在拔出过程中监测模型箱内的土体表面位移，待吸力式桶形基础安装装置拔出后对桶形基础进行垂直度检测。

(8)为确保试验的准确性，避免偶然性，重复以上步骤(1)～(7)，并对采集到的数据进行计算分析，完成模拟离岸式桶形基础的沉贯试验，并确定桶形基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶形基础与吸力式桶形基础安装装置之间的间距。

进一步地，所述步骤(1)中，沿桶形基础外壁竖直方向按一定间距布置至少一列微型孔隙水压力传感器，其中所述微型孔隙水压力传感器的数量以及间距由桶形基础的入土深度确定；所述吸力式桶形基础安装装置和桶形基础到达预设标高处时，所有的微型孔隙水压传感器均位于土体内。

进一步地，所述步骤(4)中，通过比较第一真空表阀、第二真空表阀和真空泵上的负压调节表阀可以得出负压的损失率。

进一步地，所述步骤(5)中，施加的负压范围通过预试验中控制桶体贯入速度以及预试验中所测摩阻力大小来确定。

进一步地，在试验过程中，所述水气分离瓶中的泥液高度到达警戒高度时，关闭真空泵同时打开进气阀连通大气压，通过排水排泥阀排出瓶内的泥液，其中警戒高度由出气管深入瓶内的深度决定；为加快排水排泥速度可在打开进气阀同时关闭水气分离装置上与出气管相连通的阀门，并通过进气阀向水气分离瓶内注气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用的自动水位控制装置能够维持模型箱内的水位高度，可以客观模拟出大海水平面稳定不变的情况，保证模型试验充分模拟免开挖离岸式桶型基础安装的真实情况，有利于进一步完善离岸式桶形基础免开挖设计计算方法和相关施工技术；

2.本发明在模型箱内采用无气水制备饱和试验土体，避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)，也可以避免水中气泡干扰微型孔压传感器影响其测量精度；

3.本发明在模型箱内从下往上依次布置一定厚度的砾石层、钢丝网、土工布组成较大孔隙比的垫层，无气水从进水阀中进入透过垫层进入砂土中有利于制备优质无气的饱和土；

4.本发明在模型箱内一侧固定消波板，可以消除给水时产生的剧烈波动对模型试验中水面平稳的影响，避免干扰试验过程，影响试验测试所得结果；

5.本发明采用水气分离装置，该水气分离装置一是可为吸力式桶形基础安装装置内部提供稳定的负压环境，二是可将从吸力式桶形基础安装装置内吸出的小部分水和砂土暂时存储在水气分离装置内，避免将水和砂土直接吸入真空泵中；通过水气分离装置密封阀中的真空表可以精确控制吸力式桶形基础安装装置内的负压大小；

6.本发明将吸力式桶形基础安装装置作为免开挖安装的打桩装置，丰富了吸力式桶形基础安装装置的应用范围，同时完善实际海洋工程中使用吸力式桶形基础安装装置安装桶形基础免开挖计算公式和相关的施工技术。

附图说明

图1为模拟离岸式桶型基础试验模型装置结构示意图；

图2为吸力式桶形基础安装装置外观图；

图3为消波板结构示意图；

图中：模型箱1、进水阀1-1、砂石层1-2、钢丝网1-3、土工布1-4、饱和土1-5、无气水1-6、吸力式桶形基础安装装置2、盖板2-1、吸力桶本体2-2、通气孔2-3、第一真空表阀2-4、桶型基础3、微型孔隙水压力传感器3-1、消波板4、长格栅开口4-1、短格栅开口4-2、自动水位控制装置5、给水装置6、水气分离装置7、第二真空表阀7-1、进气口7-2、出气口7-3、真空泵8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例提供的一种模拟离岸式桶型基础试验模型装置，包括试验系统、给水系统和负压调节系统三个部分；所述试验系统包括模型箱1、吸力式桶形基础安装装置2、桶型基础3和消波板4；所述给水系统包括自动水位控制装置5和给水装置6；所述负压调节系统包括水气分离装置7和真空泵8；

所述模型箱1由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可实时观察模型箱1中试验情况，有机玻璃之间通过玻璃胶密封连接；所述模型箱1侧面底部设有一进水阀1-1，可向模型箱1内从下往上供水制备饱和土1-5；所述模型箱1内自下而上依次布设一定厚度的砂石层1-2、钢丝网1-3和土工布1-4；所述土工布1-4上方为饱和土1-5；所述模型箱1内注有距饱和土1-5表面一定高度的无气水1-6；所述饱和土1-5模拟海床；所述无气水1-6模拟海水环境；

如图2所示，所述吸力式桶形基础安装装置2是由盖板2-1和吸力桶本体2-2组合而成的PVC桶；所述盖板2-1上设有贯穿的通气孔2-3和第一真空表阀2-4；所述通气孔2-3上设有抽气阀门，所述通气孔2-3用于连通吸力式桶形基础安装装置2和负压调节系统；所述第一真空表阀2-4的底部设有阻水阻泥的保护装置，所述第一真空表阀2-4用于实时监测吸力式桶形基础安装装置2内的气压状态；

所述桶形基础3为无底无盖的PVC桶；所述桶形基础3能够通过机械卡扣固定在吸力桶本体2-2外侧，并抵住吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1；所述吸力式桶形基础安装装置2和桶形基础3的中心轴重合且均放置于模型箱1中心区域；所述桶形基础3外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器3-1；

所述消波板4平行并靠近于模型箱1一侧面安装，插入土层一定深度，且格栅开口底部略高于饱和土1-5表面，用以消除给水时产生的剧烈水位波动对试验的影响；在平行并靠近消波板4的模型箱1侧面上部安装自动水位控制装置5，所述自动水位控制装置5深入无气水1-6中一定深度；

所述水气分离装置7由第二真空表阀7-1、进气口7-2、出气口7-3和水气分离瓶组成；所述水气分离瓶上设有进气阀7-4和排水排泥阀7-5；所述第二真空表阀7-1用于实时监控水气分离瓶内的负压状态；所述进气口7-2通过气管与吸力式桶形基础安装装置2的通气孔2-3连通；所述出气口7-3通过气管与真空泵8相连通；所述真空泵8由负压调节表阀控制其负压值。

具体地，若所述模型箱1前后左右以及底部五块有机玻璃连接处的强度不足，可采用角钢加固；所述钢丝网1-3采用不锈钢制成；所述试验系统中的饱和土1-5与无气水1-6的体积视模型箱1的体积、桶形基础3的高度和贯入深度确定；所述吸力式桶形基础安装装置2的尺寸可利用相似原理通过桶形基础原型尺寸确定；所述吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1与吸力桶本体2-2一体制成；所述吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1直径需大于桶型基础3外径；所述桶型基础3上端面抵住吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1后再利用机械卡扣固定，使得两者固定后一同贯入饱和土1-5中；所述通气孔2-3通过气管连接进气口7-2，从而将吸力式桶形基础安装装置2与水气分离装置7密封连接；所述吸力式桶形基础安装装置2与桶形基础3均为PVC桶，可观察桶内土体变形，且桶形基础3与吸力桶本体2-2之间存在一定间距。

具体地，所述消波板4为钢板，消波板4和与其平行且靠近的有机玻璃板之间的距离由进水需求确定，以减少模型箱1内进水引起的水位剧烈波动对试验的不利影响；如图3所示，所述消波板4具有长格栅开口4-1和短格栅开口4-2，上下两个短格栅开口4-2构成一组，与长格栅开口4-1均匀相间分布于消波板4上。

具体地，所述给水系统中的给水装置6用于给模型箱1内补充无气水1-6；所述自动水位控制装置5内设有浮子，浮子高度随着模型箱1内的水位线变化；当水位线下降时，浮子高度随着水位线下降，当水位线低于预设水位时自动水位控制装置5开启，给水装置6供水；当水位线慢慢上升后，浮子高度随着水位线而上升，当水位线到达预设水位时自动水位控制装置5关闭，给水装置6停止供水。

具体地，所述负压调节系统中的水气分离装置7中的进气管深入瓶内的长度应长于出气管深入瓶内的长度，第二真空表阀7-1安装在水气分离装置7的顶部，用于监测水气分离装置7内的负压值；整个试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度应低于瓶内出气管管口的高度。

本实施例提供的一种利用上述装置模拟离岸式桶型基础沉贯试验的方法，该方法包括以下步骤：

(1)如图1所示组装试验装置：在桶形基础3外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器3-1并在吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1上布置位移监测点；在模型箱1一侧架设消波板4；将自动水位控制装置5和给水装置6组装成为给水系统；将水气分离装置7的出气口7-3与真空泵8密封连接成为负压调节系统。

其中，微型孔隙水压力传感器3-1的数量以及间距由桶形基础3的入土深度确定；吸力式桶形基础安装装置2和桶形基础3到达预设标高处时，所有的微型孔隙水压传感器3-1均位于土体内。

(2)制备饱和土1-5：从模型箱1底部从下往上依次布设一定厚度的砂石层1-2、钢丝网1-3和土工布1-4，形成比上部砂土孔隙比大的垫层；再向模型箱1内铺设一定高度的砂土，无气水1-6通过进水阀1-1并透过垫层进入砂土中用于制备无气的饱和土1-5；饱和土1-5总高度视模型箱1高度而定，且要使消波板4深入土层一定深度；待饱和土1-5制备完毕，关闭进水阀1-1，并在饱和土1-5表面设置位移监测点。

(3)连接自动水位控制装置5与给水装置6，并向模型箱1内注水，待到达预设水位，自动水位控制装置5关闭，给水装置6自动停止供水。

(4)利用机械卡扣将吸力式桶形基础安装装置2的盖板2-1的外沿底部与桶形基础3的上端面固定，然后将两桶缓慢放入水中，桶体在重力作用下均匀下沉且插入饱和土1-5一定深度，使得吸力式桶形基础安装装置2内部成为一个密封空间，以保证之后的吸力过程中两桶内部与外部之间形成较好的密封效果，避免在吸力初期桶体裙端土体流动导致沉贯倾斜。

(5)采用密封气管连接吸力式桶形基础安装装置2的通气孔2-3和水气分离装置7的进气口7-2，打开真空泵8，使得吸力式桶形基础安装装置2和水气分离瓶内均为真空状态，然后连续施加负压保证桶形基础3和吸力式桶形基础安装装置2稳定、匀速贯入土体，直至将桶形基础3下沉至设计标高处，停止抽气、关闭通气孔2-3上的抽气阀门并记录相应的压强大小；其中，施加的负压范围可以通过预试验中控制桶体贯入速度以及预试验中所测摩阻力大小来确定。

(6)利用数据采集仪在试验初始状态下以及贯入过程中实时采集并记录微型孔隙水压力传感器3-1、土体表面位移传感器和真空表的读数，同时在停止抽气后进行桶上位移监测直至采集数据逐渐达到稳定状态，所述的稳定状态可根据相关规范确定。

(7)数据采集完后打开固定吸力式桶形基础安装装置2的机械卡扣，将通气孔2-3上的气管与注气装置连接并打开抽气阀门，向吸力式桶形基础安装装置2内充气将其拔出，在拔出过程中监测模型箱1内的土体表面位移，待吸力式桶形基础安装装置2拔出后对桶形基础3进行垂直度检测。

(8)为确保试验的准确性，避免偶然性，重复以上步骤(1)～(7)，并对采集到的数据进行计算分析，完成模拟离岸式桶形基础的沉贯试验，并确定桶形基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶形基础3与吸力式桶形基础安装装置2之间的间距，同时通过比较第一真空表阀2-4、第二真空表阀7-1和真空泵8上的负压调节表阀可以得出负压的损失率。

在试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度到达警戒高度时，关闭真空泵8同时打开进气阀7-4连通大气压，通过排水排泥阀7-5排出瓶内的泥液，其中警戒高度由出气管深入瓶内的深度决定；为加快排水排泥速度可在打开进气阀7-4同时关闭水气分离装置7上与出气管相连通的阀门，并通过进气阀7-4向水气分离瓶内注气。

以上描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。