本发明专利技术涉及海洋工程技术领域，一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法，其中：测量装置，包括土槽、锚、第一、二力传感器、MEMS加速度传感器、锚链、滑轮、照相机、数据采集系统及作动器，测量方法，包括以下步骤：1、确定锚的初始位置，2、对锚进行加载及承载力的测量，3、对锚在土中运动轨迹的测量。本发明专利技术装置得到了最大简化，仅利用一个MEMS加速度传感器和两个力传感器，并依靠摄像机拍照，就可以确定锚在土中的运动轨迹和承载力随时间变化的关系曲线；另外，由于MEMS加速度传感器体积微小，质量极轻，测量精度高，贴在锚的表面几乎不会改变锚的重心位置；本发明专利技术适用于各种形式的锚，对锚自身构造和运动轨迹没有苛刻要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于海洋工 程
技术介绍
随着国民经济的高速发展和对化石能源的不断需求，石油天然气开采由浅海逐渐 向深海过渡。锚是船舶和海洋浮式结构的基础，通过锚链与上部平台结构连接，并依靠海床 土的锚固力抵抗上部结构传递的荷载。锚的承载力大小与锚在土中的姿态有很大关系，当 上拔荷载方向与锚的轴线方向大致垂直时，锚的承载力最大。因此，要深入研究锚在土中的 运动机理，就必须准确测量锚的运动轨迹和承载力。当上拔荷载超过海床土的承载能力时， 锚将会发生运动，包括竖直方向的平动（Az)、水平方向的平动（Ax)和沿轴线的转动（a) 三个自由度。由三个位移改变量可以确定锚的运动轨迹。锚的承载力指锚眼位置处受到的 上拔荷载，包括大小（Ta)和方向（0J两个参数；埋在土中部分的锚链也提供一部分抗拔 力，锚和锚链受到的总体上拔力称为整体承载力，包括大小（T。）和方向（0。）两个参数。综 上，要确定锚的运动轨迹有三个参数，分别是Az、Ax、a;要确定锚的承载力有四个参数， 分别是 Ta、0a、T。、0。。 模型试验是研究岩土工程问题的一种重要手段，它既可用来检验各种理论分析和 数值计算的结果，也可用来直接指导实际工程的设计和施工。在实验室里适用于预测模型 锚运动轨迹和承载力的方法包括离心模型试验（ng)和常规重力试验（Ig)。之前关于锚承 载力和运动轨迹的研究成果总结如下： 1994年，Neubecker和Randolph进行了拖曳锚在砂土中切削安装过程的离心模 型试验，在模型锚的上表面固定一个与之垂直的探针，通过露在土外侧的探针长度和倾斜 角度可确定锚竖直方向的埋深、水平方向的位移和旋转角度，并由三个位移变化量确定锚 在土中的运动轨迹。该方法操作便捷，计算公式简单，但探针自重和受到的土阻力会改变整 体的重心位置和受力点位置，进而影响锚的运动轨迹。 2000年，Dahlberg和Strom在黏土中进行了拖曳锚的海岸场地测试，模型锚的 尺寸是原型的30-40%，将轨迹跟踪器固定在锚板上，可测得锚的方位角、旋转角和拖曳力。 用位移传感器测量锚在土中走过的距离。根据测到的方位角、旋转角和距离，可以计算出锚 在土中的运动轨迹。试验结果表明，初始段预测的运动轨迹与实际测量结果比较一致，但随 着运动距离的增大，二者的偏差逐渐增大。且轨迹跟踪器的尺寸比较大，不适合用于小比尺 模型试验中。 2000年，Goncalves等在黏土中进行了拖曳锚安装过程的水槽试验。该试验设 计了一套定位系统，在模型锚上固定三根碳纤维绳，将三个位移传感器分别连在三根绳的 另一端，由传感器测到的位移改变量可反推出模型锚在土中的位置和转角。该方法操作简 单，但由于绳子是柔性的，在土中受阻力影响时其形状不是斜直线，而文中假定绳子在土中 保持直线形式，所以计算结果误差比较大。 2000年，NuneS等设计了一套适用于现场测试的预测拖曳锚运动轨迹的装置。该 装置主要包括光学编码器和磁感线发射器，能够捕捉锚板的倾斜角、旋转角和位移，用迭代 公式可以确定锚板的运动轨迹。该方法适用于现场测试或大比尺模型试验，由于装置尺寸 较大而不适合用于小比尺模型试验中。 2002年，Elkhatib等在高岭土中进行了拖曳锚安装过程的离心模型试验，将高 锰酸钾晶体粘在模型锚上，当锚运动时高锰酸钾会在土中留下痕迹。试验结束后将土小心 剖开，可以清晰看到锚的运动轨迹。该方法操作难度大，剖开土体时不可避免会使痕迹周围 的土受到扰动。且该方法只适用于小比尺模型试验，不适合用于大比尺模型试验或现场测 试中。 2007年，Shelton?等在透明土中模拟了板翼动力锚的旋转调节过程，试验槽 (长X宽X高=1.8X0. 6X1. 5m)的四面为透明的玻璃，便于观测试验结果。用锂皂石粉 末加水搅拌成一种半透明的胶状体模拟海洋土，在试验时可以直接观察到锚的运动轨迹。 但由于人工合成的透明土与天然土的性质差异较大，所以得到结果不能直接应用到实际工 程中。三轴试验表明 ，透明土达到峰值强度时的应变大于自然土，且模拟孔隙流体的溶液 会影响透明土的压缩固结曲线，因此透明土试验测试结果与实际情况有较大差异。 2011年，Zhangw在Ig条件下模拟了拖曳锚切削土体的安装过程，在模型锚上布 设倾角传感器测量锚的方位角。在锚的尾部系一根细线，细线通过固定在试验槽上的滑轮 引出土外，用位移传感器测量细线经过的位移，认为细线走过的距离即为模型锚在土中经 过的位移。由测到的位移和倾角可以反推出锚在土中的运动轨迹。该方法精度比较高，但 只适用于预测拖曳锚切削土体下潜过程的运动轨迹。当锚受上拔荷载时，在竖直方向会有 向上的位移，称为埋深损失。用该方法不能预测锚在受上拔荷载时的运动轨迹。 其他的新型试验方法包括雷达、红外线、X光、CT扫描成像等技术因为其造价高 昂，且存在电磁辐射等潜在危险，所以在试验中应用受限，更无法在实际工程中使用。 模型试验存在以下试验方法上的困难：（1)小比尺试验中用到的模型锚很小，在 上面布设测试传感器会改变模型锚的质量、重心等，影响锚的运动姿态和试验精度。（2)对 传感器的大小、形状、重量提出了更高的要求，且要求传感器的量程小，分辨率高。市面上主 流的传感器很难达到试验精度要求。（3)模型试验中一般以高岭土模拟海底软黏土，由于土 的不透明性，不能直接观察到埋在高岭土中模型锚的运动姿态。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种用于测量锚在土中运动 轨迹和承载力的装置及方法。该装置得到了最大简化，仅利用一个MEMS加速度传感器和两 个力传感器，并依靠照相机拍照，就可以确定锚在土中的运动轨迹和承载力随时间变化的 关系曲线；另外，由于MEMS加速度传感器体积微小，质量极轻，测量精度高，贴在锚的表面 几乎不会改变锚的重心位置；本专利技术适用于各种形式的锚，对锚自身构造和运动轨迹没有 苛刻要求。 为了实现上述专利技术目的，解决现有技术中所存在的问题，本专利技术采取的技术方案 是：一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置，包括土槽、锚、第一、二力传感器、 MEMS加速度传感器、锚链、滑轮、照相机、数据采集系统及作动器，所述锚上分别开有凹形槽 和设置有锚眼，所述MEMS加速度传感器置于凹槽内，确保MEMS加速度传感器的轴线与锚的 轴线平行，并采用环氧树脂加以封装，所述锚眼通过锚链与第一力传感器的一端连接，所述 第一力传感器的另一端通过锚链与第二力传感器的一端连接，所述第二传感器的另一端通 过锚链及滑轮与作动器连接，并确保第二传感器位于土表面之上，所述第一、二力传感器、 MEMS加速度传感器分别与数据采集系统连接。 -种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的方法，包括以下步骤： 步骤1、确定锚的初始位置：在锚眼距滑轮水平距离为X。的位置，采用加载装置将 锚铅锤向压入土中，锚眼的初始埋深z。由加载装置中自带的位移传感器确定，并同时测量 出滑轮到土表面的高度h; 步骤2、对锚进行加载及承载力的测量：通过作动器施加到锚链上的力不断增大， 当锚链传递到锚上的作用力大于土体抗力时，锚开始运动；在此过程中，采用MEMS加速度 传感器记录锚的转角a，通过第一力传感器测定锚上的承载力Ta，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置，包括土槽、锚、第一、二力传感器、MEMS加速度传感器、锚链、滑轮、照相机、数据采集系统及作动器，其特征在于：所述锚上分别开有凹形槽和设置有锚眼，所述MEMS加速度传感器置于凹槽内，确保MEMS加速度传感器的轴线与锚的轴线平行，并采用环氧树脂加以封装，所述锚眼通过锚链与第一力传感器的一端连接，所述第一力传感器的另一端通过锚链与第二力传感器的一端连接，所述第二传感器的另一端通过锚链及滑轮与作动器连接，并确保第二传感器位于土表面之上，所述第一、二力传感器、MEMS加速度传感器分别与数据采集系统连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘君，韩聪聪，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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