一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置和方法，该装置包括模型箱、吸力锚、导向板、弧形导轨、立柱、位移微调装置和水平限位装置。所述吸力锚侧壁设有竖向滑动轨道，并埋置于圆筒形模型箱内，模型箱箱顶沿半圆弧等间距布置四根立柱；所述导向板由竖向板和顶端径向三角支架组成，并套设在上、中、下弧形导轨上，使其可沿模型箱箱壁圆周移动；导向板通长布置滑动轨道，顶端连接水平限位装置；所述位移微调装置分别卡设在吸力锚和导向板的滑动轨道上，两者通过锚链连接，并借助滑轮将锚链引出模型箱。本发明专利技术可对竖向任意锚点和空间任意角度下吸力锚抗拔承载力进行动态测试，为确定最佳系泊点深度和受荷方向提供了试验方法，适用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置和方法
本专利技术涉及一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置和方法，属于海洋岩土工程

技术介绍
随着我国油气开采逐渐进入深水区，吸力锚基础被广泛应用于浮动钻井平台和海上风电风机塔架等的系泊和锚固。在海洋环境下，吸力锚一方面承受上部结构浮力所引起的张拉荷载，另一方面承受风、浪、流等循环荷载的作用，受力性状较为复杂，易发生锚固破坏。吸力锚基础的稳定性与破坏机理是其工作状态设计中的关键问题，直接影响到海上浮动结构的整体安全。由于锚链(系泊缆)传递的拉拔荷载可分解为竖向及水平荷载，土体对吸力锚的极限抗力是一个空间三维受力问题，其极限承载力受基础长径比、加荷速度、锚点位置和加载方向等多种因素的影响。当荷载方向固定时，吸力锚抗拔承载力达到最大值所对应的锚点位置称为最佳系泊点。不同锚点位置以及加载角度下，吸力锚可能出现向前(后)倾覆破坏、平动破坏和竖向剪切破坏等失稳模式。为提高基础的抗拔能力和控制基础变形，有必要确定最佳加载点位置和最佳加载角度。中国专利CN204575314U公开了一种研究深水吸力锚承载特性的试验装置，通过加载设备在支撑架上的竖向移动来改变受力角度，从而实现吸力锚极限承载力随荷载角度变化的测定。但该专利只限于系泊点的间隔变化，拉力与竖直方向的夹角范围也仅能在15°~45°内调整，水平角度的变化需通过调整吸力锚实现。中国专利CN102708302B公开了一种考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法，通过分析锚链力学特性及其与海洋土体的相互作用模型，确定力与位移的关系，得出吸力锚锚固极限荷载。然而，该数值模拟方法仅针对单一状态下的极限承载力进行分析，未讨论最佳系泊点及最佳加载角度，且结果精度易受边界条件、材料属性和结构离散形式的影响。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置和方法，以实现对吸力锚竖向任意锚点和空间任意角度的动态抗拔承载力测试。本专利技术利用位移微调装置实现吸力锚上锚点与荷载竖向角度的连续性变化，并通过导向板沿弧形导轨的圆周运动，动态调整水平角度，从而为吸力锚抗拔承载力提供动态测试。本专利技术提供了一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置，包括模型箱、立柱、吸力锚、导向板、弧形导轨和水平限位装置；所述模型箱为钢制圆筒，模型箱内填筑模型土和盛放水体，吸力锚埋设在模型箱内的土体中部；模型箱上方连接立柱，立柱共设有四根，包括两根边立柱和两根中立柱，四根立柱均匀分布在模型箱顶部的一侧半圆环上，边立柱底端通过垫板与模型箱筒壁连接，中立柱底部插入模型箱顶部的中立柱基座中，并穿过螺栓紧固；所述吸力锚位于模型箱中心，并与其同轴；吸力锚顶盖可拆卸，吸力锚顶端与模型土土面齐平，吸力锚外壁靠近立柱一侧设置竖向滑动轨道并安装位移微调装置；所述导向板包括竖直方向的竖向板和三角支架，三角支架设置在竖向板的顶端，三角支架包括悬臂横梁和斜撑，悬臂横梁垂直设置在竖向板顶部，斜撑一端与悬臂横梁连接，另一端固定在竖向板上；竖向板侧壁设置竖向滑动轨道，在轨道内安装位移微调装置，在导向板的底端、中部、顶端外侧面分别设置与弧形导轨连接的卡扣，卡扣通过螺栓紧固；竖向板顶部的平面和斜面上分别设有第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮垂直于顶端平面固定，第二滑轮垂直于侧面固定，在悬臂横梁上设有悬臂杆上滑轮；所述弧形导轨分别为上弧形导轨、中弧形导轨、下弧形导轨，上、中、下弧形导轨分别通过卡扣与导向板的上部、中部、下部连接；所述下弧形导轨两端焊接于模型箱内壁的挡板上；所述挡板对称布置于模型箱内壁；中弧形导轨通过中立柱基座固定，中弧形导轨两端与边立柱中部连接；上弧形导轨支承于中立柱顶部的卡槽内，上弧形导轨的两端与边立柱上端连接；所述水平限位装置由位于同一水平面内的第一螺杆、第二螺杆与径向螺杆组成，所述第一、第二螺杆为平行布置，径向螺杆与第一螺杆、第二螺杆的一端端部垂直连接，第一螺杆、第二螺杆的另一端通过十字套筒分别与竖向板顶端的竖向螺杆相连；所述径向螺杆与第一、第二螺杆始终垂直，径向螺杆端部固定于边立柱上端；吸力锚能与导向板或悬臂横梁上的位移微调装置通过锚链连接，锚链穿过滑轮，借助滑轮将锚链引出模型箱。进一步地，所述位移微调装置包括导轨、滑块和连杆，所述导轨为两组带螺孔的平行轨道；滑块由连接钢片、小挡块、螺杆和套筒组成，滑块设置有两个，分别沿两组导轨外侧平行布置；其中，螺杆和连接钢片两端均分别固定于两侧挡板上，在螺杆上套设套筒，并在连接钢片上预设一对与导轨相对应的螺孔；套筒两端预留一对螺母，当位移调节到位后，用于固定套筒位置，并通过矩形的连杆将两套筒焊接为一体；在吸力锚或导向板的侧壁上或悬臂横梁的上方分别设有位移微调装置；位移微调装置与吸力锚连接时，位移微调装置的导轨焊接于吸力锚侧壁上，吸力锚侧壁上的位移微调装置的连杆上设有卡环；位移微调装置与导向板或悬臂横梁连接时，竖向导向板和悬臂横梁上的位移微调装置的连杆与滑轮焊接为一体。进一步地，模型箱顶部的中立柱基座焊接于模型箱外壁，内侧与模型箱内壁齐平，中立柱基座的端部凸棱处设有通孔，中弧形导轨从该孔穿过；通孔旁边设有螺栓孔用于固定中立柱。进一步地，竖向板的横截面为弧形，该弧形对应的圆心与模型箱中心轴线重合，竖向板外侧面紧贴模型箱内壁；在竖向板顶部第一滑轮两侧分别设置竖向螺杆，通过十字套筒与水平限位装置的第一螺杆、第二螺杆连接。进一步地，当导向板沿弧形导轨做圆周运动时，水平限位装置上的沿径向螺杆动态移动，从而限定导向板沿弧形导轨的水平切向移动。进一步地，所述悬臂横梁沿径向设置，并等间距预设螺孔，以便安装位移微调装置；悬臂横梁、斜撑与竖向板三者之间均通过螺栓连接。进一步地，所述卡扣为弧形空心套筒，侧壁设置缺口并平行延伸一对钢板，钢板两端设置螺栓孔，通过拧紧螺栓螺母增加卡扣与弧形导轨的接触面摩擦力；所述十字套筒为两个直筒交叉竖直焊接为整体。进一步地，所述边立柱与上、中弧形导轨连接处设有螺孔，上、中弧形导轨的两端均设置成带螺纹的直杆并与边立柱通过螺母紧固连接。本专利技术提供了一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验方法，包括以下步骤：（1）导向板底部卡扣与下弧形导轨相扣，但未紧固；（2）调整吸力锚侧壁位移微调装置，具体操作为：移动滑块，使滑块处于锚点位置，将螺杆上的套筒精调至锚点位置，并通过螺母固定；（3）沿下弧形导轨圆周移动导向板，到达预定角度后，固定导向板底面卡扣，将中弧形导轨穿过中立柱底部基座的矩形孔以及导向板中部卡扣；安装边立柱以及水平限位装置中的径向螺杆；用螺母紧固中弧形导轨与边立柱，并使中弧形导轨与中立柱底部基座的矩形孔外侧内壁接触；之后安装上弧形导轨，使其穿过导向板的上部卡扣，并通过螺栓紧固；同时将上弧形导轨支承于中立柱顶部凹槽内，其端部直杆部分穿过边立柱，并与其固定连接；（4）向模型箱内填筑土体至吸力锚底部，接着将吸力锚置于土体表面中央，继续填土至吸力锚上锚点位置；（5）锚链连接；当锚链与吸力锚中心轴所成角度θ较大时（arctan(R/H)≤θ<90º，H为锚点至导向板顶端竖直距离；R为吸力锚中心至导向板水平距离），将卡环上的锚链与导向板第一滑轮以及第二滑轮连接，锚链呈松弛状态；调整导向板上位移微调装置，使锚链与吸力锚中心轴成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置，其特征在于：包括模型箱、立柱、吸力锚、导向板、弧形导轨和水平限位装置；所述模型箱为钢制圆筒，模型箱内填筑模型土和盛放水体，吸力锚埋设在模型箱内的土体中部；模型箱上方连接立柱，立柱共设有四根，包括两根边立柱和两根中立柱，四根立柱均匀分布在模型箱顶部的一侧半圆环上，边立柱底端通过垫板与模型箱筒壁连接，中立柱底部插入模型箱顶部的中立柱基座中，并穿过螺栓紧固；所述吸力锚位于模型箱中心，并与其同轴；吸力锚顶盖可拆卸，吸力锚顶端与模型土土面齐平，吸力锚外壁靠近立柱一侧设置竖向滑动轨道并安装位移微调装置；所述导向板包括竖直方向的竖向板和三角支架，三角支架设置在竖向板的顶端，三角支架包括悬臂横梁和斜撑，悬臂横梁垂直设置在竖向板顶部，斜撑一端与悬臂横梁连接，另一端固定在竖向板上；竖向板侧壁设置竖向滑动轨道，在轨道内安装位移微调装置，在导向板的底端、中部、顶端外侧面分别设置与弧形导轨连接的卡扣，卡扣通过螺栓紧固；竖向板顶部的平面和斜面上分别设有第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮垂直于顶端平面固定，第二滑轮垂直于侧面固定，在悬臂横梁上设有悬臂杆上滑轮；所述弧形导轨分别为上弧形导轨、中弧形导轨、下弧形导轨，上、中、下弧形导轨分别通过卡扣与导向板的上部、中部、下部连接；所述下弧形导轨两端焊接于模型箱内壁的挡板上；所述挡板对称布置于模型箱内壁；中弧形导轨通过中立柱基座固定，中弧形导轨两端与边立柱中部连接；上弧形导轨支承于中立柱顶部的卡槽内，上弧形导轨的两端与边立柱上端连接；所述水平限位装置由位于同一水平面内的第一螺杆、第二螺杆与径向螺杆组成，所述第一、第二螺杆为平行布置，径向螺杆与第一螺杆、第二螺杆的一端端部垂直连接，第一螺杆、第二螺杆的另一端通过十字套筒分别与竖向板顶端的竖向螺杆相连；所述径向螺杆与第一、第二螺杆始终垂直，径向螺杆端部固定于边立柱上端；吸力锚能与导向板或悬臂横梁上的位移微调装置通过锚链连接，锚链穿过滑轮，借助滑轮将锚链引出模型箱。...

【技术特征摘要】
1.一种动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置，其特征在于：包括模型箱、立柱、吸力锚、导向板、弧形导轨和水平限位装置；所述模型箱为钢制圆筒，模型箱内填筑模型土和盛放水体，吸力锚埋设在模型箱内的土体中部；模型箱上方连接立柱，立柱共设有四根，包括两根边立柱和两根中立柱，四根立柱均匀分布在模型箱顶部的一侧半圆环上，边立柱底端通过垫板与模型箱筒壁连接，中立柱底部插入模型箱顶部的中立柱基座中，并穿过螺栓紧固；所述吸力锚位于模型箱中心，并与其同轴；吸力锚顶盖可拆卸，吸力锚顶端与模型土土面齐平，吸力锚外壁靠近立柱一侧设置竖向滑动轨道并安装位移微调装置；所述导向板包括竖直方向的竖向板和三角支架，三角支架设置在竖向板的顶端，三角支架包括悬臂横梁和斜撑，悬臂横梁垂直设置在竖向板顶部，斜撑一端与悬臂横梁连接，另一端固定在竖向板上；竖向板侧壁设置竖向滑动轨道，在轨道内安装位移微调装置，在导向板的底端、中部、顶端外侧面分别设置与弧形导轨连接的卡扣，卡扣通过螺栓紧固；竖向板顶部的平面和斜面上分别设有第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮垂直于顶端平面固定，第二滑轮垂直于侧面固定，在悬臂横梁上设有悬臂杆上滑轮；所述弧形导轨分别为上弧形导轨、中弧形导轨、下弧形导轨，上、中、下弧形导轨分别通过卡扣与导向板的上部、中部、下部连接；所述下弧形导轨两端焊接于模型箱内壁的挡板上；所述挡板对称布置于模型箱内壁；中弧形导轨通过中立柱基座固定，中弧形导轨两端与边立柱中部连接；上弧形导轨支承于中立柱顶部的卡槽内，上弧形导轨的两端与边立柱上端连接；所述水平限位装置由位于同一水平面内的第一螺杆、第二螺杆与径向螺杆组成，所述第一、第二螺杆为平行布置，径向螺杆与第一螺杆、第二螺杆的一端端部垂直连接，第一螺杆、第二螺杆的另一端通过十字套筒分别与竖向板顶端的竖向螺杆相连；所述径向螺杆与第一、第二螺杆始终垂直，径向螺杆端部固定于边立柱上端；吸力锚能与导向板或悬臂横梁上的位移微调装置通过锚链连接，锚链穿过滑轮，借助滑轮将锚链引出模型箱。2.根据权利要求1所述的动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置，其特征在于：所述位移微调装置包括导轨、滑块和连杆，所述导轨为两组带螺孔的平行轨道；滑块由连接钢片、小挡块、螺杆和套筒组成，滑块设置有两个，分别沿两组导轨外侧平行布置；其中，螺杆和连接钢片两端均分别固定于两侧挡板上，在螺杆上套设套筒，并在连接钢片上预设一对与导轨相对应的螺孔；套筒两端预留一对螺母，当位移调节到位后，用于固定套筒位置，并通过矩形的连杆将两套筒焊接为一体；在吸力锚或导向板的侧壁上或悬臂横梁的上方分别设有位移微调装置；位移微调装置与吸力锚连接时，位移微调装置的导轨焊接于吸力锚侧壁上，吸力锚侧壁上的位移微调装置的连杆上设有卡环；位移微调装置与导向板或悬臂横梁连接时，竖向导向板和悬臂横梁上的位移微调装置的连杆与滑轮焊接为一体。3.根据权利要求1所述的动态测试吸力锚抗拔承载力的试验装置，其特征在于：模型箱顶部的中立柱基座焊接于模型箱外壁，内侧与模型箱内壁齐平，中立柱基座的端部凸棱处设有通孔，中弧形导轨从该孔穿过；通孔旁边设...

【专利技术属性】
技术研发人员：章敏，李子阳，赵仓龙，郝红，苏锋，牛晓波，张大伟，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14