本发明专利技术公开了一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置及方法，包括底座、土塞实时测量系统、位移测试系统、模型箱及吸力基础。土塞实时测量系统包括定滑轮、可伸缩套筒、圆形套筒、钢丝绳、圆孔板和土塞接口。位移测试系统包括固定支架、位移传感器和位移接口。测试过程将土塞实时测量系统埋置于模型箱内，在负压作用下吸力基础内土塞带动圆孔板向上移动，通过位移传感器的水平移动距离可实时测得吸力基础安装过程中的土塞高度，揭示吸力基础安装过程中土塞效应的动态演化作用机理。用机理。用机理。
【技术实现步骤摘要】
一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置及方法
技术介绍
[0001]本专利技术涉及海洋工程结构物锚固基础的研究，尤其是一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置及方法。
[0002]吸力基础在海洋工程建设中被广泛应用，它是目前作为固定海洋平台、风力发电机海上光伏结构的一种新型地基结构。研究发现吸力基础可以在黏性土、砂土以及层状土中均可以顺利安装。但是顺利安装与工程设计安装高度存在差别，这主要是由于吸力基础安装过程中由于负压的作用导致内部土体向上隆起，产生的土塞效应制约了最终安装设计高度，土塞高度即为吸力基础内部上层土体表面到海床表面的距离。而吸力基础安装至预设位置是满足服役设计年限要求的前提，当土塞高度大于容许值时，吸力基础将无法安装至设计预定位置，进而影响吸力基础的承载力及上部结构稳定性。目前，对于土塞高度的研究主要聚焦于最终安装后的土塞高度，主要是一个粗略值，由于吸力基础采用钢制结构或混凝土结构制作，无法进行直接观察，不能确保最终土塞高度的精确度。此外吸力基础内部的土塞高度是实时变化的，与安装深度具有一定的相关性。明确土塞高度实时变化的动态演化过程，对于吸力基础的结构设计及安装方法至关重要。
[0003]现有技术的相关研究报道主要有：
[0004]中国专利公开号为CN 110243272 B，2021.01.29公开了一种测量吸力基础沉贯土塞和水塞高度的试验装置及测量方法，该装置考虑考虑吸力基础安装过程中的土塞和水塞的协同作用，通过激光信号与实心感应磁环的反射信号测量吸力基础沉贯土塞和水塞高度。虽然该装置的理念有一定的创新性，但是由于水体对光线具有折射和发散的作用，而且将感应磁环浮于吸力基础水面上面对基础内封闭自由水的排水有巨大的阻碍作用。此外，将磁致伸缩传感器的端头固定在吸力基础模型顶板中心，相当于改变了吸力基础顶板光滑的结构，而且基础内的密闭性不能保证。而本专利技术保证了吸力基础的原有结构，通过小型的土塞实时测量系统避免了吸力基础密闭性差对试验结果的影响，而且设置的薄型圆孔板便于密闭自由水通过，提高了土塞实时测量的精确度。
[0005]中国专利公开号为CN 106836317 B，2018.07.03公开了一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用，该试验装置以开口管桩基础作为研究对象，通过将导杆竖直设于开口管桩内部来测量动力沉桩过程的土塞高度。该结构对于桩基础来说其操作性很强，当时吸力基础与桩基础存在本质的区别，吸力基础顶部是一种密闭结构，而桩管相当于上下开口的圆柱筒。此外，吸力基础的土塞形成主要是由于负压作用；而桩管无负压，是通过动力撞击产生的土塞，是一种挤压效应。
[0006]中国专利公开号为CN 215676781 U，2022.01.28公开了一种用于室内试验负压桶土塞的测量装置，该装置通过在桶体内插入土塞测量管和土塞测量尺进行试验，需要在模型桶的顶板上开设一个直径与土塞测量尺的直径适配的插孔。从本质上来讲，该方法破坏
了模型桶的结构，多增加了孔洞，其密闭性就减弱。而且，通过测量尺进行不同位置读数的方法测量相对来说是一个静态的过程。而本专利技术通过位移测试系统可实时测量土塞形成的动态演化过程，这对后期基础的安装至关重要。
[0007]中国专利公开号为CN 216552119 U，2022.05.17公开了一种管桩土塞高度测量装置，该装置在管桩内部安装测量机构，通过钢丝绳与平衡块来进行阶段性的土塞高度测量。可以发现该装置对土塞的测量仍然是一个静态过程，不能实现实时测量的效果，而且与吸力基础相比有巨大的差异性。
技术实现思路
[0008]本专利技术针旨在提供一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，解决海洋环境中吸力基础安装过程中土塞高度的实时测量，具有实验数据精确度高、系统完善、操作便捷的特点。
[0009]为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，包括底座、土塞实时测量系统、位移测试系统、模型箱及吸力基础。
[0010]所述底座和土塞实时测量系统组成土塞测量装置；所述土塞实时测量系统包括定滑轮、可伸缩套筒、圆形套筒、钢丝绳、圆孔板和土塞接口；所述位移测试系统包括固定支架、位移传感器和位移接口。
[0011]所述土塞实时测量系统置于底座上方，二者之间固定连接。土塞实时测量系统与位移测试系统通过土塞接口和位移接口进行连接。此外，所述模型箱中下层铺设土层，上层为水层。所述吸力基础包括顶部的排水孔、内部密闭自由水和土塞。
[0012]作为上述方案的优选，所述可伸缩套筒和圆形套筒固定连接组成“U”型密闭测试管道，该管道选用透明有机材料。定滑轮沿着45
°
方向布置在圆形套筒的转角处。钢丝绳一端连接圆孔板，另一端与土塞接口线性连接。试验过程钢丝绳涂抹凡士林，避免钢丝绳与定滑轮之间的细小摩擦，提高试验的精确度。
[0013]进一步优选为，所述可伸缩套筒可以随意调节高度，在实验实施过程中，可根据不同比例尺寸下的吸力基础模型及土层对伸缩套筒的高度进行调节。
[0014]进一步优选为，所述圆孔板下方固定连接小型钉子结构，达到土体与圆孔板形成一个整体的效果，防止圆孔板在渗流力作用下发生漂浮。圆孔板为厚度1mm和直径为1/4
‑
1/8的吸力基础直径，减轻圆孔板的自身重度对土塞形成的影响。此外均匀布置多个圆孔，便于吸力作用下通过排水孔泵送出吸力基础中的密闭水。
[0015]进一步优选为，所述位移接口与土塞接口连接，位移传感器的水平运动位移即为土塞高度。
[0016]进一步优选为，所述装置可以满足测量模型箱中的土层为砂土、黏性土和层状土等土体中吸力安装过程中土塞高度。
[0017]同时本专利技术还提供了一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度的动态演化试验方法，包括上述的一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，试验测试方法如下：
[0018]A：将土塞测试装置预埋至模型箱中，可伸缩套筒与土层的表面调制同一标高；
[0019]B：将圆孔板的下端刺入土层，缓慢拉动土塞接口保证钢丝绳在每个阶段处于直线
状态；
[0020]C：将位移测试系统调制到与钢丝绳处于同一水平位置与位移接口连接，在此过程使得钢丝绳处于紧缩状态。
[0021]D：吸力基础沉放在圆孔板上方任一位置，实现测试吸力基础内不同位置的土塞变化情况，然后，吸力基础在自重作用下贯入土层一定深度，完成自重沉贯；
[0022]E：排水孔与抽水泵连接，将抽水泵和位移传感器同时打开，吸力基础模型内外产生压力差，吸力基础模型在内外压力差作用下逐渐贯入土体，此时基础内部土塞逐渐上升，通过数据采集设备，可测得吸力基础安装过程中的深度与内部土塞的实时变化情况；
[0023]F：若进行多组吸力基础的土塞测量试验，反复操作即可。
[0024]本专利技术的有益效果，一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，其特征在于：包括底座(1)、土塞实时测量系统(2)、位移测试系统(3)、模型箱(4)及吸力基础(5)。所述底座(1)和土塞实时测量系统(2)组成土塞测量装置。所述土塞实时测量系统(2)包括定滑轮(2a)、可伸缩套筒(2b)、圆形套筒(2c)、钢丝绳(2d)、圆孔板(2e)和土塞接口(2f)。所述位移测试系统(3)包括固定支架(3a)、位移传感器(3b)和位移接口(3c)。土塞实时测量系统(2)置于底座(1)上方，二者之间固定连接。土塞实时测量系统(2)与位移测试系统(3)通过土塞接口(2f)和位移接口(3c)进行连接。此外，所述模型箱(4)中下层铺设土层(4a)，上层为水层(4b)。所述吸力基础(5)包括顶部的排水孔(5a)、内部密闭水(5b)和土塞(5c)。2.按照权利要求1所述的一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，其特征在于：所述可伸缩套筒(2b)和圆形套筒(2c)固定连接组成“U”型密闭测试管道，该管道选用透明有机材料。定滑轮(2a)沿着45
°
方向布置在圆形套筒(2c)的转角处。钢丝绳(2d)一端连接圆孔板(2e)，另一端与土塞接口(2f)线性连接。试验过程钢丝绳(2d)涂抹凡士林，避免钢丝绳(2d)与定滑轮(2a)之间的细小摩擦，提高试验的精确度。3.按照权利要求1所述的一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，其特征在于：可伸缩套筒(2b)可以随意调节高度，在实验实施过程中，可根据不同比例尺寸下的吸力基础模型及土层(4a)对伸缩套筒(2b)的高度进行调节。4.按照权利要求1所述的一种实时测量吸力基础安装过程中土塞高度动态演化的试验装置，其特征在于：圆孔板(2e)下方固定连接小型钉子结构，达到土体与圆孔板(2e)形成一个整体的效果，防止圆孔板(2e)在渗流力作...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵继鹏，李大勇，吴宇旗，张雨坤，梁昊，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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