CN108776211B - 一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置，该装置包括海洋桶形基础、千斤顶、进气喷管等；现有的科学技术几乎无法在现场探明海床中大范围的土体内部气力劈裂的蔓延路径，现有的理论也无法准确预测其可能的喷发路径。为解决以上问题，本发明模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变，再现实际环境下气力劈裂的灾变过程，并基于此解释气力劈裂灾变的灾变机制，为探明浅层气喷发对既有海洋基础影响提供了模型技术和观测手段。基于本发明的模型实验研究，将为我国未来大湾区建设过程中海洋基础的选址、安全性评价提供关键的科学技术支持。
Description
技术领域
本发明属于海床地质工程灾变模拟的技术领域，一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置。
背景技术
我国的三大海域(南海、东海、环渤海)蕴藏了丰富的海底油气等资源。上述资源的开发大多依赖于海上钻井平台，海床地基是钻井平台基础的最终承载者。
不幸的是，我国三大海域的海床地基中，广泛浅埋有高压沼气。当气压聚集到一定的程度，浅层气就会向上劈裂海床基地、并在海床表面形成巨坑(直径可达数百米)。这种浅层气喷发灾变很可能导致附近既有海洋基础倒塌，而阻碍深海资源的开发。由于缺乏上述灾变机制的模拟手段，目前国际上尚缺乏对斜坡海床中气力劈裂的启动条件、气力劈裂灾变蔓延范围的深刻认识，这给浅层气海床地基中海洋基础的设计、选址带来了很大难度。
目前国际上尚缺乏对气力劈裂的启动条件、劈裂扩展路径的深刻认识，这阻碍了工程上对浅层高压气气力劈裂的预测，是深海资源开发的一个大障碍。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置，其特征在于，包括基座，安装在基座上的倾斜装置、安装在所述倾斜装置上的模型箱和反力架，模型箱内具有透明土，透明土中倒扣有一海洋桶形基础，加载于海洋桶形基础的加载***，以及原位T型触探器、光源***和图像采集器。
所述倾斜装置包括2号底板、2号支杆和4号千斤顶；所述2号支杆和4号千斤顶竖直固定在基座上，所述2号底板一端铰接于2号支杆顶端，另一端位于4号千斤顶上；
反力架包括竖直固定于基座上的1号反力架竖杆、2号反力架竖杆，反力架顶板的两端与1号反力架竖杆、2号反力架竖杆顶端固接；
模型箱通过若干根支撑柱固定于2号底板上，模型箱的底面上沿前后方向开有一列进气孔，每个进气孔处设置有一个喷气装置，喷气装置通过导管与一气泵相连；气泵为伺服气泵；模型箱的一内侧壁沿进气孔的排列方向固定有多组声波发射器，相对的另一内侧壁固定有多组声波接收器；每组声波发射器、和声波接收器对应一个测试平面，每个测试平面对应一个喷气装置；
所述喷气装置包括位于测试平面内的半圆弧支架和1号喷气管和2号喷气管，半圆弧支架固定于模型箱底面，支架上具有角度刻度；1号喷气管和2号喷气管的始端通过导气软管与位于半圆弧支架圆心位置的进气座相连，进气座与进气孔相连；所述1号喷气管和2号喷气管上具有凸起，所述凸起沿半圆弧支架内圆周滑动；所述1号喷气管和2号喷气管的尾端通过锁紧螺丝锁紧于半圆弧支架；
所述图像采集器位于模型箱正前方，光源***发生竖直方向的平面光，位于模型箱的一侧，光源***包括水平滑杆，水平滑杆上安装有激光发射器，激光发射器前端安装有光学棱镜；水平滑杆的两端通过支架固定于反力架顶板；原位T型触探器位于透明土上方，上端通过一伸缩杆固定于反力架顶板，原位T型触探器上部固定有3号位移传感器，检测与架顶板之间的距离；
所述加载***包括垫块、1号千斤顶、2号千斤顶、加载板、1号支杆和1号底板；所述垫块固定于反力架顶板，1号支杆上端固定于垫块的底面，下端与1号底板铰接；1号千斤顶上端固定于垫块的底面，下端与1号底板相连；2号千斤顶上端与1号底板的底面固定连接，下端为球形铰链，与加载板铰接；加载板与海洋桶形基础顶面固定连接；2号千斤顶的左右两侧固定有2号位移传感器和4号位移传感器，分别检测到海洋桶形基础顶面的竖直距离。2号千斤顶为伺服千斤顶。
进一步地，4号千斤顶上连接一4号加载板，所述2号底板与4号加载板通过两个沿2号底板长度方向布置的螺丝固定，所述2号底板上开有6组螺丝孔，分别对应倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时的固定位置。
1号千斤顶下端铰接有1号加载板，1号加载板与1号底板通过两个沿2号底板长度方向布置的螺丝固定，所述1号底板上开有6组螺丝孔，分别对应2号底板的倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时，1号底板与1号加载板的固定位置。
进一步地，1号千斤顶和4号千斤顶均为伺服千斤顶。
进一步地，喷气装置与气泵相连的导管上具有气阀和压力计。
进一步地，所述锁紧螺丝与半圆弧支架之间具有橡胶垫片。
本发明的有益效果在于：我国珠三角、长三角地区海上施工平台及桥梁的建设过程中，由于浅埋高压气气力劈裂导致海洋基础倾覆、跨海大桥倒塌的现象时有发生。然而，国际上目前对气力劈裂的启动条件、劈裂扩展路径以及气力劈裂导致海洋基础失效的失效机制尚无的深刻认识。且现有的科学技术几乎无法在现场探明海床中大范围的土体内部气力劈裂的蔓延路径，现有的理论也无法准确预测其可能的喷发路径。模型实验成为了唯一的可靠手段，目前尚无一套可以模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置。本发明可以模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变，再现实际环境下气力劈裂的灾变过程，并基于此解释气力劈裂灾变的灾变机制，为探明浅层气喷发对既有海洋基础影响提供了模型技术和观测手段。基于本发明的模型实验研究，将为我国未来大湾区建设过程中海洋基础的选址、安全性评价提供关键的科学技术支持。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构俯视图；
图中，反力架顶板0、1号反力架竖杆1、2号反力架竖杆2、1号支杆3、1号支杆铰链4、1号底板5、1号千斤顶6、1号千斤顶铰链7、1号千斤顶加载板8、2号千斤顶9、压力计10、海洋筒形基础11、2号位移传感器12、3号千斤顶13、3号位移传感器14、原位T型触探器15、模型箱16、声波发射器17、声波接收器18、可动支架19、激光发射器20、光学棱镜21、1号模型箱底座22、2号模型箱底座23、喷气口24、1号硬导气管25、软导气管26、2号硬导气管27、压力计28、气阀29、气泵30、2号底板31、2号支杆铰链32、2号支杆33、基座34、4号千斤顶铰链35、4号千斤顶加载板36、4号千斤顶37、图像采集器51、顶部千斤顶底座52、4号位移传感器53、球形铰54。
图3为本发明的喷气嘴细部图；
图中，半圆弧支架38、1号锁紧螺丝39、1号橡胶垫片40、1号喷气管41、1号底部固定螺丝42、1号导气软管43、进气座44、出气口45、2号锁紧螺丝46、2号橡胶垫片47、2号喷气管48、2号底部固定螺丝49、2号导气软管50。
图4～图15依次为本发明模拟浅埋高压气气力劈裂机制的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置，包括基座34，安装在基座34上的倾斜装置、安装在所述倾斜装置上的模型箱16和反力架，模型箱16内具有透明土，透明土中倒扣有一海洋桶形基础11，加载于海洋桶形基础11的加载***，以及原位T型触探器15、光源***和图像采集器51。
所述倾斜装置包括2号底板31、2号支杆33和4号千斤顶37；所述2号支杆33和4号千斤顶37竖直固定在基座34上，所述2号底板31一端铰接于2号支杆33顶端，另一端位于4号千斤顶37上；所述4号千斤顶37通过螺钉固接在基座34上；所述2号支杆33通过2号支杆铰链32与2号底板31铰接；
反力架包括竖直固定于基座34上的1号反力架竖杆1、2号反力架竖杆2，反力架顶板0的两端与1号反力架竖杆1、2号反力架竖杆2顶端固接；所述反力架顶板0通过L形角钢与1号反力架竖杆1、2号反力架竖杆2固接；所述2号底板31通过L形角钢与1号反力架竖杆1、2号反力架竖杆2固接；
模型箱16通过若干根支撑柱固定于2号底板31上，所述模型箱16通过L形角钢与1号模型箱底座22、2号模型箱底座23固接；所述2号底板31通过L形角钢与1号模型箱底座22、2号模型箱底座23固接；模型箱16的底面上沿前后方向开有一列进气孔，每个进气孔处设置有一个喷气装置24，喷气装置24通过导管与一气泵30相连；气泵30为伺服气泵；模型箱16的一内侧壁沿进气孔的排列方向固定有多组声波发射器17，相对的另一内侧壁固定有多组声波接收器18；每组声波发射器17、和声波接收器18对应一个测试平面，每个测试平面对应一个喷气装置24；
所述喷气装置24包括位于测试平面内的半圆弧支架38和1号喷气管41和2号喷气管48，半圆弧支架38固定于模型箱16底面，支架上具有角度刻度；1号喷气管41和2号喷气管48的始端通过导气软管与位于半圆弧支架38圆心位置的进气座44相连，进气座44与进气孔相连；所述1号喷气管41和2号喷气管48上具有凸起，所述凸起沿半圆弧支架38内圆周滑动；所述1号喷气管41和2号喷气管48的尾端通过锁紧螺丝锁紧于半圆弧支架38；所述喷气管38通过1号底部固定螺丝42和2号底部固定螺丝49固定在模型箱16底部喷气口两端的螺丝孔上。
所述图像采集器51位于模型箱16正前方，光源***发生竖直方向的平面光，位于模型箱16的一侧，光源***包括水平滑杆，水平滑杆上安装有激光发射器20，激光发射器20前端安装有光学棱镜21；水平滑杆的两端通过支架19固定于反力架顶板0；原位T型触探器15位于透明土上方，上端通过一伸缩杆13固定于反力架顶板0，原位T型触探器15上部固定有3号位移传感器14，检测与架顶板0之间的距离；
所述加载***包括垫块52、1号千斤顶6、2号千斤顶9、加载板、1号支杆3和1号底板5；所述垫块52固定于反力架顶板0，所述反力架顶板0与垫块52焊接；1号支杆3上端通过L形角钢固定于垫块52的底面，下端与1号底板5铰接；1号千斤顶6上端通过螺钉固定于垫块52的底面，下端与1号底板5相连；2号千斤顶9上端通过螺钉与1号底板5的底面固定连接，下端为球形铰链，与加载板铰接；加载板通过螺钉与海洋桶形基础11顶面固定连接；2号千斤顶9的左右两侧固定有2号位移传感器12和4号位移传感器53，分别检测到海洋桶形基础11顶面的竖直距离。2号千斤顶9为伺服千斤顶。
图中，4号千斤顶37上连接一4号加载板36，所述2号底板31与4号加载板36通过两个沿2号底板31长度方向布置的螺丝固定，所述2号底板31上开有6组螺丝孔，分别对应倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时的固定位置。
1号千斤顶6下端铰接有1号加载板8，1号加载板8与1号底板5通过两个沿2号底板31长度方向布置的螺丝固定，所述1号底板5上开有6组螺丝孔，分别对应2号底板31的倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时，1号底板5与1号加载板8的固定位置。
作为优选的方案，1号千斤顶6和4号千斤顶37均为伺服千斤顶。
喷气装置24与气泵30相连的导管上具有气阀29和压力计28。具体地，气泵30通过L形角钢固接在2号底板31上；所述1号硬导气管25分别固接在上述系列孔洞上；所述1号硬导气管25和与之对应的2号硬导气管27之间通过软导气管26相连；所述2号硬导气管27全部连接在气泵30上；所述2号硬导气管27上安置有压力计28；所述2号硬导气管27上安置有气阀29。
所述锁紧螺丝与半圆弧支架38之间具有橡胶垫片。
如图4-15所示，本发明的工作过程如下：
(A)配置透明土用于模拟海床，将透明土倒入模型箱16(图4)。
(B)在透明土上放置一压力板，利用2号千斤顶9加载竖直向下的作用力，以压实中配置的透明土(图5)。
(C)压实过程结束，卸下压力板(图6)。
(D)将2号千斤顶9与海洋桶形基础11连接(图7)。
(E)控制4号千斤顶37使得2号底板31顺时针旋转一定角度；控制1号千斤顶6，使得1号底板5逆时针旋转相同角度，使得1号底板5在实验全程中保持水平状态工作，2号千斤顶9始终加载竖直向下的作用力(图8)。
(F)2号千斤顶9对海洋桶形基础11进行加载，使得海洋桶形基础11***透明土，用以模拟海床基础；利用2号千斤顶9的伺服功能，保持海洋桶形基础11***深度不变(图9)。
(G)开启3号位移传感器14，伸缩杆13将原位T型触探器15每次向下***一定距离测量某高度处透明土的土体抗力，直至原位T型触探器15测量到海洋桶形基础底部透明土的土体抗力。结合每次测量时3号激光测距仪14的读数，即可得知不同深度下透明土的抗剪强度(图10)。
抗剪强度＝土体抗力/(触探器圆柱横截面积×承载力系数)。
根据Randolph,M.F.,and Houlsby,G.T.1984.The limiting pressure on acircular pile loaded laterally in cohesive soil.Géotechnique,34(4):613–623.可知，承载力系数一般取10.5。
(H)强度测量结束，将原位T型触探器15抽出(图11)。
(I)开启声波发射器17和声波接收器18，通过发射波的波长和接收波的波长可测得海床的刚度；启动激光发射器20，使其沿着可动支架19按前后的方向做周期性平面扫描，结合图像采集器51拍摄的图片可构建气体在土中构型的三维模型(图12)。
其中，海床刚度G的计算公式为：
ρ为透明土密度，vs为剪切波在海床地基中的传播速度。
(J)调整两个喷气管41、48的角度，打开气泵30开始喷气，喷气过程中使用气泵30的伺服功能保持稳定的气压或者稳定的喷气速度具体依实验目的而定，同时图像采集器51记录海床中劈裂蔓延路径，并用激位移传感器12、53记录海洋桶形基础11的变形和转角(图13)。
当某高度上声波接收器18无法接收到声波时，说明此时气体已经上升到此高度，据此可以得知某时间气体的埋深；
(K)喷气到达中期，此时气体仍未突破透明土海床表面(图14)。
(L)喷气末期，此时气体已突破透明土海床表面，通过2号位移传感器12和4号位移传感器53的数据可计算出海洋筒形基础在喷气作用下倾斜的角度(图15)。
重复上述(A)到(L)步骤，获得多组实验数据，通过概率分析即可获得斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响。
Claims (5)
1.一种模拟斜坡海床中浅层气喷发灾变对既有海洋基础影响的装置，其特征在于，包括基座(34)，安装在基座(34)上的倾斜装置、安装在所述倾斜装置上的模型箱(16)和反力架，模型箱(16)内具有透明土，透明土中倒扣有一海洋桶形基础(11)，加载于海洋桶形基础(11)的加载***，以及原位T型触探器(15)、光源***和图像采集器(51)；
所述倾斜装置包括2号底板(31)、2号支杆(33)和4号千斤顶(37)；所述2号支杆(33)和4号千斤顶(37)竖直固定在基座(34)上，所述2号底板(31)一端铰接于2号支杆(33)顶端，另一端位于4号千斤顶(37)上；
反力架包括竖直固定于基座(34)上的1号反力架竖杆(1)、2号反力架竖杆(2)，反力架顶板(0)的两端与1号反力架竖杆(1)、2号反力架竖杆(2)顶端固接；
模型箱(16)通过若干根支撑柱固定于2号底板(31)上，模型箱(16)的底面上沿前后方向开有一列进气孔，每个进气孔处设置有一个喷气装置(24)，喷气装置(24)通过导管与一气泵(30)相连；气泵(30)为伺服气泵；模型箱(16)的一内侧壁沿进气孔的排列方向固定有多组声波发射器(17)，相对的另一内侧壁固定有多组声波接收器(18)；每组声波发射器(17)、和声波接收器(18)对应一个测试平面，每个测试平面对应一个喷气装置(24)；
所述喷气装置(24)包括位于测试平面内的半圆弧支架(38)和1号喷气管(41)和2号喷气管(48)，半圆弧支架(38)固定于模型箱(16)底面，支架上具有角度刻度；1号喷气管(41)和2号喷气管(48)的始端通过导气软管与位于半圆弧支架(38)圆心位置的进气座(44)相连，进气座(44)与进气孔相连；所述1号喷气管(41)和2号喷气管(48)上具有凸起，所述凸起沿半圆弧支架(38)内圆周滑动；所述1号喷气管(41)和2号喷气管(48)的尾端通过锁紧螺丝锁紧于半圆弧支架(38)；
所述图像采集器(51)位于模型箱(16)正前方，光源***发生竖直方向的平面光，位于模型箱(16)的一侧，光源***包括水平滑杆，水平滑杆上安装有激光发射器(20)，激光发射器(20)前端安装有光学棱镜(21)；水平滑杆的两端通过支架(19)固定于反力架顶板(0)；原位T型触探器(15)位于透明土上方，上端通过一伸缩杆(13)固定于反力架顶板(0)，原位T型触探器(15)上部固定有3号位移传感器(14)，检测与架顶板(0)之间的距离；
所述加载***包括垫块(52)、1号千斤顶(6)、2号千斤顶(9)、加载板、1号支杆(3)和1号底板(5)；所述垫块(52)固定于反力架顶板(0)，1号支杆(3)上端固定于垫块(52)的底面，下端与1号底板(5)铰接；1号千斤顶(6)上端固定于垫块(52)的底面，下端与1号底板(5)相连；2号千斤顶(9)上端与1号底板(5)的底面固定连接，下端为球形铰链，与加载板铰接；加载板与海洋桶形基础(11)顶面固定连接；2号千斤顶(9)的左右两侧固定有2号位移传感器(12)和4号位移传感器(53)，分别检测到海洋桶形基础(11)顶面的竖直距离；2号千斤顶(9)为伺服千斤顶。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，4号千斤顶(37)上连接一4号加载板(36)，所述2号底板(31)与4号加载板(36)通过两个沿2号底板(31)长度方向布置的螺丝固定，所述2号底板(31)上开有6组螺丝孔，分别对应倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时的固定位置；
1号千斤顶(6)下端铰接有1号加载板(8)，1号加载板(8)与1号底板(5)通过两个沿2号底板(31)长度方向布置的螺丝固定，所述1号底板(5)上开有6组螺丝孔，分别对应2号底板(31)的倾角为0°、1°、2°、4°、8°、10°时，1号底板(5)与1号加载板(8)的固定位置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，1号千斤顶(6)和4号千斤顶(37)均为伺服千斤顶。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，喷气装置(24)与气泵(30)相连的导管上具有气阀(29)和压力计(28)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锁紧螺丝与半圆弧支架(38)之间具有橡胶垫片。
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