CN109269903B - 不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置及方法,该装置主要包括机架、试验箱、气压加载***、电机伺服加载***、传动装置、锚链单元等。该装置设置气囊通过可移动板向下部装实验土样施加竖向压力,控制可移动板的移动状态模拟不同的约束条件;通过传动装置将电机伺服加载***施加的位移传递给锚链,并通过传动装置中的力传感器进行力的测量。本发明的装置可以模拟常应力和常体积的约束条件,通过气囊可以模拟不同地层压力,从而实现测定不同约束条件下的锚链与土的切向相互作用,能够为工程锚链入土段的计算提供重要设计参数,对于锚点在海底泥面以下的锚泊***设计有重要参考意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置,尤其涉及一种不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置及方法,用于测量不同地层应力不同约束条件下锚链与土在切向方向上发生相对位移时的抗力。
背景技术
在海洋工程领域,通常会采用锚固基础和锚链对海上浮式构筑物(如海上钻井平台、勘探平台等)进行固定,目前应用最广泛的是吸力锚,这种锚固基础通常有一定埋置深度以改善锚的受力状态从而发挥更大的承载力,与锚链的连接点通常位于锚固基础埋深的2/3处,因此锚链需要一定的入土深度。
已有研究认为,上部荷载传递到锚固基础上的荷载大小主要与锚链与土的切向剪切相关,锚链与土的切向剪切作用决定着锚链的张力,进而影响着整个锚泊***的安全性。实际工程中,锚链与土的相互作用的约束相对复杂,一般认为常体积和常应力是两种极端的约束条件。目前国内外没有相关的实验装置可以对不同约束条件下锚链与土的切向剪切抗力进行测量的装置,本实验装置能弥补该技术领域的空白,为工程锚链入土段的计算提供重要设计参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置及方法,该装置能够测量不同约束条件下锚链与土切向抗力,弥补在锚链与土单元实验的标定的空白。该装置的特点是:通过气囊对实验中的土进行加压以模拟土体的原始应力状态,通过调节可移动板的约束控制常应力或者常体积的约束条件,通过电机伺服加载***施加往返荷载,对实验过程中的锚链张力进行测量,从而测算出锚链与土的切向抗力。
本发明采取以下技术方案:
不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置,包括机架、试验箱、气压加载***、电机伺服加载***、传动装置、锚链单元;所述的试验箱固定于机架中部,其顶部设置顶板,顶板下依次设置气囊、可移动板及实验土样;可移动板由气囊驱动仅可沿纵向移动,且可通过固定装置与试验箱箱体固定,试验箱的左右侧壁上各开孔安装有直线滑动轴承,左右两只直线滑动轴承的导杆的一端与埋于土样中的锚链两端分别连接,另一端与传动装置连接;气压加载***调控气囊内的压力,传动装置将电机伺服加载***施加的位移传递给锚链,并通过传动装置内的力传感器进行力的测量。
上述技术方案中,进一步的,所述的试验箱由前、后两块固定板、底部卡槽板、可拆卸顶板及左右两块移板构成;底部卡槽板上设置有若干平行卡槽,左、右移板可嵌入不同卡槽内形成不同体积的试验箱,在两块固定板上开有竖向导槽供可移动板嵌入实现纵向移动。
进一步的,所述的传动装置包括钢绞线、四只定滑轮、两只力传感器及两只挂钩;所述的四只定滑轮固定在机架上,且两两分设于试验箱左、右两侧,钢绞线依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器,再连接一只直线滑动轴承的导杆后通过挂钩与锚链一端连接,钢绞线另一端连接第二力传感器,再连接另一只直线滑动轴承的导杆后通过挂钩与锚链另一端连接,电机伺服加载***与钢绞线连接用于施加指定位移。
进一步的,电机加载***包括伺服电机,伺服电机与钢绞线连接用于施加指定的位移。
进一步的,所述的气压加载***包括方形气囊、气管、压力表以及空压机,所述的方形气囊设置在试验箱内可移动板上方,通过可移动板对土体施加竖向压力;位于气囊顶部中心开有气囊出气口,通过气管与空压机相连,气管上设置有压力表。
进一步的,所述的锚链单元包括5个单链环。
本测试装置的工作过程及原理如下:
1)首先进行传力装置固有摩擦误差的标定:
①将左右移板按照试验要求固定在底部卡槽上,将传动装置连接到位,用细钢缆替代锚链(由于钢绞线直径较小,可忽略其与土体摩擦),将细钢缆与传力***相连,通过电机伺服加载***进行加载,使整个传力装置保持张紧状态;
②根据实验所需要的密实度进行土样的安装;制样完成后,依次安装可移动板、气囊和顶板,并将顶板通过固定螺钉进行固定。
③根据试验要求,通过控制气囊内压达到预设压力进行固结。此时若使用常应力控制(即试验中保持竖向压力不变),则保持可移动板的自由上下移动;若进行常体积的控制(即试验中保持试验箱内的土体体积保持不变),在固结完成后,则需要通过滑动板固定螺钉将可移动板与前后固定板固定,维持试验箱内土体体积的不变;待固结完成后,通过电机伺服加载***施加位移,通过力传感器测定钢丝与土之间的切向抗力。
④传力装置固有摩擦误差记为T1,记左右力传感器示数为f1与f2,则T1=|f1-f2|。
2)进行锚链与土的切向抗力的测试:
将上述标定过程的细钢缆换成试验要求的锚链单元进行测试,测试过程、气囊压力、可移动板状态、电机伺服加载***均与步骤1)相同,设此次两个力传感器示数为F1、F2,由此可以测出土体与锚链的切向抗力F=|F1-F2|-T1=|F1-F2|-|f1-f2|。本发明提出的装置,能够模拟不同约束条件下(常应力和常体积)不同地层压力下锚链与土的切向相互作用,可以为工程锚链与土相互作用的模型提供试验参数,对锚泊***(提别是涉及到土中段)的设计有重要参考意义。
附图说明
图1是本发明装置的一种具体结构主视图;
图2是本发明图1装置的俯视图;
图3是试验箱的一种具体结构主视剖面图;
图4是图3试验箱的俯视剖面图;
图5是图3试验箱的侧视图;
图6是装置简化示意图和锚链受力示意图。
其中,机架柱1、桌面2、滑轮支架3、前后固定板4、底部卡槽板5、左右移板6、侧壁孔7、直线滑动轴承8、顶板固定螺钉9、可拆卸顶板10、顶板孔11、竖向导槽12、可移动板13、滑动板固定螺钉14、方形气囊15、气囊出气口16、气管17、压力表18、空压机19、伺服电机20、滑轮21、钢绞线22、力传感器23、直线轴承导杆24、挂钩25、锚链单元26。
具体实施方式
参照图1-4,本发明的一种不同约束条件下锚链与土切向抗力测试装置,包括机架、试验箱、气压加载***、电机伺服加载***、传动装置、锚链单元等。所述的试验箱固定于机架中部,其顶部设置顶板,顶板下依次设置气囊、可移动板及实验土样;可移动板由气囊驱动仅可沿纵向移动,且可通过固定装置与试验箱箱体固定,试验箱的左右侧壁上各开孔安装有直线滑动轴承,左右两只直线滑动轴承的导杆的一端与埋于土样中的锚链两端分别连接,另一端与传动装置连接;气压加载***调控气囊内的压力,传动装置将电机伺服加载***施加的位移传递给锚链,并通过传动装置内的力传感器进行力的测量。
所述的机架用于对试验箱进行固定以及为传动装置提供支撑,在图示实例中主要由机架柱1、桌面2、滑轮支架3等组成。机架柱1支撑桌面2,滑轮支架3固定在机架台上。
在本实例中,所述的试验箱主要包括前后固定板4、底部卡槽板5、左右移板6、侧壁孔7、直线滑动轴承8、顶板固定螺钉9、可拆卸顶板10、顶板孔11、竖向导槽12、可移动板13、滑动板固定螺钉14等。前、后固定板4前后平行固定在桌面上长度50cm,间隔为20cm;底部卡槽板5上设置若干平行卡槽,卡槽间隔5cm,用于固定左、右移板6;左、右移板6上设置侧壁孔7,侧壁孔7上安装直线滑动轴承8;前、后固定板上部设置顶板固定螺钉9,用于固定可拆卸顶板10;顶板10中心部设置一个顶板孔11,用于将气管穿出;此外前后固定板4内侧都设有两个竖向导槽12,可将可移动板13安装至竖向导槽12内,只允许可移动板13的竖向滑动;可移动板13的固定可由滑动板固定螺钉14固定在前后固定板4上,或由其他固定装置实现固定。
所述的气压加载***主要包括方形气囊15、气囊出气口16、气管17、压力表18以及空压机19,所述的方形气囊15放置在试验箱顶板10和可移动板13之间,通过可移动板13对土体施加竖向压力;气囊出气口16位于气囊顶部中心,与气管17相连,气管上设置有压力表18可对气囊15内压力进行测量;气管17与空压机19相连,空压机伺服控制,维持气囊15内部压力达到预设值。
所述的电机加载***主要包括伺服电机20,用于与钢绞线连接施加指定的位移,通过传动装置使得锚链与土发生相对运动。
所述的传动***包括包括钢绞线22、四只定滑轮21、两只力传感器23及两只挂钩25;所述的四只定滑轮固定在机架上,且两两分设于试验箱左、右两侧,钢绞线依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器,再连接一只直线滑动轴承的导杆24后通过挂钩与锚链一端连接,钢绞线另一端连接第二力传感器,再连接另一只直线滑动轴承的导杆后通过挂钩与锚链另一端连接,电机伺服加载***与钢绞线连接用于施加指定位移。
所述的锚链单元26一般有五个单链环,链环过少将导致测量不准确,链环过多,将对试验仪器有更高要求。
本测试装置的工作过程及原理如下:
1)首先进行传力装置固有摩擦误差的标定:
①将左右移板按照试验要求固定在底部卡槽上,将传动装置连接到位,用细钢缆替代锚链(由于钢绞线直径较小,可忽略其与土体摩擦),将细钢缆与传力***相连,通过电机伺服加载***进行加载,使整个传力装置保持张紧状态;
②根据实验所需要的密实度进行土样的安装;制样完成后,依次安装可移动板、气囊和顶板,并将顶板通过固定螺钉进行固定。
③根据试验要求,通过控制气囊内压达到预设压力进行固结。此时若使用常应力控制(即试验中保持竖向压力不变),则保持可移动板的自由上下移动;若进行常体积的控制(即试验中保持试验箱内的土体体积保持不变),在固结完成后,则需要通过滑动板固定螺钉将可移动板与前后固定板固定,维持试验箱内土体体积的不变;待固结完成后,通过电机伺服加载***施加位移,通过力传感器测定钢丝与土之间的切向抗力。
④传力装置固有摩擦误差记为T1,记左右力传感器示数为f1与f2,则T1=|f1-f2|。
2)进行锚链与土的切向抗力的测试:
将上述标定过程的细钢缆换成试验要求的锚链单元进行测试,测试过程、气囊压力、可移动板状态、电机伺服加载***均与步骤1)相同,设此次两个力传感器示数为F1、F2,由此可以测出土体与锚链的切向抗力F=|F1-F2|-T1=|F1-F2|-|f1-f2|。
Claims (5)
1.一种测定不同约束条件下锚链与土切向抗力的方法,其特征在于,采用的测试装置包括机架、试验箱、气压加载***、电机伺服加载***、传动装置、锚链单元;所述的试验箱固定于机架中部,其顶部设置顶板,顶板下依次设置气囊、可移动板及实验土样;可移动板由气囊驱动仅可沿纵向移动,且通过固定装置与试验箱箱体固定,试验箱的左右侧壁上各开孔安装有直线滑动轴承,左右两只直线滑动轴承的导杆的一端与埋于土样中的锚链两端分别连接,另一端与传动装置连接;气压加载***调控气囊内的压力,传动装置将电机伺服加载***施加的位移传递给锚链,并通过传动装置内的力传感器进行力的测量;所述的传动装置包括钢绞线、四只定滑轮、两只力传感器及两只挂钩;所述的四只定滑轮固定在机架上,且两两分设于试验箱左、右两侧,钢绞线依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器,再连接一只直线滑动轴承的导杆后通过挂钩与锚链一端连接,钢绞线另一端连接第二力传感器,再连接另一只直线滑动轴承的导杆后通过挂钩与锚链另一端连接,电机伺服加载***与钢绞线连接用于施加指定位移;
方法包括如下步骤:
1)首先进行传动装置固有摩擦误差的标定:
①将左右移板按照试验要求固定在底部卡槽上,将传动装置连接到位,用细钢缆替代锚链,将细钢缆与传动装置相连,通过电机伺服加载***进行加载,使整个传动装置保持张紧状态;
②根据实验所需要的密实度进行土样的安装;制样完成后,依次安装可移动板、气囊和顶板,并将顶板通过固定螺钉进行固定;
③根据试验要求,通过控制气囊内压达到预设压力进行固结;此时若使用常应力控制,则保持可移动板的自由上下移动;若进行常体积的控制,在固结完成后,则需要通过滑动板固定螺钉将可移动板与前后固定板固定,维持试验箱内土体体积的不变;待固结完成后,通过电机伺服加载***施加位移,通过力传感器测定细钢缆与土之间的切向抗力;
2)进行锚链与土的切向抗力的测试:
2.根据权利要求1所述的测定不同约束条件下锚链与土切向抗力的方法,其特征在于,所述的试验箱由前、后两块固定板、底部卡槽板、可拆卸顶板及左右两块移板构成;底部卡槽板上设置有若干平行卡槽,左、右移板可嵌入不同卡槽内形成不同体积的试验箱,在两块固定板上开有竖向导槽供可移动板嵌入实现纵向移动。
3.根据权利要求1所述的测定不同约束条件下锚链与土切向抗力的方法,其特征在于,所述的电机加载***包括伺服电机,伺服电机与钢绞线连接用于施加指定的位移。
4.根据权利要求1所述的测定不同约束条件下锚链与土切向抗力的方法,其特征在于,所述的气压加载***包括方形气囊、气管、压力表以及空压机,所述的方形气囊设置在试验箱内可移动板上方,通过可移动板对土体施加竖向压力;位于气囊顶部中心开有气囊出气口,通过气管与空压机相连,气管上设置有压力表。
5.根据权利要求1所述的测定不同约束条件下锚链与土切向抗力的方法,其特征在于,所述的锚链单元包括5个单链环。
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