CN112538874A - 一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置及方法，该装置包括试验***、给水***和负压调节***；试验***包括安装顶盖、基础导向装置、模型箱和桶型基础；安装顶盖的设计减少了筒壁数，从而降低能耗；基础导向装置保证离岸式桶型基础模型在贯入过程保持垂直，避免试验误差；在模型箱内采用水下抛填法制备饱和土，操作简单，有效模拟海洋土层沉淀过程；进水阀口处设置反滤土工布，可降低进水压强，减少水面波动；L形消波板的带孔底板可削弱试验添水过程水流对土层冲刷作用，带孔侧壁可消除进水阀加水过程产生的水波；本发明可用于模拟海洋环境下离岸式桶型基础安装、沉贯过程，完善免开挖设计计算方法和相关施工技术。

Description

一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，可用于模拟海洋环境下离岸式桶型基础安装、沉贯过程，研究离岸式桶型基础贯入速度、桶壁与土体摩阻力、不同条件下土塞变化高度以及沉贯所需负压大小，完善免开挖设计计算方法和相关施工技术。

背景技术

随着我国建设海洋强国和发展海洋经济的战略部署，为提高海洋资源开发的能力和加快海洋区域经济发展的步伐，离岸式桶型基础广泛运用于海岸线保护、海港建设、重要海岛建设、近海工程和海上工程等各类海洋工程，。

近年来，离岸式桶型基础广泛运用于海洋石油工业的采油平台基础、风电塔基、防波堤基础、海港建设等海洋工程中，其中采用的离岸式桶型基础安装顶盖技术实现了复杂海洋环境中离岸式桶型基础的免开挖安装，可用于预防和治理海床液化对离岸式桶型基础工程的危害，同时又加快施工速度，减少能源损耗、降低施工成本、缩短工期。

在目前的海洋工程中，离岸式桶型基础安装顶盖尚未作为免开挖施工中的打桩装置投入使用，因此相关的免开挖设计计算方法和相关施工技术还有待完善，相比于理论解析方法和数值方法的研究采用既定的模型，计算所得的数据对计算参数的选取具有较大依赖性；而工程实测的方法较难实现海床动态变化的实时监测，且实测成本高，技术要求指标高，监测难度大，对环境条件依赖大。鉴于常重力下模型试验不影响土体微观结构，且桶型基础安装装置贯入速度以及桶壁与土体之间的摩阻力与试验情况相符，能够有效模拟实际工程中桶型基础的沉贯过程从而达到试验目的。

因此，为完善免开挖设计计算方法和相关施工技术，确定离岸式桶型基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶型基础安装过程对周边环境的影响，亟需一种简单、有效的桶型基础沉贯试验模型装置及方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一方面提供了一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，该装置包括试验***、给水***和负压调节***三个部分；所述试验***包括安装顶盖、基础导向装置、模型箱和桶型基础；所述给水***包括给水装置、进水阀和消波板；所述负压调节***包括水气分离装置和真空泵；

所述安装顶盖由顶盖主体和水平仪组成；所述顶盖主体上设有贯穿的第一真空表和通气孔，并在上表面固定水平仪；所述第一真空表用于实时监测桶型基础内的气压状态；所述通气孔上设有抽气阀门；所述通气孔底部设有第一反滤土工布，以避免泥浆进入导管，堵塞导管；所述水平仪用于实时监测顶盖主体的水平状态；

所述桶型基础为无底无盖的PVC桶；所述桶型基础与顶盖主体通过橡胶环密封连接；所述橡胶环与顶盖主体通过U形夹进一步密封连接；所述桶型基础外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器；

所述基础导向装置包括对称布置的半圆形钢环、金属臂、滚轮和滚动轨道，所述滚动轨道竖向正对布置在模型箱前后侧壁上，两个半圆形钢环通过半圆形钢环连接装置可拆卸连接，所述半圆形钢环内壁设有若干滚球，所述桶型基础穿过半圆形钢环，与滚球接触，以减小桶型基础贯入土层过程中所受基础导向装置的摩擦力；所述金属臂一端连接半圆形钢环，另一端连接滚轮，所述滚轮可在滚动轨道中滚动与停止，以根据试验情况调整基础导向装置的位置；

所述模型箱由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可实时观察模型箱中试验情况；所述模型箱左侧壁顶部设有一进水阀，可向模型箱内从上往下供水制备饱和土，所述进水阀连接给水装置，并在出水口处设置第四反滤土工布以减小水流冲击压力；所述模型箱内自下而上布设垫层和一定高度的饱和土；所述饱和土上方为一定高度的无气水；所述饱和土模拟海床；所述无气水模拟海水环境；所述模型箱右侧壁底部设有第一排水阀，用于排出模型箱内的无气水；第一排水阀内口设有第二反滤土工布，防止未完全过滤的水中泥浆进入第一排水阀造成堵塞；所述模型箱右侧壁顶部设有第二排水阀，用于试验过程中防止液面溢出模型箱；所述第二排水阀内口设置第三反滤土工布，防止泥水进入第二排水阀造成堵塞；所述第二排水阀出口处连接软管，用于将溢出水导入排水管道；所述进水阀出口处设有消波板，所述消波板整体截面呈L形，竖向挡板和水平挡板上均等间距交错布置若干消波孔，水平挡板高于饱和土表面，竖向挡板用于消除水波，水平挡板用于减小水流对土体的冲刷作用；

所述水气分离装置由水气分离瓶、第二真空表、进气口和出气口组成；所述第二真空表用于实时监控水气分离瓶内的负压状态；所述进气口通过气管与安装顶盖的通气孔连通；所述出气口通过气管与真空泵相连通，所述真空泵用于控制水气分离瓶内负压值。

进一步地，所述模型箱由有机玻璃组成，若所述模型箱各边连接处的强度不足，可采用角钢加固；所述模型箱底部垫层自下而上由砂石层、第一铁丝网、反滤土工布层和第二铁丝网组成；所述饱和土与无气水的体积视模型箱的体积、桶型基础的高度和贯入深度确定；所述饱和土通过水下抛填法制得；所述安装顶盖的尺寸可利用相似原理通过桶型基础原型尺寸确定；所述安装顶盖的橡胶环与顶盖主体分离制成，在试验安装过程，橡胶环需涂上凡士林，以提高密封性能；所述橡胶环截面可选用“L”或“U”形；所述基础导向装置上的滚球数量根据实际工程情况其数量可合理调整。

进一步地，所述消波板为有机玻璃板，消波板与模型箱左侧壁之间的距离由进水需求确定，以减少模型箱内进水引起的水位剧烈波动对试验的不利影响；所述消波板高度由试验所需饱和土高度决定。

进一步地，所述给水***中的给水装置用于给模型箱内补充无气水；所述进水阀出水口处的第四反滤土工布用于减小进水水压，且所述第四反滤土工布紧贴模型箱侧壁，使得在为模型箱注水初始阶段减少对底部饱和土的冲刷作用。

进一步地，所述负压调节***中的水气分离装置中的进气管深入瓶内的长度应长于出气管深入瓶内的长度，第二真空表安装在水气分离装置的顶部，用于监测水气分离装置内的负压值；整个试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度应低于瓶内出气管管口的高度。

本发明另一方面提供了一种利用上述装置模拟离岸式桶型基础沉贯试验的方法，该方法包括以下步骤：

(1)组装试验装置：将给水装置与进水阀管路连接，将真空泵与水气分离装置的出气口管路连接；根据试验估算的土层高度，将基础导向装置高度调至合适位置，并用半圆形钢环连接装置将两个半圆形钢环进行可拆卸连接，同时在模型箱一侧架设消波板；将安装顶盖和桶型基础通过橡胶环密封连接；通过U形夹将安装顶盖和橡胶环进一步固定密封；在桶型基础外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器；

(2)制备饱和土：从模型箱底部从下往上依次布设一定厚度的砂石层、第一钢丝网、反滤土工布层和第二钢丝网，形成较大孔隙比的垫层；打开进水阀，缓缓向模型箱中加入一定高度的无气水；之后关小进水阀且打开第一排水阀，使模型箱顶部缓缓进水，底部缓缓排水，且进水与排水速度大致相等，并向模型箱中均匀缓慢加入砂土；待砂土在无气水中吸满水分并沉积，形成饱和土；待饱和土制备完毕，关闭进水阀和第一排水阀；

(3)将安装顶盖和桶型基础放入基础导向装置，并控制其缓缓下沉且***饱和土一定深度，使得桶型基础内部形成一个密封空间，以保证贯入试验过程桶型基础内部与外部之间形成较好密封效果；

(4)测量试验前桶型基础在饱和土高度，桶型基础内水的高度和空气高度；

(5)采用密封气管连接安装顶盖上的通气孔和水气分离装置的进气口；打开真空泵，使得桶型基础内部和水气分离装置均为真空状态，并连续施加负压保证安装顶盖和桶型基础垂直、稳定、均匀贯入土体，直至桶型基础下沉至设计标高处，停止抽气、关闭抽气阀门并记录相应的压强大小；

(6)利用数据采集仪在试验初始状态下以及贯入过程中实时采集并记录微型孔隙水压力传感器、土体表面位移传感器和真空表的读数，同时在停止抽气后进行桶上位移监测直至采集数据逐渐达到稳定状态，所述的稳定状态可根据相关规范确定；

(7)数据采集完后，将通气孔上的气管与水气分离装置分离，使得桶型基础直接与大气连通，直至桶内外气压相等，在桶型基础内负压消散过程中，实时监测模型箱内的土体表面位移，待桶型基础负压消散完毕后对桶型基础进行垂直度检测，检测完毕后将安装顶盖与桶型基础分离；

(8)为确保试验的准确性，避免偶然性，重复以上步骤(1)～(7)，并对采集到的数据进行计算分析，完成模拟免开挖离岸式桶型基础的沉贯试验，确定桶型基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶型基础内土塞上升高度，所抽取空气高度和无气水高度。

进一步地，所述步骤(1)中，在连接所述安装顶盖和桶型基础过程，橡胶环上可涂上凡士林以保证装置密封性能；桶型基础外壁布置的微型孔隙水压力传感器的数量以及间距由桶型基础的入土深度确定；所述微型孔隙水压力传感器在贯入过程中若与基础导向装置接触，则需通过拆卸半圆形钢环连接装置的方法暂时解除基础导向装置的导向作用，以保证微型孔隙水压力传感器不与基础导向装置接触，待微型孔隙水压力传感器穿过基础导向装置后，重新用半圆形钢环连接装置将两个半圆形钢环进行可拆卸连接；所述桶型基础到达预设标高处时，所有的微型孔隙水压传感器均位于土体内。

进一步地，所述步骤(2)中，在初步加入无气水时需控制流速，保证水流沿模型箱侧壁缓缓流入模型箱底部，以防止气泡产生；饱和土制备完毕后，需将饱和土静置两至三天，以保证无气水清澈和饱和土达到一定密实度和强度。

进一步地，所述步骤(5)中，施加的负压范围通过预试验中控制桶体贯入速度以及预试验中所测摩阻力大小来确定。

进一步地，在试验过程中，所述水气分离瓶设计大小需根据试验所估算的空气和水抽取量设计；在试验过程中的液面高度到达警戒高度时，关闭真空泵同时打开出气口连通大气压，其中警戒高度由出气口处气管深入瓶内的深度决定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用基础导向装置，保证离岸式桶型基础模型在贯入过程保持垂直，避免传统试验模型中桶型基础无法保证水平而造成的直接试验误差以及对桶型基础进行纠偏而造成土层进一步扰动所导致的试验误差；

2.本发明采用的模型箱侧壁顶部第二排水阀能够控制水位高度，避免因模型进入导致液面上升、无气水满溢，实现大海水平面稳定不变的情况的客观模拟，保证模型试验充分模拟免开挖离岸式桶型基础安装的真实情况，利于进一步完善离岸式桶型基础免开挖设计计算方法和相关施工技术；

3.本发明在模型箱内采用水下抛填法制备饱和土，所需试验仪器和操作简单，土体在下沉过程可充分吸收无气水，并在沉淀一定时期后达到目标密实度和承载力，有效模拟海洋土层沉淀过程；

4.本发明进水阀口处设置反滤土工布，可降低进水压强，减少水面波动；反滤土工布紧贴模型箱内壁，通过调整水阀大小可保证水流沿模型箱内壁缓缓流入模型箱底部，降低对土层冲刷作用，减少水面波动；

5.本发明在模型箱一侧，进水阀口处固定“L”形截面消波板，其带孔底板可削弱试验添水过程水流对土层冲刷作用；消波板带孔侧壁可消除进水阀加水过程产生的水波，避免水波干扰试验过程，影响试验测试结果；

6.本发明采用水气分离装置，该水气分离装置一是可为吸力式桶型基础安装装置内部提供稳定的负压环境，二是可将从吸力式桶型基础安装装置内吸出的小部分水和砂土暂时存储在水气分离装置内，避免将水直接吸入真空泵中，损坏真空泵；通过水气分离装置密封阀中的真空表可以精确控制吸力式桶型基础安装装置内的负压大小；

7.本发明将安装顶盖装置作为离岸式桶型基础的辅助安装装置，丰富了离岸式桶型基础的安装方法，同时相对于吸力桶式安装，利用安装顶盖使安装过程所受摩擦力的筒壁数减少一半，降低能耗，完善实际海洋工程中使安装顶盖装置安装桶型基础免开挖计算公式和相关的施工技术。

附图说明

图1为本发明实施例提供的导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置俯视图；

图3为图2的AA剖面图；

图4为本发明实施例提供的基础导向装置俯视图；

图中：安装顶盖1、顶盖主体1-1、水平仪1-2、U形夹1-3、橡胶环1-4、通气孔1-5、第一反滤土工布1-6、第一真空表1-7、基础导向装置2、滚球2-1、半圆形钢环2-2、金属臂2-3、滚轮2-4、滚动轨道2-5、半圆形钢环连接装置2-6、消波板3、消波孔3-1、模型箱4、第一排水阀4-1、第二排水阀4-2、第二反滤土工布4-3、第三反滤土工布4-4、软管4-5、饱和土4-6、无气水4-7、底部垫层4-8、给水装置5、进水阀5-1、第四反滤土工布5-2、桶型基础6、微型孔隙水压力传感器6-1、水气分离装置7、水气分离瓶7-1、第二真空表7-2、进气口7-3、出气口7-4、真空泵8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，本实施例提供的一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，包括试验***、给水***和负压调节***三个部分；所述试验***包括安装顶盖1、基础导向装置2、模型箱4和桶型基础6；所述给水***包括给水装置5、进水阀5-1和消波板3；所述负压调节***包括水气分离装置7和真空泵8；

所述安装顶盖1由顶盖主体1-1和水平仪1-2组成；所述顶盖主体1-1上设有贯穿的第一真空表1-7和通气孔1-5，并在上表面固定水平仪1-2；所述第一真空表1-7用于实时监测桶型基础6内的气压状态；所述通气孔1-5上设有抽气阀门；所述通气孔1-5底部设有第一反滤土工布1-6，以避免泥浆进入导管，堵塞导管；所述水平仪1-2用于实时监测顶盖主体1-1的水平状态；

所述桶型基础6为无底无盖的PVC桶；所述桶型基础6与顶盖主体1-1通过橡胶环1-4密封连接；所述橡胶环1-4与顶盖主体1-1通过U形夹1-3进一步密封连接；所述桶型基础6外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器6-1；

所述基础导向装置2包括对称布置的半圆形钢环2-2、金属臂2-3、滚轮2-4和滚动轨道2-5，所述滚动轨道2-5竖向正对布置在模型箱4前后侧壁上，两个半圆形钢环2-2通过半圆形钢环连接装置2-6可拆卸连接，所述半圆形钢环2-2内壁设有若干滚球2-1，所述桶型基础6穿过半圆形钢环2-2，与滚球2-1接触，以减小桶型基础6贯入土层过程中所受基础导向装置2的摩擦力；所述金属臂2-3一端连接半圆形钢环2-2，另一端连接滚轮2-4，所述滚轮2-4可在滚动轨道2-5中滚动与停止，以根据试验情况调整基础导向装置2的位置；

所述模型箱4由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可实时观察模型箱4中试验情况，有机玻璃之间通过有机溶剂(如氯仿溶液)密封连接；所述模型箱4左侧壁顶部设有一进水阀5-1，可向模型箱4内从上往下供水制备饱和土4-6，所述进水阀5-1连接给水装置5，并在出水口处设置第四反滤土工布5-2以减小水流冲击压力；所述模型箱4内自下而上布设垫层4-8和一定高度的饱和土4-6；所述饱和土4-6上方为一定高度的无气水4-7；所述饱和土4-6模拟海床；所述无气水4-7模拟海水环境；所述模型箱4右侧壁底部设有第一排水阀4-1，用于排出模型箱内的无气水；第一排水阀4-1内口设有第二反滤土工布4-3，防止未完全过滤的水中泥浆进入第一排水阀4-1造成堵塞；所述模型箱4右侧壁顶部设有第二排水阀4-2，用于试验过程中防止液面溢出模型箱4；所述第二排水阀4-2内口设置第三反滤土工布4-4，防止泥水进入第二排水阀4-2造成堵塞；所述第二排水阀4-2出口处连接软管4-5，用于将溢出水导入排水管道；所述进水阀5-1出口处设有消波板3，所述消波板3整体截面呈L形，竖向挡板和水平挡板上均等间距交错布置若干消波孔3-1，水平挡板高于饱和土4-6表面，竖向挡板用于消除水波，水平挡板用于减小水流对土体的冲刷作用；

所述水气分离装置7由水气分离瓶7-1、第二真空表7-2、进气口7-3和出气口7-4组成；所述第二真空表7-2用于实时监控水气分离瓶7-1内的负压状态；所述进气口7-3通过气管与安装顶盖1的通气孔1-5连通；所述出气口7-4通过气管与真空泵8相连通，所述真空泵8用于控制水气分离瓶7-1内负压值。

具体地，所述模型箱4由有机玻璃组成，若所述模型箱4各边连接处的强度不足，可采用角钢加固；所述模型箱4底部垫层4-8自下而上由砂石层、第一铁丝网、反滤土工布层和第二铁丝网组成；所述饱和土4-6与无气水4-7的体积视模型箱4的体积、桶型基础6的高度和贯入深度确定；所述饱和土4-6通过水下抛填法制得；所述安装顶盖1的尺寸可利用相似原理通过桶型基础原型尺寸确定；所述安装顶盖1的橡胶环1-4与顶盖主体1-1分离制成，在试验安装过程，橡胶环1-4需涂上凡士林，以提高密封性能；所述橡胶环1-4截面可选用“L”或“U”形；所述基础导向装置2上的滚球2-1数量根据实际工程情况其数量可合理调整。

具体地，所述消波板3为有机玻璃板，消波板3与模型箱4左侧壁之间的距离由进水需求确定，以减少模型箱4内进水引起的水位剧烈波动对试验的不利影响；所述消波板3高度由试验所需饱和土4-6高度决定。

具体地，所述给水***中的给水装置5用于给模型箱4内补充无气水4-7；所述进水阀5-1出水口处的第四反滤土工布5-2用于减小进水水压，且所述第四反滤土工布5-2紧贴模型箱4侧壁，使得在为模型箱4注水初始阶段减少对底部饱和土4-6的冲刷作用。

具体地，所述负压调节***中的水气分离装置7中的进气管深入瓶内的长度应长于出气管深入瓶内的长度，第二真空表7-2安装在水气分离装置7的顶部，用于监测水气分离装置7内的负压值；整个试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度应低于瓶内出气管管口的高度。

本实施例提供的一种利用上述装置模拟离岸式桶型基础沉贯试验的方法，包括以下步骤：

(1)如图1所示组装试验装置：将给水装置5与进水阀5-1管路连接，将真空泵8与水气分离装置7的出气口7-4管路连接；根据试验估算的土层高度，将基础导向装置2高度调至合适位置，并用半圆形钢环连接装置2-6将两个半圆形钢环2-2进行可拆卸连接，同时在模型箱4一侧架设消波板3；将安装顶盖1和桶型基础6通过橡胶环1-4密封连接；通过U形夹1-3将安装顶盖1和橡胶环1-4进一步固定密封；在桶型基础6外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器6-1；

具体地，在连接所述安装顶盖1和桶型基础6过程，橡胶环1-4上可涂上凡士林以保证装置密封性能；桶型基础6外壁布置的微型孔隙水压力传感器6-1的数量以及间距由桶型基础6的入土深度确定；所述微型孔隙水压力传感器6-1在贯入过程中若与基础导向装置2接触，则需通过拆卸半圆形钢环连接装置2-6的方法暂时解除基础导向装置2的导向作用，以保证微型孔隙水压力传感器6-1不与基础导向装置2接触，待微型孔隙水压力传感器6-1穿过基础导向装置2后，重新用半圆形钢环连接装置2-6将两个半圆形钢环2-2进行可拆卸连接；所述桶型基础6到达预设标高处时，所有的微型孔隙水压传感器6-1均位于土体内。

(2)制备饱和土4-6：从模型箱1底部从下往上依次布设一定厚度的砂石层、第一钢丝网、反滤土工布层和第二钢丝网，形成较大孔隙比的垫层4-8；打开进水阀5-1，缓缓向模型箱4中加入一定高度的无气水；之后关小进水阀5-1且打开第一排水阀4-1，使模型箱4顶部缓缓进水，底部缓缓排水，且进水与排水速度大致相等，并向模型箱4中均匀缓慢加入砂土；待砂土在无气水4-7中吸满水分并沉积，形成饱和土4-6；待饱和土4-6制备完毕，关闭进水阀5-1和第一排水阀4-1。

在初步加入无气水4-7时需控制流速，保证水流沿模型箱4侧壁缓缓流入模型箱4底部，以防止气泡产生；饱和土4-6制备完毕后，需将饱和土4-6静置两至三天，以保证无气水4-7清澈和饱和土4-6达到一定密实度和强度。

(3)将安装顶盖1和桶型基础6放入基础导向装置2，并控制其缓缓下沉且***饱和土4-6一定深度，使得桶型基础6内部形成一个密封空间，以保证贯入试验过程桶型基础6内部与外部之间形成较好密封效果。

(4)测量试验前桶型基础6在饱和土4-6高度，桶型基础内水的高度和空气高度。

(5)采用密封气管连接安装顶盖1上的通气孔1-5和水气分离装置7的进气口7-3；打开真空泵8，使得桶型基础6内部和水气分离装置7均为真空状态，并连续施加负压保证安装顶盖1和桶型基础6垂直、稳定、均匀贯入土体，直至桶型基础6下沉至设计标高处，停止抽气、关闭抽气阀门并记录相应的压强大小。施加的负压范围通过预试验中控制桶体贯入速度以及预试验中所测摩阻力大小来确定。

(6)利用数据采集仪在试验初始状态下以及贯入过程中实时采集并记录微型孔隙水压力传感器6-1、土体表面位移传感器和真空表的读数，同时在停止抽气后进行桶上位移监测直至采集数据逐渐达到稳定状态，所述的稳定状态可根据相关规范确定。

(7)数据采集完后，将通气孔1-5上的气管与水气分离装置7分离，使得桶型基础直接与大气连通，直至桶内外气压相等，在桶型基础内负压消散过程中，实时监测模型箱4内的土体表面位移，待桶型基础负压消散完毕后对桶型基础6进行垂直度检测，检测完毕后将安装顶盖1与桶型基础6分离。

(8)为确保试验的准确性，避免偶然性，重复以上步骤(1)～(7)，并对采集到的数据进行计算分析，完成模拟免开挖离岸式桶型基础的沉贯试验，确定桶型基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶型基础内土塞上升高度，所抽取空气高度和无气水高度。

桶型基础桶型基础桶型基础在试验过程中，所述水气分离瓶设计大小需根据试验所估算的空气和水抽取量设计；在试验过程中的液面高度到达警戒高度时，关闭真空泵8同时打开出气口7-4连通大气压，其中警戒高度由出气口7-4处气管深入瓶内的深度决定。

以上描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，其特征在于，包括试验***、给水***和负压调节***三个部分；所述试验***包括安装顶盖(1)、基础导向装置(2)、模型箱(4)和桶型基础(6)；所述给水***包括给水装置(5)、进水阀(5-1)和消波板(3)；所述负压调节***包括水气分离装置(7)和真空泵(8)；

所述安装顶盖(1)由顶盖主体(1-1)和水平仪(1-2)组成；所述顶盖主体(1-1)上设有贯穿的第一真空表(1-7)和通气孔(1-5)，并在上表面固定水平仪(1-2)；所述通气孔(1-5)上设有抽气阀门；所述通气孔(1-5)底部设有第一反滤土工布(1-6)；

所述桶型基础(6)与顶盖主体(1-1)通过橡胶环(1-4)密封连接；所述橡胶环(1-4)与顶盖主体(1-1)通过U形夹(1-3)进一步密封连接；所述桶型基础(6)外壁沿竖直方向按一定距离固定至少一列微型孔隙水压力传感器(6-1)；

所述基础导向装置(2)包括对称布置的半圆形钢环(2-2)、金属臂(2-3)、滚轮(2-4)和滚动轨道(2-5)，所述滚动轨道(2-5)竖向正对布置在模型箱(4)前后侧壁上，两个半圆形钢环(2-2)可拆卸连接，所述半圆形钢环(2-2)内壁设有若干滚球(2-1)，所述桶型基础(6)穿过半圆形钢环(2-2)，与滚球(2-1)接触，以减小桶型基础(6)贯入土层过程中所受基础导向装置(2)的摩擦力；所述金属臂(2-3)一端连接半圆形钢环(2-2)，另一端连接滚轮(2-4)，所述滚轮(2-4)可在滚动轨道(2-5)中滚动与停止，以根据试验情况调整基础导向装置(2)的位置；

所述模型箱(4)由前后左右以及底部五块有机玻璃组成；所述模型箱(4)左侧壁顶部设有一进水阀(5-1)，可向模型箱(4)内从上往下供水制备饱和土(4-6)，所述进水阀(5-1)连接给水装置(5)，并在出水口处设置第四反滤土工布(5-2)以减小水流冲击压力；所述模型箱(4)内自下而上布设垫层(4-8)和一定高度的饱和土(4-6)；所述饱和土(4-6)上方为一定高度的无气水(4-7)；所述饱和土(4-6)模拟海床；所述无气水(4-7)模拟海水环境；所述模型箱(4)右侧壁底部设有第一排水阀(4-1)；第一排水阀(4-1)内口设有第二反滤土工布(4-3)；所述模型箱(4)右侧壁顶部设有第二排水阀(4-2)；所述第二排水阀(4-2)内口设置第三反滤土工布(4-4)，出口处连接软管(4-5)；所述进水阀(5-1)出口处设有消波板(3)，所述消波板(3)整体截面呈L形，竖向挡板和水平挡板上均等间距交错布置若干消波孔(3-1)，水平挡板高于饱和土(4-6)表面，用于减小水流对土体的冲刷作用，竖向挡板用于消除水波；

所述水气分离装置(7)由水气分离瓶(7-1)、第二真空表(7-2)、进气口(7-3)和出气口(7-4)组成；所述进气口(7-3)通过气管与安装顶盖(1)的通气孔(1-5)连通；所述出气口(7-4)通过气管与真空泵(8)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，其特征在于，所述模型箱(4)由有机玻璃组成，若所述模型箱(4)各边连接处的强度不足，可采用角钢加固；所述模型箱(4)底部垫层(4-8)自下而上由砂石层、第一铁丝网、反滤土工布层和第二铁丝网组成；所述饱和土(4-6)与无气水(4-7)的体积视模型箱(4)的体积、桶型基础(6)的高度和贯入深度确定；所述饱和土(4-6)通过水下抛填法制得；所述安装顶盖(1)的尺寸可利用相似原理通过桶型基础原型尺寸确定；所述安装顶盖(1)的橡胶环(1-4)与顶盖主体(1-1)分离制成，在试验安装过程，橡胶环(1-4)需涂上凡士林，以提高密封性能；所述橡胶环(1-4)截面可选用L形或U形。

3.根据权利要求1所述的一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，其特征在于，所述消波板(3)为有机玻璃板，消波板(3)与模型箱(4)左侧壁之间的距离由进水需求确定，以减少模型箱(4)内进水引起的水位剧烈波动对试验的不利影响；所述消波板(3)高度由试验所需饱和土(4-6)高度决定。

4.根据权利要求1所述的一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，其特征在于，所述给水***中的给水装置(5)用于给模型箱(4)内补充无气水(4-7)；所述进水阀(5-1)出水口处的第四反滤土工布(5-2)用于减小进水水压，且所述第四反滤土工布(5-2)紧贴模型箱(4)侧壁，使得在为模型箱(4)注水初始阶段减少对底部饱和土(4-6)的冲刷作用。

5.根据权利要求1所述的一种导向增强的桶型基础沉贯试验模型装置，其特征在于，所述负压调节***中的水气分离装置(7)中的进气管深入瓶内的长度应长于出气管深入瓶内的长度，第二真空表(7-2)安装在水气分离装置(7)的顶部，用于监测水气分离装置(7)内的负压值；整个试验过程中，水气分离瓶中的泥液高度应低于瓶内出气管管口的高度。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述装置模拟离岸式桶型基础沉贯试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)组装试验装置：将给水装置(5)与进水阀(5-1)管路连接，将真空泵(8)与水气分离装置(7)的出气口(7-4)管路连接；根据试验估算的土层高度，将基础导向装置(2)高度调至合适位置，并用半圆形钢环连接装置(2-6)将两个半圆形钢环(2-2)进行可拆卸连接，同时在模型箱(4)一侧架设消波板(3)；将安装顶盖(1)和桶型基础(6)通过橡胶环(1-4)密封连接；通过U形夹(1-3)将安装顶盖(1)和橡胶环(1-4)进一步固定密封；在桶型基础(6)外壁安装微型孔隙水压力传感器(6-1)；

(2)制备饱和土(4-6)：从模型箱(1)底部从下往上依次布设砂石层、第一钢丝网、反滤土工布层和第二钢丝网，形成较大孔隙比的垫层(4-8)；打开进水阀(5-1)，缓缓向模型箱(4)中加入一定高度的无气水；之后关小进水阀(5-1)且打开第一排水阀(4-1)，使模型箱(4)顶部缓缓进水，底部缓缓排水，且进水与排水速度大致相等，并向模型箱(4)中均匀缓慢加入砂土；待砂土在无气水(4-7)中吸满水分并沉积，形成饱和土(4-6)；待饱和土(4-6)制备完毕，关闭进水阀(5-1)和第一排水阀(4-1)；

(3)将安装顶盖(1)和桶型基础(6)放入基础导向装置(2)，并控制其缓缓下沉且***饱和土(4-6)一定深度，使得桶型基础(6)内部形成一个密封空间，以保证贯入试验过程桶型基础(6)内部与外部之间形成较好密封效果；

(4)测量试验前桶型基础(6)在饱和土(4-6)高度，桶型基础内水的高度和空气高度；

(5)采用密封气管连接安装顶盖(1)上的通气孔(1-5)和水气分离装置(7)的进气口(7-3)；打开真空泵(8)，使得桶型基础(6)内部和水气分离装置(7)均为真空状态，并连续施加负压保证安装顶盖(1)和桶型基础(6)垂直、稳定、均匀贯入土体，直至桶型基础(6)下沉至设计标高处，停止抽气、关闭抽气阀门并记录相应的压强大小；

(6)利用数据采集仪在试验初始状态下以及贯入过程中实时采集并记录微型孔隙水压力传感器(6-1)、土体表面位移传感器和真空表的读数，同时在停止抽气后进行桶上位移监测直至采集数据逐渐达到稳定状态；

(7)数据采集完后，将通气孔(1-5)上的气管与水气分离装置(7)分离，使得桶型基础直接与大气连通，直至桶内外气压相等，在桶型基础内负压消散过程中，实时监测模型箱(4)内的土体表面位移，待桶型基础负压消散完毕后对桶型基础(6)进行垂直度检测，检测完毕后将安装顶盖(1)与桶型基础(6)分离；

(8)为确保试验的准确性，避免偶然性，重复以上步骤(1)～(7)，并对采集到的数据进行计算分析，完成模拟免开挖离岸式桶型基础的沉贯试验，确定桶型基础沉贯所需负压、贯入速度、桶壁与土体的摩阻力大小以及桶型基础内土塞上升高度，所抽取空气高度和无气水高度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在连接所述安装顶盖(1)和桶型基础(6)过程，橡胶环(1-4)上可涂上凡士林以保证装置密封性能；桶型基础(6)外壁布置的微型孔隙水压力传感器(6-1)的数量以及间距由桶型基础(6)的入土深度确定；所述微型孔隙水压力传感器(6-1)在贯入过程中若与基础导向装置(2)接触，则需通过拆卸半圆形钢环连接装置(2-6)的方法暂时解除基础导向装置(2)的导向作用，以保证微型孔隙水压力传感器(6-1)不与基础导向装置(2)接触，待微型孔隙水压力传感器(6-1)穿过基础导向装置(2)后，重新用半圆形钢环连接装置(2-6)将两个半圆形钢环(2-2)进行可拆卸连接；所述桶型基础(6)到达预设标高处时，所有的微型孔隙水压传感器(6-1)均位于土体内。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在初步加入无气水(4-7)时需控制流速，保证水流沿模型箱(4)侧壁缓缓流入模型箱(4)底部，以防止气泡产生；饱和土(4-6)制备完毕后，需将饱和土(4-6)静置两至三天，以保证无气水(4-7)清澈和饱和土(4-6)达到一定密实度和强度。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，施加的负压范围通过预试验中控制桶体贯入速度以及预试验中所测摩阻力大小来确定。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在试验过程中，所述水气分离瓶设计大小需根据试验所估算的空气和水抽取量设计；在试验过程中的液面高度到达警戒高度时，关闭真空泵(8)同时打开出气口(7-4)连通大气压，其中警戒高度由出气口(7-4)处气管深入瓶内的深度决定。

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