专利名称：超抓重比的固结型锚及其安装方法
技术领域：
本发明涉及的是水利与船舶海洋工程技术领域的一种锚碇装备与技术，具体是一种具有超抓重比的、能够在河床或海床内与锚体周围土体固结在一起的、固结型锚及其安装方法。
背景技术：
锚泊系统对于系泊物的安全稳定至关重要，不可或缺。除船舶以外，还有海洋结构物如石油平台、浮标、平台监测系统、深水养殖网箱等，这些被系泊物的锚泊系统的可靠与否，是保证其在指定位置正常安全运行的关键。锚的抓力主要由锚的结构和重量决定。锚的抓重比，即锚的抓力与锚重的比值，是衡量锚技术含量的一个重要指标。锚的种类很多，常用的有无杆锚、有杆锚和大抓力锚及特种锚等四大类型。现代军舰上的船锚在硬质沙砾海床的抓重比为4-5，在淤泥海床上的抓重比为2-4，对于沙泥混合的海床，现代船锚的抓重比一般能达到3-6。目前新型大抓力锚一一斯达托锚的抓重比最高为15-20。传统锚比如大抓力锚是依靠锚链和锚的重量提供回复力，限制被系泊物体的移动。然而，在抛锚后，若遭遇大风或者大浪时，由于锚链不够长，锚没有足够的重量，导致锚固力不够，就会发生走锚现象，危及被系泊物体的正常运行和及其周围环境的安全。经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请公开号86105227，专利名称为火箭埋设锚，该专利包括锚体、锚链，其特征在于锚体由一个或几个固体火箭发动机，锚鳍和锚锥组成。其主要不足之处在于1)采用火箭作动力埋设，推动装置一次性使用，成本高；2)火箭埋设锚效果随水深增加而显著减小，水深较大时，火箭推力要求高。此外，中国专利号200810038546. 0，专利名称为带高频微幅振动的动力埋入锚，该专利包括锚头，锚杆，锚翼，锚链，内置电机，电机电缆。其主要不足之处在于1)对于砾石河床或海床，该类锚无法深度钻入，因此在这种底质情况下的锚抓力小；2)该类锚虽然能够深度钻入沙或淤泥类土体，抓重比可以超过30，能够提供强大的锚抓力，但随着超大型结构物在深海的出现，要求100吨以上锚抓力，相应要求强大的动力，相应的成本高。因此，需要发展更高抓重比的新型锚。
发明内容
本发明针对现有锚存在的上述不足，提供一种具有超抓重比的、能够在河床或海床内与锚体周围土体固结在一起的、固结型锚及其安装方法。该新型锚，不但能够适用于砾石等各类地质条件下的海床或河床，而且具有超高的抓重比，能够按需要提供锚抓力可以超过100吨以上的强大锚抓力。本发明是通过以下技术方案实现的本发明提供一种超抓重比的固结型锚，该固结型锚主要由壳体、设置于壳体内部的容器、喷嘴、锚环、膨胀材料、固化材料组成，容器内设置可移动的隔板，所述隔板将容器空腔分隔成上、下两个储存室，所述上、下两个储存室内分别设置膨胀材料和能够与土体发生固结作用的固化材料，锚体外壁上设置与容器相连通的喷嘴。所述的壳体由锥型体和柱型体两部分组成，锥型体作为锚的头部，长度较柱型体短，其作用是为锚的其它部件提供载体。所述的容器是壳体内的空腔，中间设置可自由移动的隔板，将空腔分为上、下两个储存室，其作用是分别储存膨胀材料和固化材料。所述的膨胀材料是通过加入有机催化剂，能够控制反应时间的，比较缓慢发生体积膨胀的无声膨胀剂，储存在容器的上储存室，其作用是推动伞骨打开和挤出固化材料。所述的固化材料是能够与土体及其孔隙水发生反应快速固结的化工材料，封装在锚壳体内容器的下储存室，一旦锚钻入土体指定深度后，通过膨胀材料的推力将下储存室 中的固化材料通过喷嘴挤出。其作用是与周围土体相互作用，不但固结锚体周围土体，而且将锚壳体与周围土体固结形成一个整体。所述的喷嘴为设置在锚壳体头部的壁面上的若干小孔，具有连接锚壳体内储存固化材料的下储存室的通道。其作用是，使得下储存室内的固化材料能够通过喷嘴进入锚壳体周围的土体。优选的，本发明可以进一步包含设置于锚壳体外壁上的伞骨。所述的伞骨是设置在锚壳体外壁上的一系列支杆，一旦锚体钻入土体达到指定深度后，通过壳体内容器上储存室的膨胀材料的推力将其朝下撑开，其作用是增加粘结面积和受拔时的阻力面积，增大锚抓力。本发明通过动力锤击、自身重力下落冲击、火药发射冲击等方法进入钻入河床或海床土体；在进入土体过程中，伞骨紧贴并隐藏在锚壳体的外壁中；当锚体钻入指定深度以后，膨胀材料开始反应，发生膨胀产生推力，推动撑开锚壳体外壁上的伞骨，同时将锚体内的固化材料通过喷嘴挤出锚体，渗透到锚体周围的土体中，使固化材料与周围土体孔隙水发生水解和水化反应，使得孔隙内的自由水变成固化土的结合水，显著加强土颗粒之间的粘聚力，提高土体的抗剪切强度，同时将锚壳体、锚壳体上的伞骨和周围土体固结在一起，使得整个锚和周围固结的土体形成一个整体，从而获得抗拔出的强大锚抓力，为连结在锚环上的锚链提供强大的锚抓力。此固结型锚安装为永久性锚固，无需回收过程。本发明提供一种超抓重比的固结型锚的安装方法，具体步骤如下(I)将锚垂直放置在布锚位置的床面上，使振动锚体侵入床面。(2)锚体内的膨胀材料开始反应膨胀，如有伞骨，推动伞骨完全朝下撑开。(3)锚体内的膨胀材料挤压隔板推动固化材料从喷嘴徐徐流出进入周围土体，固化材料立即与周围土体及其孔隙水发生水化和水解等化学反应，并放出气体，使浆液膨胀并向四周扩散形成二次渗透。(4)锚体周围土体开始固结。等待一定时间后，锚壳体、伞骨及其周围的土体完全固结在一起。与现有技术相比，本发明的基本原理是利用固结材料将锚壳体周围的土体及孔隙水快速固结，使得锚和周围固结的土体形成一个整体，从而获得抗拔出的强大锚抓力 ’为获得更大的锚抓力，可进一步在锚壳体外壁上设置伞骨，利用伞骨的撑开增加阻力面积和粘结面积。本发明可以广泛应用于各类地质的锚泊系统。本发明的技术实施简单，成本低，功效闻。
图I为通过动力锤击入土的带伞骨的固结型锚体结构示意图；图2为通过自身重力下落冲击入土的带伞骨的固结型锚体结构示意图；图3为通过火药发射冲击入土的无伞骨的固结型锚体结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。结合本发明的内容提供以下实施例，但不局限于以下实施 例实施例I :通过动力锤击入土的固结型锚与安装方法如图I所示，该固结型锚由固结型锚由壳体I、容器2、喷嘴3、伞骨4、锚环5、膨胀材料6、固化材料7、隔板8和激振电机11等部分构成。所述的壳体I由不锈钢材料制作，其锥型体长0. 5m，柱型体长2m，两者的连接处横截面为圆形，直径0. 3m。所述的容器2是设置在锚壳体内的柱型体部分的、长1200mm、直径280mm的空腔，中间设置可移动的由8mm厚的不锈钢制作的隔板8，将空腔分为上储存室9、下储存室10。所述的喷嘴3设置在壳体I头部附近的柱体端5cm的壁面上，沿圆周均匀设置12个小孔，孔径5mm，连接锚壳体I内储存固化材料7的下储存室10。所述的伞骨4是设置在壳体I外壁上的、由不锈钢制作的、直径为15mm的12根圆杆和滑动撑杆，圆杆长1500mm,滑动撑杆长300mm ;—旦锚钻入土体指定深度后,通过壳体I内容器2内上储存室19内的膨胀材料6的推力将其朝下撑开。所述的锚环5是固定设置在壳体I外壁上的圆环，由不锈钢制作，其外径为100mm，内径80mm。所述的膨胀材料6是可控制反应时间的体积膨胀倍数大于6的无声破碎膨胀剂，使用前将膨胀剂粉末和清水按照3:1重量之比混合搅拌，并加入有机催化剂控制反应时间，然后将其充分储存在长200mm、直径280mm的上储存室9内。一般反应时间可以控制在5到10个小时之内。该技术为现有常规技术手段，可以根据现有技术具体选择所需的膨胀材料以及有机催化剂。所述的固化材料7是可迅速遇水固化的、固体渗透系数高、固结强度大于6MPa的双组分聚氨酯固结剂，充分封装在锚体内的、长1000mm、直径280mm的下储存室10，一旦锚体钻入土体指定深度后，通过膨胀材料6的推力将下储存室10中的固化材料7通过12个喷嘴3挤出。该固化材料为现有常规技术手段，可以根据现有技术具体选择，双组分聚氨酯固结剂只是给出的固化材料一种实施例，具体实现中并不局限于此。所述的激振电机11是设置在壳体I内柱体的底部，其功率为3. 5KW，振动力45KN。连接激振电机11的电源线可从锚的壳体内部穿过，和锚链连结一起直达电源，也可以在锚体内安装蓄电池，采用蓄电池供电。本实施例安装操作步骤如下(I)对于水深50m、由细粉沙组成的海床,将锚垂直放置在布锚位置的床面上,开启锚体内的激振电机10的电源，使振动锚体侵入由细沙组成的海床6米深处，关闭电机电源。(2)锚体内的膨胀材料6开始反应膨胀，推动伞骨4完全朝下撑开。(3 )锚体内的膨胀材料6挤压隔板8推动固化材料7从喷嘴3徐徐流出进入周围土体，固化材料7立即与周围土体及其孔隙水发生水化和水解等化学反应，并放出气体，使浆液膨胀并向四周扩散形成二次渗透。(4)锚体周围土体开始固结。等待一定时间后，锚壳体I、伞骨4、及其周围的土体完全固结在一起。实施效果实施方法简单，将锚固定在土体内6米处，除了锚自身的重量载荷外，通过化工固化材料与周围土体及其孔隙水的化学反应，加强土颗粒之间的粘结力，使锚和周围土体的固结作用更强，锚与周围的土体紧密固结在一起，伞骨增加阻力面积和粘结面积，从而形成了超过300KN的锚抓力。 实施例2 :通过自身重力下落冲击入土的固结型锚与安装方法如图2所示，该固结型锚由固结型锚由壳体I、容器2、喷嘴3、伞骨4、锚环5、膨胀材料6、固化材料7、隔板8等部分构成。所述的壳体I由不锈钢材料制作，其锥型体长0. 5m，柱型体长2m，两者的连接处横截面为圆形，直径0. 3m，壁厚10mm，柱型体下部800mm长的空间填充碎钢屑等重物12以增
加锚体重量。所述的容器2是设置在锚壳体I内的、长1200mm、直径280mm的空腔，中间设置可移动的由8mm厚的不锈钢制作的隔板8，将空腔分为上储存室9、下储存室10。所述的喷嘴3设置在壳体I头部附近的柱体端5cm的壁面上，沿圆周均匀设置12个小孔，孔径5mm，连接锚壳体I内储存固化材料7的下储存室10。
所述的伞骨4是设置在壳体I外壁上的、由不锈钢制作的、直径为15mm的圆杆和滑动撑杆，圆杆长1600mm,滑动撑杆长400mm ;—旦锚钻入土体指定深度后,通过壳体I内容器2内上储存室9内的膨胀材料6的推力将其朝下撑开。所述的锚环5是固定设置在壳体I外壁上的圆环，由不锈钢制作，其外径为100mm，内径80mm。所述的膨胀材料6是可控制反应时间的体积膨胀倍数大于6的无声破碎膨胀剂，使用前将膨胀剂粉末和清水按照3:1重量之比混合搅拌，并加入有机催化剂控制反应时间，然后将其充分储存在长200mm、直径280mm的上储存室9内。所述的固化材料7是可迅速遇水固化的、固体渗透系数高、固结强度大于6MPa的双组分聚氨酯固结剂，充分封装在锚体内的、长1000mm、直径280mm的下储存室10，一旦锚体钻入土体指定深度后，通过膨胀材料6的推力将下储存室10中的固化材料7通过12个喷嘴3挤出。本实施例安装操作步骤如下(I)对于水深500m、由淤泥质组成的海床，将锚垂直悬挂于布锚地点处高于水面2m处，突然释放锚，使其在自身重力作用下落入水中，最终侵入海床指定的超过10米的深处。(2)锚壳体I内的膨胀材料6开始反应膨胀，徐徐推动伞骨4完全朝下撑开。(3)随后，锚壳体I内的膨胀材料6挤压可移动隔板8推动固化材料7从喷嘴3徐徐流出进入周围土体，固化材料7立即与周围土体及其孔隙水发生水化和水解等化学反应，并放出气体，使浆液膨胀并向四周扩散形成二次渗透。(4)锚周围土体开始固结。等待一定时间后，锚壳体I、伞骨4以及其周围的土体
完全固结在一起。实施效果实施方法简单，将锚固定在土体超过10米处，除了锚体自身的重量载荷外，通过化工固化材料与周围土体及其孔隙水的化学反应，加强土颗粒之间的粘结力，使锚体和周围土体的固结作用更强，锚与周围的土体紧密固结在一起，伞骨增加阻力面积和粘结面积，从而形成了超过500KN的锚抓力。实施例3 :通过火药发射冲击入土的固结型锚与安装方法
如图3所示，该固结型锚由固结型锚由壳体I、容器2、喷嘴3、锚环5、膨胀材料6、固化材料7、火药仓13等部分构成。所述的壳体I由不锈钢材料制作，其锥型体长0. 5m，柱型体长2m，两者的连接处横截面为圆形，直径0. 3m。所述的容器2是设置在锚体内的、长1200mm、直径280mm的空腔，中间设置可移动的由8mm厚的不锈钢制作的隔板8，将空腔分为上储存室9、下储存室10。所述的喷嘴3设置在壳体I头部附近的柱体端5cm的壁面上，沿圆周均匀设置12个小孔，孔径5mm，连接锚体内储存固化材料7的下储存室10。所述的锚环5是固定设置在壳体I外壁上的圆环，由不锈钢制作，其外径为100mm，内径80mm。所述的膨胀材料6是可控制反应时间的体积膨胀倍数大于6的无声破碎膨胀剂，使用前将膨胀剂粉末和清水按照3:1重量之比混合搅拌，并加入有机催化剂控制反应时间，然后将其充分储存在长200mm、直径280mm的上储存室9内。所述的固化材料7是可迅速遇水固化的、固体渗透系数高、固结强度大于6MPa的双组分聚氨酯固结剂，充分封装在锚壳体I内的、长1000mm、直径280mm的下储存室10，一旦锚体钻入土体指定深度后，通过膨胀材料6的推力将下储存室10中的固化材料7通过12个喷嘴3挤出。所述的火药仓13设置在壳体I的柱型体顶部，长800mm,直径280mm的容器，内置火药。所述的火药喷口 14设置在锚壳体I顶部的中央，当点燃火药后，强大的气流从火药喷口 14喷出，对锚产生强大的推力。本实施例安装操作步骤如下(I)对于水深20m、由淤泥质组成的海床，将火药填充在锚体火药仓13内，将锚置于要抛锚区域的水面上，点燃火药发射锚体，锚在火药的推力作用下侵入由细沙组成的海床3米深处。(2)锚体内的膨胀材料6挤压可移动隔板8推动固化材料7从喷嘴3徐徐流出进入周围土体，固化材料7立即与周围土体及其孔隙水发生水化和水解等化学反应，并放出气体，使浆液膨胀并向四周扩散形成二次渗透。(3)锚体周围土体开始固结。等待一定时间后，锚壳体及其周围的土体完全固结在一起。
实施效果实施方法简单，将锚固定在土体内3米处，除了锚体自身的重量载荷夕卜，通过化学固化材料与周围土体及其孔隙水的化学反应，加强土颗粒之间的粘结力，使锚体和周围土体的固结作用更强，锚与周围的土体紧密固结在一起，最终形成了超过100KN的锚抓力。应当指出的是，以上实施例中，可控制反应时间的膨胀材料、固化材料均为现有常规技术手段，是可以根据实际需要进行选择的，并不仅仅局限于上述实施例，这对于本领域的技术人员来说是非常容易的。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应 当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种超抓重比的固结型锚，其特征在于该固结型锚主要由壳体、设置于壳体内部的容器、喷嘴、锚环、膨胀材料、固化材料组成，容器内设置可移动的隔板，所述隔板将容器空腔分隔成上、下两个储存室，所述上、下两个储存室内分别设置膨胀材料和能够与土体发生固结作用的固化材料，锚体外壁上设置与容器相连通的喷嘴。
2.根据权利要求I所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的壳体由锥型体和柱型体两部分组成，锥型体作为锚的头部，长度较柱型体短。
3.根据权利要求I所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的容器是壳体内的空腔，中间设置可自由移动的隔板。
4.根据权利要求I所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的膨胀材料是通过加入有机催化剂，能够控制反应时间的，比较缓慢发生体积膨胀的无声膨胀剂。
5.根据权利要求I所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的固化材料是能够与土体及其孔隙水发生反应快速固结的化工材料，封装在锚壳体内容器的下储存室。
6.根据权利要求I所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的喷嘴为设置在锚壳体头部的壁面上的若干小孔，具有连接锚壳体内储存固化材料的下储存室的通道，使得下储存室内的固化材料能够通过喷嘴进入锚壳体周围的土体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述固结型锚进ー步包含设置于锚壳体外壁上、并通过膨胀材料推力打开的伞骨。
8.根据权利要求7所述的超抓重比的固结型锚，其特征在于所述的伞骨是设置在锚壳体外壁上的一系列支杆。
9.一种权利要求1-8所述超抓重比的固结型锚的安装方法，其特征在于具体步骤如下 (1)将锚垂直放置在布锚位置的床面上，使振动锚体侵入床面； (2)锚体内的膨胀材料开始反应膨胀，如有伞骨，推动伞骨完全朝下撑开； (3)锚体内的膨胀材料挤压隔板推动固化材料从喷嘴徐徐流出进入周围土体，固化材料立即与周围土体及其孔隙水发生化学反应，并放出气体，使浆液膨胀并向四周扩散形成二次渗透； (4)锚体周围土体开始固结，等待一定时间后，锚壳体、伞骨及其周围的土体完全固结在一起。
全文摘要
本发明公开一种超抓重比的固结型锚及其安装方法，该固结型锚主要由壳体、设置于壳体内部的容器、喷嘴、锚环、膨胀材料、固化材料组成，容器内设置可移动的隔板，所述隔板将容器空腔分隔成上、下两个储存室，所述上、下两个储存室内分别设置膨胀材料和能够与土体发生固结作用的固化材料，锚体外壁上设置与容器相连通的喷嘴。本发明不但能够适用于砾石等各类地质条件下的海床或河床，而且具有超高的抓重比，能够按需要提供锚抓力可以超过100吨以上的强大锚抓力。
文档编号B63B21/24GK102673737SQ20121015361
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者喻国良, 杨闻宇 申请人:上海交通大学