用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法，属于海洋工 程技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的高速发展和对化石能源的不断需求，石油天然气开采由浅海逐渐 向深海过渡。锚是船舶和海洋浮式结构的基础，通过锚链与上部平台结构连接，并依靠海床 土的锚固力抵抗上部结构传递的荷载。锚的承载力大小与锚在土中的姿态有很大关系，当 上拔荷载方向与锚的轴线方向大致垂直时，锚的承载力最大。因此，要深入研究锚在土中的 运动机理，就必须准确测量锚的运动轨迹和承载力。当上拔荷载超过海床土的承载能力时， 锚将会发生运动，包括竖直方向的平动（Az)、水平方向的平动（Ax)和沿轴线的转动（a) 三个自由度。由三个位移改变量可以确定锚的运动轨迹。锚的承载力指锚眼位置处受到的 上拔荷载，包括大小（Ta)和方向（0J两个参数；埋在土中部分的锚链也提供一部分抗拔 力，锚和锚链受到的总体上拔力称为整体承载力，包括大小（T。）和方向（0。）两个参数。综 上，要确定锚的运动轨迹有三个参数，分别是Az、Ax、a;要确定锚的承载力有四个参数， 分别是 Ta、0a、T。、0。。
[0003] 模型试验是研究岩土工程问题的一种重要手段，它既可用来检验各种理论分析和 数值计算的结果，也可用来直接指导实际工程的设计和施工。在实验室里适用于预测模型 锚运动轨迹和承载力的方法包括离心模型试验（ng)和常规重力试验（Ig)。之前关于锚承 载力和运动轨迹的研究成果总结如下：
[0004] 1994年，Neubecker和Randolph[1]进行了拖曳锚在砂土中切削安装过程的离心模 型试验，在模型锚的上表面固定一个与之垂直的探针，通过露在土外侧的探针长度和倾斜 角度可确定锚竖直方向的埋深、水平方向的位移和旋转角度，并由三个位移变化量确定锚 在土中的运动轨迹。该方法操作便捷，计算公式简单，但探针自重和受到的土阻力会改变整 体的重心位置和受力点位置，进而影响锚的运动轨迹。
[0005] 2000年，Dahlberg和Strom[2]在黏土中进行了拖曳锚的海岸场地测试，模型锚的 尺寸是原型的30-40%，将轨迹跟踪器固定在锚板上，可测得锚的方位角、旋转角和拖曳力。 用位移传感器测量锚在土中走过的距离。根据测到的方位角、旋转角和距离，可以计算出锚 在土中的运动轨迹。试验结果表明，初始段预测的运动轨迹与实际测量结果比较一致，但随 着运动距离的增大，二者的偏差逐渐增大。且轨迹跟踪器的尺寸比较大，不适合用于小比尺 模型试验中。
[0006] 2000年，Goncalves[3]等在黏土中进行了拖曳锚安装过程的水槽试验。该试验设 计了一套定位系统，在模型锚上固定三根碳纤维绳，将三个位移传感器分别连在三根绳的 另一端，由传感器测到的位移改变量可反推出模型锚在土中的位置和转角。该方法操作简 单，但由于绳子是柔性的，在土中受阻力影响时其形状不是斜直线，而文中假定绳子在土中 保持直线形式，所以计算结果误差比较大。
[0007] 2000年，NuneS[4]等设计了一套适用于现场测试的预测拖曳锚运动轨迹的装置。该 装置主要包括光学编码器和磁感线发射器，能够捕捉锚板的倾斜角、旋转角和位移，用迭代 公式可以确定锚板的运动轨迹。该方法适用于现场测试或大比尺模型试验，由于装置尺寸 较大而不适合用于小比尺模型试验中。
[0008] 2002年，Elkhatib[5]等在高岭土中进行了拖曳锚安装过程的离心模型试验，将高 锰酸钾晶体粘在模型锚上，当锚运动时高锰酸钾会在土中留下痕迹。试验结束后将土小心 剖开，可以清晰看到锚的运动轨迹。该方法操作难度大，剖开土体时不可避免会使痕迹周围 的土受到扰动。且该方法只适用于小比尺模型试验，不适合用于大比尺模型试验或现场测 试中。
[0009] 2007年，Shelton?等在透明土中模拟了板翼动力锚的旋转调节过程，试验槽 (长X宽X高=1.8X0. 6X1. 5m)的四面为透明的玻璃，便于观测试验结果。用锂皂石粉 末加水搅拌成一种半透明的胶状体模拟海洋土，在试验时可以直接观察到锚的运动轨迹。 但由于人工合成的透明土与天然土的性质差异较大，所以得到结果不能直接应用到实际工 程中。三轴试验表明 [7]，透明土达到峰值强度时的应变大于自然土，且模拟孔隙流体的溶液 会影响透明土的压缩固结曲线，因此透明土试验测试结果与实际情况有较大差异。
[0010] 2011年，Zhangw在Ig条件下模拟了拖曳锚切削土体的安装过程，在模型锚上布 设倾角传感器测量锚的方位角。在锚的尾部系一根细线，细线通过固定在试验槽上的滑轮 引出土外，用位移传感器测量细线经过的位移，认为细线走过的距离即为模型锚在土中经 过的位移。由测到的位移和倾角可以反推出锚在土中的运动轨迹。该方法精度比较高，但 只适用于预测拖曳锚切削土体下潜过程的运动轨迹。当锚受上拔荷载时，在竖直方向会有 向上的位移，称为埋深损失。用该方法不能预测锚在受上拔荷载时的运动轨迹。
[0011] 其他的新型试验方法包括雷达、红外线、X光、CT扫描成像等技术因为其造价高 昂，且存在电磁辐射等潜在危险，所以在试验中应用受限，更无法在实际工程中使用。
[0012] 模型试验存在以下试验方法上的困难：（1)小比尺试验中用到的模型锚很小，在 上面布设测试传感器会改变模型锚的质量、重心等，影响锚的运动姿态和试验精度。（2)对 传感器的大小、形状、重量提出了更高的要求，且要求传感器的量程小，分辨率高。市面上主 流的传感器很难达到试验精度要求。（3)模型试验中一般以高岭土模拟海底软黏土，由于土 的不透明性，不能直接观察到埋在高岭土中模型锚的运动姿态。
【发明内容】
[0013] 为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用于测量锚在土中运动 轨迹和承载力的装置及方法。该装置得到了最大简化，仅利用一个MEMS加速度传感器和两 个力传感器，并依靠照相机拍照，就可以确定锚在土中的运动轨迹和承载力随时间变化的 关系曲线；另外，由于MEMS加速度传感器体积微小，质量极轻，测量精度高，贴在锚的表面 几乎不会改变锚的重心位置；本发明适用于各种形式的锚，对锚自身构造和运动轨迹没有 苛刻要求。
[0014] 为了实现上述发明目的，解决现有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案 是：一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置，包括土槽、锚、第一、二力传感器、 MEMS加速度传感器、锚链、滑轮、照相机、数据采集系统及作动器，所述锚上分别开有凹形槽 和设置有锚眼，所述MEMS加速度传感器置于凹槽内，确保MEMS加速度传感器的轴线与锚的 轴线平行，并采用环氧树脂加以封装，所述锚眼通过锚链与第一力传感器的一端连接，所述 第一力传感器的另一端通过锚链与第二力传感器的一端连接，所述第二传感器的另一端通 过锚链及滑轮与作动器连接，并确保第二传感器位于土表面之上，所述第一、二力传感器、 MEMS加速度传感器分别与数据采集系统连接。
[0015] -种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤1、确定锚的初始位置：在锚眼距滑轮水平距离为X。的位置，采用加载装置将 锚铅锤向压入土中，锚眼的初始埋深z。由加载装置中自带的位移传感器确定，并同时测量 出滑轮到土表面的高度h;
[0017] 步骤2、对锚进行加载及承载力的测量：通过作动器施加到锚链上的力不断增大， 当锚链传递到锚上的作用力大于土体抗力时，锚开始运动；在此过程中，采用MEMS加速度 传感器记录锚的转角a，通过第一力传感器测定锚上的承载力Ta，通过第二力传感器测定 锚链入土点处的总承载力T。;再用照相机拍摄照片确定锚链入土点的位置，根据锚链入土 点和定滑轮之前的相对位置确定总承载力T。的方向0。；
[0018] 步骤3、对锚在土中运动轨迹的测量，包括以下子步骤：
[0019] (a)在常规重力场中，锚的转角通过MEMS加速度传感器两个相互垂直方向分别输 出的加速度分量31和a2,并通过公式（1)确定出锚的转角a，
[0020] a=tan1 (B2Za1) (I)
[0021] 式中：?表示初始时铅垂方向那个轴的加速度分量，a2表示与a龙交方向那个轴 的加速度分量