一种基于动力贯入锚板及其最终嵌入深度确定装置的制作方法

本发明涉及一种基于动力贯入锚板确定最终嵌入深度的方法，属于海洋岩土工程领域中一种新的锚板最终动态嵌入深度测试方法。

背景技术：

在深水中漂浮的石油和天然气设施需要锚固系统，不仅要求能够承受很高荷载，而且要经济、安装便捷，深水装置使用的是典型的停泊或者(拖嵌入式)垂直加载锚板或吸力沉箱，浮式液化天然气设施的出现将使得相关的停泊线荷载增加，这就需要更高质量的锚技术，比如吸力式沉箱以及一些高效锚概念。动态安装如鱼雷桩安装时间较短，在这方面具有优势，但是它们提供相对较低的承载与重量比，这就意味着它们一定要提高所需要的承载能力，但受到成本与运营的影响。竖向加载板锚通过拖动安装，驱动，或用吸力式沉箱，提供一个大的承载-重量比，这些都是有效的岩土处理技术，但有个缺点就是很难安装，尤其是它们拖拽嵌入的时候。

预测一定深度的板锚承载力是相对简单的，因为它是该场地的不排水抗剪强度、板投影面积以及一个无量纲的承载因子的函数，然而对于锚安装轨线以及最后嵌入深度是很难确定，挑战性更强，需要在广泛的海底足迹确定精确的剪切强度数据。锚的安装操作变得越来越复杂，耗时长，随着贯入水中深度增加，成本也增加。

一个相对较新的锚概念，简称动力贯入锚板(DEPLA)，结合动态安装的锚的安装优势以及具有垂直加载板锚承载容量的优势。该DEPLA包括一个可移动的中心轴或“探杆”，一套四片安装在圆柱套筒，并用剪切销与跟随器相连。将DEPLA安装在其他动态安装锚，通过从海平面上方一定高度释放锚，锚将以接近其终端速度的速度冲击海床，随后贯入海底沉积物。等到DEPLA在海底已经静止，探杆检索线拉紧。这将导致剪切销分离(在撞击过程中没有损坏的情况下)，探杆离开垂直埋在海底的锚爪，检索寻找下一个安装。这些嵌入锚爪构成板锚的承重单元。当足够的荷载在系泊上，该板旋转或“键”的朝向大致垂直于加载方向孔眼，使板的承载性能全部调用，承载能力增加。

本发明基于动力贯入锚板(DEPLA)，提出最终嵌入深度预测方法是非常有意义的，使得勘测过程方便、快速、准确、经济，为海洋岩土工程勘测设计、施工提供快捷有效成本低廉的测试参数。

技术实现要素：

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对海洋深水中漂浮的石油和天然气设施的锚固系统耗时长，成本高，测试不准确等问题，提出一种基于动力贯入锚板及其最终嵌入深度确定装置。利用该测试装置能够自行进行数据的收集、处理、储存工作。还能够快速有效地确定最终嵌入深度，为海上资源开采设施的锚固系统的施工提供便捷，有利于海洋资源的开展以及海洋岩土工程的发展。

技术方案：本发明公布了一种基于动力贯入锚板及其最终嵌入深度确定装置，该装置包括两部分，

一部分为动力贯入锚板探杆，锚板探杆上部与安装和探入检索绳用的终止帽连接；

另一部分甲板包括剪切销、锚板套、锚板吸爪；锚板套位于锚板吸爪中间，它们之间通过焊接固定，形成甲板；剪切销位于锚板套两端，用来连接固定探杆与锚板套；

锚板探杆从锚板套穿过，锚板探杆探头另一端与锚板套相连接，锚板吸爪上设有孔眼，孔眼将系泊绳与锚板吸爪连接。

优选的，锚板探杆是实心的防水铝合金管，长为185mm，直径为42mm。

优选的，锚板探杆顶部是空的，安装有六自由度惯性测试单元(IMU)。

优选的，六自由度惯性测试单元包括一个16节三部分微机电系统组件的速度陀螺和一个13位的三轴MEMS加速度计以及数据记录的卡。

优选的，六自由度惯性测试单元(IMU)中陀螺仪分辨率为0.07°/s.，量测范围为+/-2000°/s；加速度计分辨率为0.04m/s²，测试范围为+/-16g。

优选的，系泊绳及检索绳为迪尼玛绳，直径范围在10-18mm。

有益效果：本发明解决了海洋深水中漂浮的石油和天然气设施的现有锚固系统耗时长，成本高，测试不准确等问题，具有方便、快速、精确、低成本等特点，并自行进行数据的收集、处理、储存工作。为近海岩土工程勘测设计、施工提供快捷有效经济的测试参数，有利于海洋资源的开展以及海洋岩土工程的发展。

附图说明

图1是本发明的动力贯入板锚装置图；

其中有：动力贯入锚板探杆 1，剪切销 2，锚板套 3，锚板吸爪 4，孔眼 5，系泊绳 6，终止帽 7，安装和探入检索绳 8。

图2是本发明动力贯入整体装置图；

其中有：起重机 9，驳船 10，基板线 11，绞车 12，滑轮 13，高速摄像 14，跟随线 15。

具体实施方式

本发明的一种基于动力贯入锚板及其最终嵌入深度确定装置，该装置包括两部分，

一部分为动力贯入锚板探杆1，锚板探杆1上部与安装和探入检索绳8用的终止帽7连接；

另一部分甲板包括剪切销2、锚板套3、锚板吸爪4；锚板套3位于锚板吸爪4中间，它们之间通过焊接固定，形成甲板；剪切销2位于锚板套3两端，用来连接固定探杆1与锚板套3；

锚板探杆1从锚板套3穿过，锚板探杆1探头另一端与锚板套3相连接，锚板吸爪4上设有孔眼5，孔眼5将系泊绳6与锚板吸爪4连接。

锚板探杆1是实心的防水铝合金管，长为185mm，直径为42mm。

锚板探杆1顶部是空的，安装有六自由度惯性测试单元(IMU)。

六自由度惯性测试单元包括一个16节三部分微机电系统组件的速度陀螺和一个13位的三轴MEMS加速度计以及数据记录的卡。

六自由度惯性测试单元(IMU)中陀螺仪分辨率为0.07°/s.，量测范围为+/-2000°/s；加速度计分辨率为0.04m/s²，测试范围为+/-16g。

系泊绳6及检索绳8为迪尼玛绳，直径范围在10-18mm。

锚板最终嵌入深度是根据能量守恒定律，基于实测加速度分析动态贯入过程，假定锚尖嵌入深度z_e，tip，通过迭代法反算接近参考值。相关关系较为可靠，采用该方法，具有原位、快速、准确、经济等特点。为海洋岩土工程勘测设计、施工提供快捷有效的测试参数。

测试时将六自由度惯性测试单元(IMU)充电后安装在动力贯入锚板探杆中，然后将动力贯入锚板安装在甲板上，通过降低锚板探杆穿过锚板吸爪，用剪切销连接探杆与吸爪。将锚降低水中到所需的跌落高度，然后释放通过打开连接探杆检索绳与绞车的快速释放锁扣，使得锚自由下落，贯入海底。锚尖嵌入深度，z_e，tip通过发送一个远程操控高速摄像机到海床来检测探杆检索绳上的标记。随着动态贯入，荷载单元与一系列的绞盘线与探杆检索绳连接，绞车的提升速度为30mm/s。探杆的运动相对于板锚吸爪引起剪切销的破坏，这样允许探杆被检索到船甲板上。板锚系泊线然后连接到电缆绞车与牵引线传感器平行于电缆绞车来监测绳的位移。使用绞车进行板的竖向加载，引起系泊线移动以30m/s的速度移动，直到动力贯入锚板被检索到从海底，重新在船甲板上恢复。

锚板探杆是实心的防水铝合金管，长为185mm，直径为42mm。

锚板探杆顶部是空的，安装有六自由度惯性测试单元(IMU)。

六自由度惯性测试单元(IMU)包括一个16节三部分微机电系统(MEMS)组件的速度陀螺(ITG 3200)和一个13位的三轴MEMS加速度计(ADXL 345)以及数据记录的(SD)卡。

六自由度惯性测试单元(IMU)中陀螺仪分辨率为0.07°/s，量测范围为+/-2000°/s.加速度计分辨率为0.04m/s²，测试范围为+/-16g。

系泊绳6及检索绳8为迪尼玛绳，直径范围在10-18mm。

采用能量守恒定律，假定锚尖嵌入深度z_e，tip，通过迭代反算接近参考值，然后确定最终嵌入深度，速度由加速度积分数值计算，其总能量关系式表示为：

参考值的关系式如下：

式中，m为锚的总质量，m′是锚的有效质量(嵌入土中)；d_eff＝(4A_f/π)^0.5；A_f为总正面面积(锚轴和锚爪)；k为土强度梯度的影响系数。

在给定设计荷载情况下，对于动力贯入锚板预测嵌入深度的迭代方法具体如下：

1、假定一个总体锚的大小，给定锚质量为m和几何形状，锚的冲击速度可以计算通过锚给定的锚释放高度使用下列方程：

md²s/dt²＝W_s-F_d

W_s为锚淹没在水中的重量，F_d为拖拽力，计算如下：

其中C_d为锚的拖拽系数，一般取0.7，ρ_s为土的密度，A_f为锚的正面面积，v是锚的合速度，

2、假定锚尖嵌入深度为z_e，tip，总的能量计算用下列关系式，冲击速度可由加速度数值积分获得，其关系式表示为：

3、调整锚的大小与锚尖贯入深度直到z_e，tip/d_eff与E_total/kd_eff⁴关系组合位于预测线上求解所需要的k和α。其中α为界面的摩擦比。

4、使用下列方程计算板锚嵌入由于人为操控损失，来确定最终的板嵌入深度z_e，plate

5、从下列关系式中选择一个承载系数N_c：

当z_e，plate/D≥2.5时，N_c＝14.9；

当z_e，plate/D≤2.5时，Su为不排水抗剪强度，γ′为土的有效重度，

6、计算最终板埋置深度锚固力利用步骤5中已确定的承载系数和锚在土中淹没的重量。

7、重复步骤1-6直到锚承载力至少与所需要的设计荷载值相等。

本发明解决了海洋深水中漂浮的石油和天然气设施的现有锚固系统耗时长，成本高，测试不准确等问题，能够方便、快速、精确、低成本地测定海底超软土的工程力学性质，并自行进行数据的收集、处理、储存工作。为近海岩土工程勘测设计、施工提供快捷有效经济的测试参数。