可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置及测试方法与流程

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置及测试方法，它能通过控制气囊内的压力模拟水平向和竖直向压力，为锚链入土段的设计提供参数。

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系统的安全性。实际工程中的入土段锚链受力较为复杂，一般认为有水平向和竖直向应力的作用，然而目前国内外仍然没有相关的试验装置能够模拟出这种复杂应力下锚链与土的相互作用，本实验装置能弥补该技术领域的空白，为复杂应力下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系统设计有重要参考意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置，该装置能够模拟复杂应力状态下锚链与土切向相互行为，并通过实验测得切向抗力，为工程上锚泊系统的入土段设计提供技术参数。该装置的特点是：通过两个特殊设计的气囊分别模拟实际土体的垂直向应力和水平向应力，这种设计更接近工程中锚链的实际受力状态；通过油缸施加位移，通过力传感器进行测量，从而测算出锚链与土的切向阻力。

本发明采取以下技术方案：

可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置，包括支撑架、桶形箱、水压加载系统、液压伺服系统、传力系统、锚链；所述的桶形箱为圆筒形封闭箱体，固定在支撑架上用于盛放土体；在桶形箱内，紧贴桶形箱内壁安装有柱环状气囊，用于为土体施加水平向应力，在土体上方设置饼状气囊，用于为土体施加垂直向应力；在桶形箱的顶面和底面以及饼状气囊上均开有中心孔供传力系统穿过；锚链竖直埋于土体中，两端与传力系统连接，水压加载系统用于向柱环状气囊及饼状气囊中抽注水以控制气囊压力，液压伺服系统用于施加应力并由传力系统传递至锚链使锚链与土进行切向相对运动，通过传力系统中的力传感器测量锚链与土的切向抗力。

上述技术方案中，进一步的，在所述的桶形箱的顶面和底面的中心孔内安装有直线轴承套筒。

进一步的，所述的传力系统包括钢绞线、四只定滑轮、两根直线轴承导杆、两只力传感器及两只挂钩；所述的四只定滑轮固定在支撑架上，且两两分设于桶形箱上、下两侧，钢绞线依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器、再连接第一直线轴承导杆穿过桶形箱上部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链上端连接，另一端连接第二力传感器再连接第二直线轴承导杆穿过桶形箱下部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链下端连接，液压伺服系统与钢绞线连接用于施加拉力。

进一步的，所述的液压伺服系统包括油缸和导杆，导杆一端与油缸活塞相连，另一端连接钢绞线。

进一步的，所述的水压加载系统包括水管、压力表与水压控制器，水管通入气囊中，由水压控制器控制向柱环状气囊、饼状气囊进行抽注水。

进一步的，所述的锚链包括5个单链环。

采用上述装置测定复杂应力下锚链与土切向作用的方法，包括如下步骤：

1)首先进行传力系统固有摩擦误差的标定：

①将柱环状气囊安装至桶形箱内侧后，向柱环式气囊注水至使得气囊保持与外壁贴紧且竖直的状态；用细钢缆替代锚链，将细钢缆与传力系统相连，通过液压油缸进行加载，使整个传力系统保持张紧状态；

②根据实验所需要的密实度进行土样的安装；制样完成后，依次安装饼状气囊和桶形箱顶板，并将顶板通过固定插销进行固定；

③根据试验要求，通过控制两个气囊内压达到预设压力进行固结，待固结完成后，通过伺服油缸施加单向或者循环荷载，力传感器测定钢丝与土之间的切向抗力；

④传力系统固有摩擦误差记为t1,记上下两只力传感器示数为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、液压油缸加载均与步骤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|。

本发明的试验装置和方法能够模拟复杂应力状态下锚链与土切向相互行为，并通过实验测得切向抗力，可为工程上锚泊系统的入土段设计提供技术参数。

附图说明

图1是本发明试验装置的一种具体结构的主视图；

图2是本发明图1结构的俯视图；

图3是本发明中桶形箱的一种主视剖面图；

图4是柱环状气囊的一种结构图；

图5是饼状气囊的一种结构图；

图6是本发明装置简化示意图和锚链受力示意图。

其中，支撑架柱1、台面2、滑轮支架3、底板4、固定螺丝5、底孔6、直线轴承套筒7、桶形箱8、侧壁孔9、固定插销10、顶板11、顶板孔12、柱环状气囊13、饼状气囊14、水管15、气囊出水口16、压力表17、水压控制器18、伺服油缸19、导杆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26。

具体实施方式

参照图1-4，本发明的可模拟复杂应力下锚链与土切向作用的试验装置，包括支撑架、桶形箱8、水压加载系统、液压伺服系统、传力系统、锚链26等。

所述的桶形箱为圆筒形封闭箱体，底座固定在支撑架上；箱体内盛放土体，紧贴桶形箱内壁安装有柱环状气囊13，可为土体施加水平向应力；桶形箱顶部紧贴上顶板设置饼状气囊14，可为土体施加垂直向应力；饼状气囊14具有中心孔，桶形箱顶板11和底板4也均开有中心孔并安装有直线轴承套筒7供传力系统穿过；锚链竖直埋于土体中，两端与传力系统连接，水压加载系统用于向柱环状气囊及饼状气囊中抽注水以控制气囊压力，液压伺服系统用于施加应力并由传力系统传递至锚链使锚链与土进行切向相对运动，通过传力系统中的力传感器测量锚链与土的切向抗力。

所述的支撑架用于对桶形箱进行固定以及为传力系统提供支撑，在图示实例中，主要由支撑架柱1、台面2、滑轮支架3等组成。支撑架柱1支撑台面2，滑轮支架3固定在台面2上。

本实例中，桶形箱固定在台面2的中心，主要包括底板4、固定螺丝5、底孔6、直线轴承套筒7、侧壁孔9、固定插销10、顶板11、顶板孔12等组成。桶形箱为圆筒形，半径为10cm,高度为30cm，底板4通过固定螺丝5固定在台面2中心,底板开有底孔6，可安装直线轴承套筒7；桶身开有侧壁孔9，作为水管的穿入通道；桶身上部安装有环形均匀布置的四个顶板固定插销10，用于顶板11的固定；与底板类似，顶板中心部也安装有直线轴承套筒，此外顶板外侧开有一个顶板孔12，作为水管的穿入通道。柱环状气囊13外侧与桶形箱侧壁8内壁紧贴，内侧将直接接触土体，用于为土体施加水平向应力；饼状气囊14安装至顶板以下，与下部土体和柱环状气囊13将直接接触，用于为土体施加垂直向应力，

所述的水压加载系统主要包括水管15、气囊出水口16、压力表17以及水压控制器18组成。水管15通过气囊出水口16连入气囊，并经过压力表17与水压控制器18相连，通过水压控制器18，伺服调节气囊内水压从而调节桶形箱内部土体所受压力。

所述的液压加载系统主要包括伺服油缸19、导杆20，用于施加指定的位移，通过传力系统使得锚链与土发生相对运动。

所述的传力系统如图1所示主要包括四只定滑轮21、钢绞线22、两只力传感器23、两根直线轴承导杆24、两只挂钩25。所述的四个定滑轮21固定在支撑架上，且两两分设于桶形箱上、下两侧，钢绞线22依次绕过四只定滑轮后一端连接第一力传感器、再连接第一直线轴承导杆穿过桶形箱上部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链上端连接，另一端连接第二力传感器、再连接第二直线轴承导杆穿过桶形箱下部的直线轴承套筒后通过挂钩与锚链下端连接，液压伺服系统与钢绞线连接用于施加拉力。所述的锚链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。

本试验装置的工作过程及原理如下：

1)首先进行传力系统固有摩擦误差的标定：

①将柱环状气囊安装至桶形箱内侧后，通过水压控制器向柱环式气囊注水至压力达到1kpa，使得气囊能保持与外壁贴紧且竖直的状态；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)，将细钢缆与传力系统相连，通过液压油缸进行加载，使力传感器的拉力维持在1kn，使整个传力系统保持张紧状态；

②根据实验所需要的密实度进行土样的安装；制样完成后，依次安装饼状气囊和顶板，并将顶板通过固定插销进行固定。

③根据试验要求，通过控制两个气囊内压达到预设压力进行固结。待固结完成后，通过伺服油缸施加单向或者循环荷载，力传感器测定钢丝与土之间的切向抗力。

④传力系统固有摩擦误差记为t1,记上下力传感器示数为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、液压油缸加载均与步骤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|。