[發(fā)明專利]一種變水頭軟黏土固結模型試驗箱及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210015148.7
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114295468B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設計）人: 梁昊;吳宇旗;李大勇;王召龍
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 青島眾智源知識產權代理事務所(普通合伙) 37355
• 代理人: 何兆菲

本發(fā)明公開一種變水頭軟黏土固結模型試驗箱及其使用方法，屬于海洋工程中海底管道的技術研究領域。它由固結系統(tǒng)、真空泵和高清相機組成，所述的固結系統(tǒng)包括自由水桶、模型箱、集水桶，其中自由水桶放置于模型箱上部一定高度處，二者通過管線連接，桶內自由水在水頭壓力作用下涌入模型箱；模型箱側面采用方便觀察土體變形的有機玻璃制成，其底部設有與集水桶相連的排水口，集水桶是由高強度鋼材制成的密封水桶，前后側各設有一個連接口，分別與模型箱和真空泵相連；所述的真空泵對集水桶抽氣產生負壓，軟黏土中自由水在負壓吸力下吸入集水桶；所述的高清相機置于模型箱正前方，用于拍攝模型試驗中土體的變形。本發(fā)明通過水頭壓力和負壓吸力共同作用促進了軟黏土中自由水豎直向下滲流，實現(xiàn)了軟黏土的快速固結，使土體達到原位抗剪強度。

技術領域

本發(fā)明涉及海洋工程海底管道研究技術領域，具體涉及一種變水頭軟黏土固結模型試驗箱及其使用方法。

背景技術

海底管道在油氣運輸中受溫度應力作用發(fā)生屈曲大變形，其中豎向起拱和側向滑移是主要的屈曲模式，因此，研究變形過程中土體所能提供的抗力及其發(fā)揮過程對于管線的保護及屈曲變形控制有著重要的意義。海底管線與地基土的相互作用機理是研究的最重要內容。相關研究者們需對開展模型試驗所用模型箱進行研究。

軟黏土、淤泥土是海底最為常見的地基土質，其與管道的相互作用機理是管道研究的重點，然而黏性土的滲透性遠低于砂土地基，僅靠土體自重難以固結到土體原位抗剪強度，模型試驗需要耗費大量時間進行固結，因此，亟需開發(fā)一套可以快速固結軟黏土的固結設備，以縮短模型試驗前期準備時間。

現(xiàn)有技術的相關研究報道主要有：

CN?112985936A公開了一種海底軟黏土固結試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)將真空泵、泥漿收集罐、固結土槽順次相連，真空泵通過對泥漿收集罐吸氣使其產生負壓，進而將固結土槽內軟黏土中自由水吸入泥漿收集罐中，起到固結土體的作用。然而，該系統(tǒng)僅靠負壓吸力集水效率較低，不足以使?jié)B透性較差的淤泥質土固結到預期抗剪強度，且模型試驗箱與管線端部之間的摩擦對試驗結果產生較大誤差，因此該系統(tǒng)不適合針對海底管線進行試驗研究。

CN?107916662A、CN?102116022A、CN?108005058A和CN?108277794A分別公開了針對軟土地基的處理方法，通過在軟土地基內埋置多個豎向排水體，通過抽水泵抽水、震動或者側向增壓等方式加速軟土地基的固結，然而，豎向排水體在模型試驗中將地基土分割成若干個子區(qū)域，這些方法不能制備得到均質的地基土。因此，不能應用于小比尺模型試驗。

發(fā)明內容

針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種變水頭軟黏土固結模型試驗箱，可實現(xiàn)短期內固結軟黏土，使土體快速達到預期抗剪強度的效果，針對海底管道的上拔和側向移動進行特定試驗。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所存在的技術難點在于：

軟黏土的滲透系數(shù)太低，僅靠土體自重作用無法達到預期抗剪強度，而采用傳統(tǒng)負載預壓的固結方法容易導致土體變形，由此使得海底管線的研究工作受到很大的局限。此外，海底管道端部在模型試驗中與模型箱側壁產生摩擦，致使試驗結果存在較大誤差。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種變水頭軟黏土固結模型試驗箱及其使用方法，由固結系統(tǒng)、真空泵、高清相機組成；

所述的固結系統(tǒng)由自由水桶、模型箱、集水桶構成。模型箱是一個雙層矩形箱體，內層長、高各1.5m，寬度為1m，外層長、寬、高均為1.5m，內外層均采用可視土體變形的有機玻璃制成，其頂端塑料蓋板和右側底端出水口分別與自由水桶和集水桶相連；

所述的真空泵是一個液壓吸氣裝置，通過對集水桶抽氣使其內部產生負壓，進而模型箱內軟黏土中自由水被吸入集水桶；

所述的高清相機通過三腳架固定于模型箱正前方，用于試驗中拍攝試驗過程中土體的變形。