一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103575858 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575858 A (21)申请号 201310484553.4 (22)申请日 2013.10.16 G01N 33/00(2006.01) G01N 33/24(2006.01) (71)申请人 浙江海洋学院 地址 316000 浙江省舟山市普陀区朱家尖街 道大同路 127 号 (72)发明人 白兴兰 姚锐 陈晶晶 (74)专利代理机构 杭州杭诚专利事务所有限公 司 33109 代理人 尉伟敏 (54) 发明名称 一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实 验装置 (57) 摘要 本发明公开了。

2、一种三维钢悬链线立管与土壤 相互作用的实验装置， 该实验装置通过研究测试 管横向、 纵向、 垂向三个方向的运动， 让测试管更 加接近工程实际来采集试验数据， 以便三维实验 所得到的实验数据分析结果能更好地促进理论研 究与数值分析， 由此指导立管的整体设计与分析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠应用。包 括土箱、 测试管、 计算机、 伺服电机和数据采集单 元， 数据采集单元包括激光数据采集器， 在土箱内 的底部铺设有一定厚度的土壤， 测试管平放在土 壤的上表面上， 把测试管一端固定在土箱内壁上， 测试管另一端连接在三维移动机上， 并在测试管 上设有三维坐标轨迹路径采集机构。主要用于深 水钢悬。

3、链线立管的设计技术中。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 8 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图8页 (10)申请公布号 CN 103575858 A CN 103575858 A 1/2 页 2 1. 一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 包括土箱和试验用的测试管， 其特征在于， 还包括计算机、 伺服电机和数据采集单元， 数据采集单元包括激光数据采集 器， 在土箱内一端的侧壁上固定设有固定夹， 并且固定夹到土箱内底面的高度距离为 10 至 30 厘米 ； 在土箱内另一端的侧壁上固定设有三维。

4、移动机构， 三维移动机构由伺服电机驱 动， 伺服电机的控制端与计算机连接， 三维移动机构包括横向移动轨道、 纵向移动轨道和垂 向移动轨道， 在横向移动轨道上设有滑动的小滑块， 在小滑块下端固定连接有连接杆， 在连 接杆下端连接有万向转轴 ； 在固定夹下方的土箱内壁上设有若干呈 “T” 字形的抓丁 ； 在土 箱内的底部铺设有一定厚度的土壤， 土壤的上表面在固定夹的上下端之间， 测试管平放在 土壤的上表面上， 并且测试管的一端固定连接在固定夹上， 测试管的另一端固定连接在万 向转轴上 ； 在测试管上卡紧套有呈三维坐标状布置的三维支架， 且三维支架的其中两根支 杆与测试管垂直布置， 在三维支架的每根。

5、支杆末端分别设有照射方向与支杆中轴线方向一 致的激光灯， 在每个激光灯正对方的土箱内分别设有一块激光数据采集器的激光感应板， 激光数据采集器与计算机连接。 2. 根据权利要求 1 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特 征在于， 数据采集单元还包括 ： 测量测试管弯矩的应变传感器、 监测土壤固结的土壤固结 LVDT 位移传感器、 监测测试管正向沉降的测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、 监测测试管 侧向沉降的测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器、 测量沟槽附近土壤强度变化的环式土壤贯 入试验仪和监测测试管运动过程中沟槽尺寸的两个激光仪， 其中， 土壤固结 LVDT 位移传。

6、感 器、 测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、 环式土壤贯入试验仪和两个激光仪均设置在测试管 正上方的土箱内， 测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器设置在测试管侧上方的土箱内， 所述应 变传感器包括若干块应变片， 若干块应变片沿测试管长度方向间隔紧密贴在测试管外表面 上， 并且在越靠近万向转轴这端的测试管上应变片之间的间隔距离越小， 其中一块应变片 紧密贴在测试管与固定夹连接处的测试管上， 一块应变片紧密贴在测试管与万向转轴连接 处的测试管上， 应变片与应变传感器电连接， 并且应变传感器、 土壤固结 LVDT 位移传感器、 测试管正向沉降LVDT位移传感器、 测试管侧向沉降LVDT位移传感器。

7、、 环式土壤贯入试验仪 和激光仪分别与计算机连接 ； 数据采集单元还包括 ： 测量土壤固结过程中孔隙压力变化的 若干个正土孔隙水压力计、 测量土壤固结过程中孔隙压力变化的若干个侧土孔隙水压力计 和测量自由液面高度的若干个自由土孔隙水压力计， 其中， 正土孔隙水压力计布置在测试 管正下方的土壤内， 侧土孔隙水压力计布置在测试管侧下方的土壤内， 自由土孔隙水压力 计布置在远离测试管的土壤内， 并且正土孔隙水压力计、 侧土孔隙水压力计和自由土孔隙 水压力计分别与计算机连接 ； 数据采集单元还包括 ： 监测测试管运动过程中倾斜角度变化 的测斜仪， 测斜仪布置在测试管与万向转轴连接这端的测试管端部上， 。

8、测斜仪与计算机连 接。 3. 根据权利要求 1 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特征 在于， 还包括气压装置和进水装置， 数据采集单元还包括气压传感器， 在土箱上端设有密封 盖， 并在密封盖上设有进气孔和进水孔， 气压装置的输出孔与密封盖上的进气孔连接， 进水 装置的输出孔与密封盖上的进水孔连接， 气压传感器固定布置在密封盖的内壁上， 所述气 压装置的控制端、 所述进水装置的控制端和所述气压传感器分别与计算机连接。 4. 根据权利要求 1 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特征 权 利 要 求 书 CN 103575858 A 2 2/2 页 3 。

9、在于， 土箱的内腔包括上段内腔和下段内腔， 下段内腔为正方体形内腔， 上段内腔为圆柱形 内腔， 下段内腔的边长大于上段内腔的直径， 固定夹的底端在上段内腔和下段内腔的连接 处， 抓丁布满在整个下段内腔的内壁上。 5. 根据权利要求 1 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特征 在于， 在土箱内的上端设有五根互相平行的横条， 并且横条与测试管垂直布置。 6. 根据权利要求 5 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特征 在于， 在土箱上端边沿设有呈 “T” 形的卡边滑轨， 在所述横条的两端设有与卡边滑轨相匹配 的卡槽， 横条的卡槽咬合卡边滑轨固定在土箱上端口。

10、。 7. 根据权利要求 6 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特 征在于， 在横条的卡槽处设有螺栓孔， 在螺栓孔内装有螺栓， 横条通过螺栓紧固在土箱上端 口。 8. 根据权利要求 2 所述的一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 其特征 在于， 自由土孔隙水压力计布置在紧靠土箱内侧壁的土壤内。 权 利 要 求 书 CN 103575858 A 3 1/6 页 4 一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置 技术领域 0001 本发明涉及深水钢悬链线立管技术领域， 尤其涉及一种三维钢悬链线立管与土壤 相互作用的实验装置。 背景技术 0002 作为海上油气生产的大动。

11、脉， 立管系统在海洋油气资源开发中占有举足轻重的地 位。随着水深支架， 深水钢悬链线立管 (Steel Catenary Riser， SCR) 在成本控制、 适用水 深和顺应能力等发明逐渐展现出独特优势， 并取代传统立管， 成为深海尤其资源开发低成 本高效益的立管解决方案， 作为连接海上浮式装置和海底管道的系统被广泛用于各种水深 开发项目中。 0003 针对深水钢悬链线立管(Steel Catenary Riser， SCR)的触地点区域， 管-土相互 作用原型试验耗资巨大， 且难以观测等问题。当今国内外已经开展了大量管土作用小尺寸 模拟实验， 但这些实验研究主要集中在采用小直径立管与土的二。

12、维相互作用来验证数值分 析结果， 难以反应工程实际。 0004 本发明中提到的测试管是指深水钢悬链线立管的流线段， 简称立管。 0005 中国专利公开号CN201965061U， 公开日是2011年9月7日， 名 称为一种深水立管 疲劳实验装置的方案中公开了一种深水立管疲劳实验装置， 它包括主缸筒、 轴向加载缸、 立 管试件总成、 横向伺服加载缸、 土体作用伺服加载缸 ； 主缸筒顶部设置外压接口和放气阀 ； 主缸筒两端分别连接一具有轴向力接口的轴向加载缸 ； 立管试样总成两端分别铰接在相应 一侧的轴向加载缸活塞上， 立管试样总成包括一试样主体和一连杆 ； 试样主体下方设置有 模拟土体 ； 试样。

13、主体两端分别设置一内压接口 ； 试样主体上设置有若干传感器， 各传感器 的测试引线穿出主缸筒连接测试仪器 ； 各横向伺服加载缸和土体作用伺服加载缸均设置在 主缸筒上， 其中两个横向伺服加载缸的活塞顶在试样主体顶部， 另一个横向伺服加载缸的 活塞顶在试样主体与连杆连接处底部 ； 各土体作用伺服加载缸的活塞顶在模拟土体底部。 不足之处在于， 这种立管疲劳实验装置只在一个方向上对立管进行测试， 不能反映立管的 工程实际， 所试验得出的试验结果不能用于指导立管的整体设计与分析。 发明内容 0006 本发明是为了解决现有立管疲劳实验装置只在一个方向上对立管进行测试， 不能 反映立管的工程实际， 所试验得。

14、出的试验结果不能用于指导立管的整体设计与分析的不 足， 提供一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置。该实验装置通过研究测试管 横向、 纵向、 垂向三个方向的运动， 让测试管更加接近工程实际来采集试验数据， 以便三维 实验所得到的实验数据分析结果能更好地促进理论研究与数值分析， 由此指导立管的整体 设计与分析， 保证立管在深水油气开 采中的安全可靠应用。 0007 为了实现上述目的， 本发明采用以下技术方案 ： 0008 一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 包括土箱和试验用的测试 说 明 书 CN 103575858 A 4 2/6 页 5 管， 还包括计算机、 伺服电机和数据。

15、采集单元， 数据采集单元包括激光数据采集器， 在土箱 内一端的侧壁上固定设有固定夹， 并且固定夹到土箱内底面的高度距离为10至30厘米 ； 在 土箱内另一端的侧壁上固定设有三维移动机构， 三维移动机构由伺服电机驱动， 伺服电机 的控制端与计算机连接， 三维移动机构包括横向移动轨道、 纵向移动轨道和垂向移动轨道， 在横向移动轨道上设有滑动的小滑块， 在小滑块下端固定连接有连接杆， 在连接杆下端连 接有万向转轴 ； 在固定夹下方的土箱内壁上设有若干呈 “T” 字形的抓丁 ； 在土箱内的底部 铺设有一定厚度的土壤， 土壤的上表面在固定夹的上下端之间， 测试管平放在土壤的上表 面上， 并且测试管的一端。

16、固定连接在固定夹上， 测试管的另一端固定连接在万向转轴上 ； 在 测试管上卡紧套有呈三维坐标状布置的三维支架， 且三维支架的其中两根支杆与测试管垂 直布置， 在三维支架的每根支杆末端分别设有照射方向与支杆中轴线方向一致的激光灯， 在每个激光灯正对方的土箱内分别设有一块激光数据采集器的激光感应板， 激光数据采集 器与计算机连接。本方案的试验装置较真实的模拟了真实立管在深海环境中的运动情况， 通过三维移动机构的三个轨道与连接杆的之间的相对运动， 使得测试管可在横向、 垂向、 纵 向进行单独或者两两耦合， 以及三个方向同时进行的运动。激光数据采集器能够把测试管 在试验过程中摆动的轨迹 路径记录下来，。

17、 并且在三维方向上是同时摆动的， 记录测试管摆 动的三维坐标轨迹路径， 三维坐标轨迹路径能够更加真实的模拟真实立管在深海环境中的 运动情况。 在试验结束后， 计算机还能够根据轨迹路径的数据， 在计算机中模拟试验中的场 景， 延伸了再次对测试管试验状况进行分析的数据依据。 根据分析数据的变化， 验证理论分 析与数值模拟的正确性， 设计人员能通过分析这些数据来指导深水钢悬链线立管的整体设 计与分析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠应用。伺服电机易于控制， 操作简单。三 维移动机构上小滑块增加连接杆在三维移动机构上的灵活滑动， 保证三维试验测试的效果 更好。 抓丁能够抓住土壤， 保证测试管运动过。

18、程中土壤不会整块被翻起， 保证试验的顺利进 行。 本方案采用伺服电机， 伺服电机完全能满足三维移动机构各个移动轨道的运动幅度， 伺 服电机的驱动幅度较大， 并且驱动幅度的大小易于控制。 0009 作为优选， 数据采集单元还包括 ： 测量测试管弯矩的应变传感器、 监测土壤固结的 土壤固结LVDT位移传感器、 监测测试管正向沉降的测试管正向沉降LVDT位移传感器、 监测 测试管侧向沉降的测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器、 测量沟槽附近土壤强度变化的环式 土壤贯入试验仪和监测测试管运动过程中沟槽尺寸的两个激光仪， 其中， 土壤固结 LVDT 位 移传感器、 测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、。

19、 环式土壤贯入试验仪和两个激光仪均设置在 测试管正上方的土箱内， 测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器设置在测试管侧上方的土箱内， 所述应变传感器包括若干块应变片， 若干块应变片沿测试管长度方向间隔紧 密贴在测试 管外表面上， 并且在越靠近万向转轴这端的测试管上应变片之间的间隔距离越小， 其中一 块应变片紧密贴在测试管与固定夹连接处的测试管上， 一块应变片紧密贴在测试管与万向 转轴连接处的测试管上， 应变片与应变传感器电连接， 并且应变传感器、 土壤固结 LVDT 位 移传感器、 测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、 测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器、 环式土壤 贯入试验仪和激光仪分别与。

20、计算机连接 ； 数据采集单元还包括 ： 测量土壤固结过程中孔隙 压力变化的若干个正土孔隙水压力计、 测量土壤固结过程中孔隙压力变化的若干个侧土孔 隙水压力计和测量自由液面高度的若干个自由土孔隙水压力计， 其中， 正土孔隙水压力计 布置在测试管正下方的土壤内， 侧土孔隙水压力计布置在测试管侧下方的土壤内， 自由土 说 明 书 CN 103575858 A 5 3/6 页 6 孔隙水压力计布置在远离测试管的土壤内， 并且正土孔隙水压力计、 侧土孔隙水压力计和 自由土孔隙水压力计分别与计算机连接 ； 数据采集单元还包括 ： 监测测试管运动过程中倾 斜角度变化的测斜仪， 测斜仪布置在测试管与万向转轴连。

21、接这端的测试管端部上， 测斜仪 与计算机连接。试验实验过程中测试管的弯矩越靠近运动端弯矩较大， 所以靠近运动端处 应变片贴附较密。使用应变片测量测试管各个节点在运动过程中弯矩变化的变化， 使用激 光器测量沟槽尺寸的变化， 使用 LVDT 位移传感器测量立管沉降的变化， 使用土壤固结 LVDT 位移传感器监测土壤固结的变化， 使用测试管正向沉降 LVDT 位移传感器监测测试管正向 沉降的变化， 使用两个激光仪监测测试管运动过程中沟槽尺寸的变化， 使用环式土壤贯入 试验仪测量沟槽附近土壤强度的变化， 使用测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器监测测试管 侧向沉降的变化， 使用正土孔隙水压力计测量土壤。

22、固结过程中孔隙压力的变化， 使用侧土 孔隙水压力计测量土壤固结过程中孔隙压力的变化， 使用自由土孔隙水压力计测量自由液 面高度的变化， 使用测斜仪监测测试管运动过程中倾斜角度的变化， 在测量管两端紧密粘 贴分别粘贴应变片来测量实验过程中测试管所受的拉力的变化。根据这些变化数据， 验证 理论分析与数值模拟的正确性， 设计人员能通过分析这些数据来指导深水钢悬链线立管的 整体设计与分析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠应用。 0010 作为优选， 还包括气压装置和进水装置， 数据采集单元还包括气压传感器， 在土箱 上端设有密封盖， 并在密封盖上设有进气孔和进水孔， 气压装置的输出孔与密封盖上的进。

23、 气孔连接， 进水装置的输出孔与密封盖上的进水孔连接， 气压传感器固定布置在密封盖的 内壁上， 所述气压装置的控制端、 所述进水装置的控制端和所述气压传感器分别与计算机 连接。通过把水放置在土箱内， 这时， 土箱中的土壤和测试管就在水面下， 这样就有模拟立 管在海水中的情况。 当用气压装置向土箱内加气压时， 水上面就增加了气压， 水中就会增加 压力。 当水中的压力和深海中的水压力接近时， 再进行测试管的三维移动， 就能够比较真实 的模拟立管在深海环境中的实际运动场景， 采集到的数据也就更加接近立管在工程使用中 的实际状况的数据。 把这些接近于实际状况的数据传给计算机， 计算机会根据数据的变化，。

24、 验证理论分析与数值模拟的正确性， 设计人员能通过分析这些数据来指导深水钢悬链线立 管的整体设计与分析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠 应用。 0011 作为优选， 土箱的内腔包括上段内腔和下段内腔， 下段内腔为正方体形内腔， 上段 内腔为圆柱形内腔， 下段内腔的边长大于上段内腔的直径， 固定夹的底端在上段内腔和下 段内腔的连接处， 抓丁布满在整个下段内腔的内壁上。 0012 作为优选， 在土箱内的上端设有五根互相平行的横条， 并且横条与测试管垂直布 置。 横条不仅便于布置测试仪器， 让试验数据的采集更加精确， 让验证理论分析与数值模拟 的正确性更加可靠， 让设计人员能通过分析这些数据来。

25、指导深水钢悬链线立管的整体设计 与分析的依据更准确可靠。还能够起到测试管突然断裂飞出的阻挡作用， 保证试验的安全 性。 0013 作为优选， 在土箱上端边沿设有呈 “T” 形的卡边滑轨， 在所述横条的两端设有与卡 边滑轨相匹配的卡槽， 横条的卡槽咬合卡边滑轨固定在土箱上端口。易于控制横条与横条 设置测试仪的位置， 采集数据准确性高， 并且易于拆卸横条， 便于放置测试管， 试验安装简 单方便。 0014 作为优选， 在横条的卡槽处设有螺栓孔， 在螺栓孔内装有螺栓， 横条通过螺栓紧固 说 明 书 CN 103575858 A 6 4/6 页 7 在土箱上端口。便于拆卸横条， 便于放置测试管， 试验。

26、安装简单方便。 0015 作为优选， 自由土孔隙水压力计布置在紧靠土箱内侧壁的土壤内。 远离测试管， 土 壤受到的压力小， 水处于自由压力状态， 自由土孔隙水压力计采集的数据结果准确性高。 0016 本发明能够达到如下效果 ： 0017 本发明实验装置通过研究测试管横向、 纵向、 垂向三个方向的运动， 让测试管更加 接近工程实际， 以便三维实验所得到的实验数据分析结果能更好地促进理论研究与数值分 析， 根据这些数值分析， 验证理论分析与数值模拟的正确性， 由此指导立管的整体设计与分 析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠应用。 附图说明 0018 图 1 是本发明的一种立体结构示意图。 00。

27、19 图 2 是本发明俯视的一种结构示意图。 0020 图 3 是本发明侧视的一种结构示意图。 0021 图 4 是本发明密封盖的一种结构示意图。 0022 图 5 是本发明横条安装在土箱上端的一种结构示意图。 0023 图 6 是本发明三维支架安装在测试管上的一种结构示意图。 0024 图 7 是本发明的一种电路原理连接结构示意框图。 0025 图 8 是本发明土箱的内腔包括上段内腔和下段内腔的一种结构示意图。 具体实施方式 0026 下面通过实施例， 并结合附图， 对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 0027 例 1 ： 一种三维钢悬链线立管与土壤相互作用的实验装置， 如图 1、 图 。

28、7 所示， 包括 土箱 2、 固定夹 1、 连接杆 24、 万向转轴 15、 三 维移动机构 10、 数据采集单元、 计算机 37 和 伺服电机 39， 其中， 数据采集单元包括 ： 激光数据采集器 ； 数据采集单元还包括 ： 测量测试 管弯矩的应变传感器 36、 监测土壤固结的土壤固结 LVDT 位移传感器、 监测测试管正向沉降 的测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、 监测测试管侧向沉降的测试管侧向沉降 LVDT 位移传 感器、 测量沟槽附近土壤强度变化的环式土壤贯入试验仪和监测测试管运动过程中沟槽尺 寸的两个激光仪 ； 数据采集单元还包括 ： 测量土壤固结过程中孔隙压力变化的若干个正土 。

29、孔隙水压力计、 测量土壤固结过程中孔隙压力变化的若干个侧土孔隙水压力计和测量自由 液面高度的若干个自由土孔隙水压力计 ； 数据采集单元还包括 ： 监测测试管运动过程中倾 斜角度变化的测斜仪 ； 数据采集单元还包括 ： 气压传感器 ； 还包括气压装置 40 和进水装置 41。 0028 如图 1、 图 2、 图 5 所示， 在土箱上端设有五根互相平行的横条 9， 并且横条与测试 管垂直布置。在土箱上端边沿设有呈 “T” 形的卡边滑轨 26， 在横条的两端设有与卡边滑轨 相匹配的卡槽 27， 横条的卡槽咬合卡边滑轨固定在土箱上端口。在横条的卡槽处设有螺栓 孔， 在螺栓孔内装有螺栓 28， 横条通过。

30、螺栓紧固在土箱上端口。 0029 如图1、 图3所示， 三维移动机构10包括横向移动轨道11、 纵向移动轨道13和垂向 移动轨道 12， 并在横向移动轨道上设有滑动的小滑块 23， 三维移动机构由伺服电机驱动， 伺服电机的控制端与计算机连接。 说 明 书 CN 103575858 A 7 5/6 页 8 0030 如图 1、 图 3 所示， 在固定夹下方的土箱内壁上设有若干呈 “T” 字形的抓丁 45， 抓 丁能够抓住土壤， 保证测试管运动过程中土壤不会整块被翻起， 保证试验顺利进行。 在土箱 内的底部铺设有 32 厘米厚度的土壤 21， 土壤为软粘土。在土壤上铺设有试验用的测试管 18， 测。

31、试管的一端通过固定夹固定连接在土箱上， 并且固定夹到土箱内底面的高度距离为 30 厘米 ； 测试管的一端与万向转轴的一端固定连接， 万向转轴的另一端与连接杆的一端连 接， 连接杆的另一端与三维移动机构横向移动轨道上的小滑块万向转动连接。 0031 如图 1、 图 3 所示， 在测试管外表面上沿测试管长度方向间隔贴有测量测试管弯矩 的若干块应变片 22， 越靠近测试管的一端应变片之间的间隔距离越小， 并且在测试管与固 定夹连接处的测试管上布置有一块应变片， 在测试管与万向转轴连接处的测试管上布置有 一块应变片。应变片与应变传感器电连接。 0032 如图1、 图2、 图3所示， 在测试管正上方的土。

32、箱横条上设有监测土壤固结的土壤固 结 LVDT 位移传感器 3、 监测测试管正向沉降的测试管正向沉降 LVDT 位移传感器 6、 监测测 试管运动过程中沟槽尺寸的一号激光仪 5 和二号激光仪 8， 并且一号激光仪 5 和二号激光 仪 8 与测试管的中心线在同一个竖直平面内， 一号激光仪和二号激光仪高度相等。在测试 管正上方的土箱横条上还设有测量沟槽附近土壤强度变化的环式土壤贯入试验仪 7， 在测 试管侧上方的土箱上设有监测测试管侧向沉降的测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器 4。 0033 如图1、 图2、 图3所示， 在测试管正下方的土壤内设置有测量土壤固结过程中孔隙 压力变化的若干个正土孔。

33、隙水压力计 25， 在测 试管侧下方的土壤内设置有测量土壤固结 过程中孔隙压力变化的若干个一号侧土孔隙水压力计 17 和若干个二号侧土孔隙水压力计 19， 在远离测试管的土壤内设置有测量自由液面高度的若干个一号自由土孔隙水压力计 14 和若干个二号自由土孔隙水压力计 20， 其中， 一号自由土孔隙水压力计布置在紧靠土箱内 侧壁的土壤内， 二号自由土孔隙水压力计布置在土箱转角处的土壤内。 0034 如图1、 图2、 图3所示， 在土箱内设有监测测试管运动过程中倾斜角度变化的测斜 仪 16， 并且测斜仪布置在测试管的一端这端的土箱内。 0035 如图 7 所示， 三维移动机构 10 的控制端、 应。

34、变传感器 36、 土壤固结 LVDT 位移传感 器、 测试管正向沉降 LVDT 位移传感器、 激光仪、 环式土壤贯入试验仪、 测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器、 正土孔隙水压力计、 侧土孔隙水压力计、 自由土孔隙水压力计和测斜仪分别与 计算机连接。 0036 如图 6 所示， 在测试管上卡紧套有呈三维坐标状布置的三维支架 29， 且三维支架 的其中两根支杆 30 与测试管垂直布置， 在三维支架的每根支杆末端分别设有照射方向与 支杆中轴线方向一致的激光灯 31， 在每个激光灯正对方的土箱内设有激光感应板 32， 在每 块激光感应板上连接有激光数据采集器 38， 激光数据采集器与计算机连接。 。

35、0037 如图1、 图4、 图7所示， 在土箱上端设有密封盖33， 并在密封盖上设有进气孔34和 进水孔 35， 气压装置的输出孔与密封盖上的进气孔连接， 进水装置的输出孔与密封盖上的 进水孔连接， 在密封盖内 壁上设有气压传感器 42， 气压装置的控制端、 进水装置的控制端 和气压传感器分别与计算机连接。 0038 试验时， 计算机给进水装置指令， 进水装置把水抽到土箱内， 水的高度在测试管十 厘米至十二里面时停止供水， 然后， 计算机给进气装置指令， 进气装置把气体压入到土箱 内， 当气压传感器检测到土箱内的压力达到设定压力时停止供气。 接着， 计算机给伺服电机 说 明 书 CN 1035。

36、75858 A 8 6/6 页 9 指令， 伺服电机驱动三维移动机构做上下移动、 横向移动和纵向移动的三个方向移动， 连接 在三维移动机构上的连接杆带动测试管也做上下移动、 横向移动和纵向移动。在测试管移 动的同时， 应变传感器、 土壤固结LVDT位移传感器、 测试管正向沉降LVDT位移传感器、 一号 激光仪、 二号激光仪、 环式土壤贯入试验仪、 测试管侧向沉降 LVDT 位移传感器、 正土孔隙水 压力计、 一号侧土孔隙水压力计、 二号侧土孔隙水压力计、 一号自由土孔隙水压力计、 二号 自由土孔隙水压力计、 测斜仪和激光数据采集器分别把数据传给计算机， 计算机把采集到 的数据分别存储在计算机上。

37、。试验人员就可以用这些数据对测试管进行分析。 0039 例 1 的实验装置通过研究测试管横向、 纵向、 垂向三个方向的运动， 让测试管更加 接近工程实际来采集试验数据， 以便三维实验所得到的实验数据分析结果能更好地促进理 论研究与数值分析， 由此指导立管的整体设计与分析， 保证立管在深水油气开采中的安全 可靠应用。 0040 例 2 ： 图 8 所示， 例 2 就是把例 1 中的土箱内腔变为上下两段， 其它结构与例 1 相 同。 具体是， 土箱的内腔包括上段内腔43和下段内腔44， 下段内腔为正方体形内腔， 上段内 腔为圆柱形内腔， 下段内腔的边长大于上段内腔的直径， 固定夹的底端在上段内腔和。

38、下段 内腔的连接处， 抓丁布满在整个下段内腔的内壁上， 在上段内腔上安装有电机， 在电机的转 轴上安装有螺旋桨， 电机驱动螺旋桨转动， 螺旋桨带动上段内腔中的水转动或反转， 让土箱 中的水真实模拟海水翻转的运动状态， 让测试管能够比较真实的模拟立管在深海环境中的 实际运动场景， 使得试验中采集到的数据也就更加接近立管在工程使用中的实际状况的数 据。 把这些接近于实际状况的数据传给计算机， 计算机会根据数据的变化， 验证理论分析与 数值模拟的正确性， 设计人员能通过分析这些数据来指导深水钢悬链线立管的整体设计与 分析， 保证立管在深水油气开采中的安全可靠应用。 0041 上面结合附图描述了本发明。

39、的实施方式， 但实现时不受上述实施例限制， 本领域 普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。 说 明 书 CN 103575858 A 9 1/8 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 10 2/8 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 11 3/8 页 12 图 3 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 12 4/8 页 13 图 4 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 13 5/8 页 14 图 5 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 14 6/8 页 15 图 6 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 15 7/8 页 16 图 7 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 16 8/8 页 17 图 8 说 明 书 附 图 CN 103575858 A 17 。