本發明涉及一種海洋工程的試驗裝置，特別是涉及一種筒型基礎下沉過程中負壓自動控制的試驗裝置及其使用方法。

背景技術：

人類進入21世紀，能源危機日益突出，海上風能作為一種可再生的清潔能源，成為緩解全球能源緊張形勢的新方向。筒型基礎作為一種新型的海洋平臺基礎形式，實質上是一種帶裙板的圓板基礎，由于其具有減少工程量、節省投資、縮短施工時間、可重復使用等優點，正逐步應用于海上風電的基礎工程中。筒型基礎主要依靠內外壓差(負壓)實現沉放就位，是其區別于傳統基礎的突出特點，也是實現工程應用的前提。作為一種新型的安裝方式，筒型基礎負壓下沉在國內外的應用歷史較短，工程經驗不夠豐富，因此急需開展模型試驗，以指導筒型基礎的理論研究。筒型基礎在下沉過程中，負壓不僅提供貫入壓力，而且會引發滲流，滲流一方面會降低下沉阻力，另一方面也會限制施加負壓的大小，因為負壓過大會造成土體滲透破壞，影響筒型基礎的使用，所以在模型試驗中需要研究筒型基礎下沉過程中施加負壓的合理范圍；同時為更深入地了解筒型基礎的下沉過程，需要對負壓與下沉深度、筒壁內外土壓力、筒壁內外孔隙水壓力、筒端阻力之間的關系進行研究。

現有的負壓筒下沉試驗設備僅包含真空泵與真空罐，調節負壓的方式采用人工調節閥門與開關真空泵。此類試驗裝置在試驗開始前，將真空罐與筒型基礎之間的閥門關閉，利用真空泵將真空罐內部的空氣排空，制造真空環境；試驗開始后，將真空泵與真空罐之間的閥門關閉，打開真空罐與筒型基礎之間的閥門，以此在筒型基礎內部創造相對穩定的負壓環境，在試驗過程中，筒型基礎內部的負壓大小，依靠閥門進行調節。

常用的負壓試驗裝置僅依靠人工開關閥門來控制負壓大小，因此筒型基礎內部的負壓不夠準確，與此同時，筒型基礎內部的負壓會隨著時間逐漸釋放，當進行長時間的模型試驗時，負壓必定會有所降低，也會給試驗結果帶來誤差。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術的不足，提供一種用于筒型基礎下沉的負壓試驗裝置(即控制裝置)及其使用方法，能夠根據設定自動調節筒型基礎內的負壓大小，在試驗過程中提供穩定的負壓環境，解決了在進行負壓沉放試驗時需要大型負壓調節罐來儲存負壓，負壓在長時間試驗過程中緩慢釋放造成的不穩定問題。

本發明通過下述技術方案予以實現：

一種控制筒型基礎下沉負壓的試驗裝置，包括真空泵1；由負壓儲存罐罐蓋4、連接螺栓5、負壓儲存罐罐體6、負壓儲存罐真空表7、負壓儲存罐入口調節閥3和負壓儲存罐出口調節閥8組成的負壓儲存罐；由標準真空表11、標準真空表入口調節閥10、標準真空表出口調節閥12、控制面板總閥門14、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表17、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20、真空管21、排水閥22、真空管出口調節閥23、控制面板24、真空泵控制箱25、電源指示燈26、真空泵開關27、空氣開關31、繼電器33和接線端子35組成的控制系統。系統的連接結構是：真空泵1分別通過連接管路Ⅰ2和連接電路Ⅱ29與負壓儲存罐和控制系統的真空泵控制箱25相連，連接管路Ⅰ2靠近負壓儲存罐罐蓋的一端設有負壓儲存罐入口調節閥3，負壓儲存罐罐蓋4上設有負壓儲存罐真空表7，負壓儲存罐罐蓋4與負壓儲存罐罐體6通過兩端的連接螺栓5活動連接，負壓儲存罐通過連接管路Ⅱ9與控制系統的標準真空表11相連，連接管路Ⅱ9靠近負壓儲存罐一端設有負壓儲存罐出口調節閥8，靠近標準真空表11的一端設有標準真空表入口調節閥10，標準真空表11通過連接管路Ⅲ13與控制面板總閥門14連接，連接管路Ⅲ13在靠近標準真空表11的一端設有真空表出口調節閥12，控制面板總閥門14通過連接管路Ⅳ15與電接點真空表17相連，連接管路Ⅳ15在靠近電接點真空表17的一端設有電接點真空表入口調節閥16，電接點真空表17通過連接管路Ⅴ19與真空管21相連，連接管路Ⅴ19在靠近電接點真空表17一端設有電接點真空表出口調節閥18，在靠近真空管21一端設有真空管入口調節閥20，真空管21通過真空管出口調節閥23與外接管路相連，真空管21下方設有排水閥22，電接點真空表17通過連接電路Ⅰ28與真空泵控制箱25相連，真空泵控制箱25上設有電源指示燈26和真空泵開關27，在真空泵控制箱25內，外接電源通過連接電路Ⅲ30與空氣開關31相連接，空氣開關31通過連接電路Ⅳ32與繼電器33相連，繼電器33通過連接電路Ⅱ29與真空泵1相連接，電接點真空表17通過連接電路Ⅰ28與接線端子35相連接，接線端子35通過連接電路Ⅴ34與繼電器33相連接。

在上述技術方案中，所述的真空泵為旋片真空泵，轉速為1400轉/分，抽速為4升/秒，額定功率為0.55kW，極限真空達到6×10^-2Pa。

在上述技術方案中，所述的負壓儲存罐罐蓋為殼體結構，直徑為30-40cm，高度為3-5cm；負壓儲存罐罐體6為圓筒結構，直徑為30-40cm，高度為30-50cm。

在上述技術方案中，所述的連接管路Ⅰ2、連接管路Ⅱ9、連接管路Ⅲ13、連接管路Ⅳ15、連接管路Ⅴ19均為管徑4-8mm的塑料硬管。

在上述技術方案中，所述的負壓儲存罐入口調節閥3、負壓儲存罐出口調節閥8、標準真空表入口調節閥10、標準真空表出口調節閥12、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20、真空管出口調節閥23和排水閥22均為球閥。

在上述技術方案中，所述的電接點真空表額定電壓為220V，觸頭功率為10W，量程范圍為﹣0.1MPa；標準真空表的量程范圍為760mm水銀柱。

本發明的使用方法如下：

(1)首先將整體管路連接完畢，試驗用筒型基礎模型與真空管出口調節閥23相連接，在電接點真空表上設定負壓值的上限與下限，并打開負壓儲存罐入口調節閥3、標準真空表入口調節閥10、標準真空表出口調節閥12、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20和真空管出口調節閥23，關閉負壓儲存罐出口調節閥8和排水閥22。

(2)打開真空泵開關27，真空泵工作，負壓儲存罐內的真空度逐漸增加，通過負壓儲存罐真空表7觀察負壓儲存罐內的真空度，當負壓儲存罐內的真空度略大于試驗要求負壓的下限值后，打開負壓儲存罐出口調節閥8。

(3)此時試驗裝置內的負壓值應略大于電接點真空表17上設定負壓值的下限，真空泵1依然處于開啟狀態，隨著試驗的進行，負壓值逐漸提高，當負壓值高于設定值的上限后，電接點真空表17將通過連接電路關閉真空泵開關27，真空泵1停止工作，隨著筒型基礎下沉量的增加和時間的增長，試驗裝置內部的負壓值將會緩慢降低；當負壓值低于設定值的下限后，電接點真空表17將通過連接電路開啟真空泵開關27，真空泵1開始工作，提高試驗裝置內部的真空度，以此往復循環達到自動穩定試驗裝置內部負壓的目的。

在試驗過程中發現負壓設定值不滿足試驗條件，需要增加或者降低試驗裝置的負壓值時，在電接點真空表17上改變負壓值的上限和下限，由電接點真空表17控制真空泵開關27，增加或者降低試驗裝置內部的整體負壓值，從而達到改變試驗負壓的目的。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)裝置是由電接點真空表測量筒型基礎內的負壓，并結合設定值決定是否開啟真空泵，從而可以長時間內保證筒型基礎內部負壓的穩定。

(2)裝置通過控制真空泵的開關來穩定負壓，可以適當減小負壓儲存罐的體積，較小的負壓儲存罐也可以進行較大規模的筒型基礎負壓下沉試驗。

附圖說明

圖1是本發明試驗裝置的正視圖；

圖2是本發明試驗裝置的后視圖；

圖3是本發明的真空泵控制箱內部結構示意圖；

其中，1、真空泵；2、連接管路Ⅰ；3、負壓儲存罐入口調節閥；4、負壓儲存罐罐蓋；5、連接螺栓；6、負壓儲存罐罐體；7、負壓儲存罐真空表；8、負壓儲存罐出口調節閥；9、連接管路Ⅱ；10、標準真空表入口調節閥；11、標準真空表；12、標準真空表出口調節閥；13、連接管路Ⅲ；14、控制面板總閥門；15、連接管路Ⅳ；16、電接點真空表入口調節閥；17、電接點真空表；18、電接點真空表出口調節閥；19、連接管路Ⅴ；20、真空管入口調節閥；21、真空管；22、排水閥；23、真空管出口調節閥；24、控制面板；25、真空泵控制箱；26、電源指示燈；27、真空泵開關；28、連接電路Ⅰ；29、連接電路Ⅱ；30、連接電路Ⅲ；31、空氣開關；32、連接電路Ⅳ；33、繼電器；34、連接電路Ⅴ；35、接線端子。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。

一種控制筒型基礎下沉負壓的試驗裝置，包括真空泵1；由負壓儲存罐罐蓋4、連接螺栓5、負壓儲存罐罐體6、負壓儲存罐真空表7、負壓儲存罐入口調節閥3和負壓儲存罐出口調節閥8組成的負壓儲存罐；由標準真空表11、標準真空表入口調節閥10、標準真空表出口調節閥12、控制面板總閥門14、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表17、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20、真空管21、排水閥22、真空管出口調節閥23、控制面板24、真空泵控制箱25、電源指示燈26、真空泵開關27、空氣開關31、繼電器33和接線端子35組成的控制系統。系統的連接結構是：真空泵1分別通過連接管路Ⅰ2和連接電路Ⅱ29與負壓儲存罐和控制系統的真空泵控制箱25相連，連接管路Ⅰ2靠近負壓儲存罐罐蓋的一端設有負壓儲存罐入口調節閥3，負壓儲存罐罐蓋4上設有負壓儲存罐真空表7，負壓儲存罐罐蓋4與負壓儲存罐罐體6通過兩端的連接螺栓5活動連接，負壓儲存罐通過連接管路Ⅱ9與控制系統的標準真空表11相連，連接管路Ⅱ9靠近負壓儲存罐一端設有負壓儲存罐出口調節閥8，靠近標準真空表11的一端設有標準真空表入口調節閥10，標準真空表11通過連接管路Ⅲ13與控制面板總閥門14連接，連接管路Ⅲ13在靠近標準真空表11的一端設有真空表出口調節閥12，控制面板總閥門14通過連接管路Ⅳ15與電接點真空表17相連，連接管路Ⅳ15在靠近電接點真空表17的一端設有電接點真空表入口調節閥16，電接點真空表17通過連接管路Ⅴ19與真空管21相連，連接管路Ⅴ19在靠近電接點真空表17一端設有電接點真空表出口調節閥18，在靠近真空管21一端設有真空管入口調節閥20，真空管21通過真空管出口調節閥23與外接管路相連，真空管21下方設有排水閥22，電接點真空表17通過連接電路Ⅰ28與真空泵控制箱25相連，真空泵控制箱25上設有電源指示燈26和真空泵開關27，在真空泵控制箱25內，外接電源通過連接電路Ⅲ30與空氣開關31相連接，空氣開關31通過連接電路Ⅳ32與繼電器33相連，繼電器33通過連接電路Ⅱ29與真空泵1相連接，電接點真空表17通過連接電路Ⅰ28與接線端子35相連接，接線端子35通過連接電路Ⅴ34與繼電器33相連接，電接點真空表17通過控制繼電器33來啟動或者停止真空泵1。

上述的真空泵為旋片真空泵，轉速為1400轉/分，抽速為4升/秒，額定功率為0.55kW，極限真空達到6×10^-2Pa。

上述的負壓儲存罐罐蓋為殼體結構，直徑為35cm，高度為4cm；負壓儲存罐管體6為圓筒結構，直徑為35cm，高度為34cm。

上述的連接管路Ⅰ2、連接管路Ⅱ9、連接管路Ⅲ13、連接管路Ⅳ15、連接管路Ⅴ19均為管徑6mm的塑料硬管。

上述的負壓儲存罐入口調節閥3、負壓儲存罐出口調節閥8、真空表入口調節閥10、真空表出口調節閥12、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20、真空管出口調節閥23和排水閥22均為球閥。

上述的電接點真空表額定電壓為220V，觸頭功率為10W，量程范圍為-0.1MPa。標準真空表的量程范圍為760mm水銀柱。

本發明的使用方法如下：

(1)首先將整體管路連接完畢，試驗用筒型基礎模型與真空管出口調節閥23相連接，在電接點真空表上設定負壓值的上限與下限，并打開負壓儲存罐入口調節閥3、標準真空表入口調節閥10、標準真空表出口調節閥12、電接點真空表入口調節閥16、電接點真空表出口調節閥18、真空管入口調節閥20和真空管出口調節閥23，關閉負壓儲存罐出口調節閥8和排水閥22。

(2)打開真空泵開關27，真空泵工作，負壓儲存罐內的真空度逐漸增加，通過負壓儲存罐真空表7觀察負壓儲存罐內的真空度，當負壓儲存罐內的真空度略大于試驗要求負壓的下限值后，打開負壓儲存罐出口調節閥8。

(3)此時試驗裝置內的負壓值應略大于電接點真空表17上設定負壓值的下限，真空泵1依然處于開啟狀態，隨著試驗的進行，負壓值逐漸提高，當負壓值高于設定值的上限后，電接點真空表17將通過連接電路關閉真空泵開關27，真空泵1停止工作，隨著筒型基礎下沉量的增加和時間的增長，試驗裝置內部的負壓值將會緩慢降低；當負壓值低于設定值的下限后，電接點真空表17將通過連接電路開啟真空泵開關27，真空泵1開始工作，提高試驗裝置內部的真空度，以此往復循環達到自動穩定試驗裝置內部負壓的目的。

在試驗過程中發現負壓設定值不滿足試驗條件，需要增加或者降低試驗裝置的負壓值時，在電接點真空表17上改變負壓值的上限和下限，由電接點真空表17控制真空泵開關27，增加或者降低試驗裝置內部的整體負壓值，從而達到改變試驗負壓的目的。

本發明的真空泵通過連接管路與負壓儲存罐相連接，負壓儲存罐擴大了整體裝置的體積，使負壓相對穩定，不會在短時間內產生明顯變化。負壓儲存罐通過連接管路與控制面板進行連接，控制面板內的電接點真空表可以實施測量連接管路內的負壓值，當負壓值低于設定值后，電接點真空表將通過連接電路開啟真空泵開關，真空泵開始工作，提高試驗裝置內部的真空度；當負壓值高于設定值后，真空泵停止工作，隨著筒型基礎下沉量的增加和時間的增長，試驗裝置內部的真空度將會緩慢降低，以此往復循環達到試驗裝置內部負壓的自動控制。

以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。