CN105696637B - 可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法，其装置包括试验铁箱和加载架，均内设于试验铁箱的桶形基础、风机塔架、质量块、低频电磁激振器和激振器固定架，以及数据采集系统；试验铁箱内填有试验土和试验水，桶形基础为底面开口并贯入试验土中的中空桶体、顶盖通过垂直相连于顶盖的风机塔架与质量块相连；低频电磁激振器安装于悬挂在加载架的激振器固定架、并分布于风机塔架的侧边；数据采集系统包括依次相连的动态采集仪和计算机，均与动态采集仪相连的各种传感器。有益效果：通过加载试验及数据采集和对比分析，可获得桶形基础在冲刷影响下或在泥沙输运与冲刷共同影响下的侧向动阻抗的变化规律。

Description

可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种试验测量装置及方法，特别是涉及一种可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法，属于试验测量技术领域。

背景技术

海上风机基础在侧向动荷载作用下的侧向动阻抗的定义为：作用在桶基顶部的侧向动荷载（水平力和弯矩）与桶基的侧向位移（水平位移和转角）的比值，其值为复数，实部表示动刚度，虚部表示动阻尼。桶基侧向动阻抗的值对海上风机的自振频率有着至关重要的影响，但目前的研究却极不成熟，目前一般仍采用由细长桩基静力极限承载力试验得到的p-y曲线进行近似计算，这样得到的结果仍是不精确的。

荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究团队进行现场测试，并于2014 年指出“在过去的几年，通过对已安装的海上风机的现场测试发现，实测的风机自振频率普遍要远远高于按现有p-y 曲线模型计算出来的设计值”，这说明按现有模型计算出的风机基础侧向初始动刚度偏小。

为了解决这个矛盾，荷兰的研究团队认为应该精确地考虑桶基和土体的动力相互作用过程，并已开始着手研究小应变下风机基础的侧向初始动阻抗。这个矛盾现象一方面说明现在海上风机设计时采用了远小于真实情况的基础阻抗值，整体偏于保守，保守的设计会增加海上风电的成本；另一方面，实测值与设计值的普遍偏差也会导致影响风机正常运行的安全隐患。因此，无论是从经济还是安全的角度来看，都急需更符合真实情况的考虑海水、海床与大直径薄壁桶基动力相互作用的理论，以便得出更精确的侧向动阻抗值。

桶形基础长期处在复杂的海洋环境下，遭受波浪、潮流、风等荷载的作用，这些因素的叠加往往导致桶形基础结构周围流场十分复杂，致使床面局部剪切力增强，引起基础周围床面的冲刷，而局部冲刷减小了桶形基础入土深度，不但降低了基础的承载力，还使结构的自身频率发生改变，对风电结构的动力响应特性和稳定性造成极为不利的影响。因此考虑冲刷、泥沙输运对桶基侧向动阻抗带来的影响尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法，特别适用于海上风机大直径薄壁桶基的侧向动阻抗试验研究。

本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，可模拟桶形基础所处的复杂环境，并精确获得桶基侧向动阻抗与环境因素之间的相互作用，极具有产业上的利用价值。

本发明所要解决的另一技术问题是提供模拟环境可变、响应快速、测量精确、测量结果有效的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，通过加载试验及数据采集和对比分析，可获得桶形基础在冲刷影响下或在泥沙输运与冲刷共同影响下的侧向动阻抗的变化规律。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，包括顶面开口中空的试验铁箱，盖于试验铁箱顶面的加载架，均内设于试验铁箱的桶形基础、风机塔架、质量块、低频电磁激振器和激振器固定架，以及数据采集系统。

其中，所述试验铁箱内填有用于模拟海床的试验土和用于模拟海水的试验水，所述桶形基础为底面开口的中空桶体，桶形基础的顶盖通过垂直相连于顶盖的风机塔架与质量块相连；所述桶形基础的开口底面朝向位于试验铁箱正中央的试验土并贯入试验土中，直至试验土填充满桶形基础的中空容腔；所述低频电磁激振器安装于激振器固定架、并分布于风机塔架的侧边，所述激振器固定架悬挂于加载架。

而且，所述数据采集系统包括依次相连的动态采集仪和计算机，均与动态采集仪相连的力传感器、加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、激光位移传感器和应变片；所述力传感器设置在低频电磁激振器和风机塔架之间，用于测量低频激振器对风机塔架所施加的激振力大小；所述加速度传感器设置在质量块的顶端，用于测量桶形基础在荷载施加过程中加速度大小；所述土压力传感器设置在桶形基础顶盖底面与试验土的接触面上，用于测量桶形基础周围试验土的动力响应；所述孔隙水压力传感器设置在桶形基础的中空内腔中轴线上和桶壁内外两侧、以及靠近桶壁的试验土中，用于测量孔隙水压力的累积和消散情况；所述激光位移传感器设置在桶形基础的顶盖顶面上并分布于顶盖中轴线两侧，用于测量桶形基础的位移；所述应变片设置在桶形基础的中心轴面上的桶壁内外两侧，用于测量桶形基础的桶壁应变。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述试验铁箱的箱壁内侧面和箱底内底面均设置有阻尼涂料层。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述试验铁箱的箱内设置有排水管，所述排水管靠近箱底内底面布设、并伸出试验铁箱的箱壁。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述试验铁箱通过钢板焊接而成，并做防锈处理。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述试验铁箱的箱壁外侧面沿着轴向长度方向设置有角钢肋条。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述桶形基础通过重力方式或抽真空形成负压方式贯入试验土中。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述激振器固定架包括依次相连的L形钢板和钢板固定架，所述低频电磁激振器安装于L形钢板上，所述钢板固定架悬挂于加载架。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述加载架为倒U型，包括横梁和分别垂直于横梁两端的竖梁；所述竖梁设置有钢板加劲肋。

本发明的试验测量装置进一步设置为：所述风机塔架通过法兰连接盘与桶形基础相连，所述风机塔架和质量块通过定位螺丝固定相连。

本发明还提供可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，包括以下步骤：

1）在试验铁箱中桶形基础的顶盖周围模拟出冲刷坑，静置等待，直至引起的试验土扰动消失；

2）启动低频电磁激振器对桶形基础进行不同频率、不同幅值的水平荷载加载，通过土压力传感器、孔隙水压力传感器和应变片计算得桶形基础与试验土的作用力，通过激光位移传感器计算得桶形基础的位移，最后计算得桶形基础的动刚度；

3）在质量块上施加一个侧向的初始位移或初始加速度，让桶形基础自由振动，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算得桶形基础的动阻尼；

4）通过土压力传感器和孔隙水压力传感器的数据采集，研究土压力和孔隙水压力对桶形基础侧向动阻抗的影响；

5）通过在桶形基础的顶盖周围模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在冲刷影响下侧向动阻抗的变化规律；

6）通过在冲刷坑内加入不同密实度的试验土，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在泥沙输运与冲刷共同影响下侧向动阻抗的变化规律。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过本试验测量装置及试验方法，可以研究影响桶基动阻抗特性的因素，进而深入揭示桶基与海水、海床动力相互作用的机理。通过模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑并进行对比分析，可分析在冲刷影响下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律；在冲刷坑内加入不同密实度的砂土，可分析在泥沙输运与冲刷共同作用下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的未经冲刷结构示意图；

图2为本发明可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的冲刷状态结构示意图；

图3为图2的冲刷坑的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，包括顶面开口中空的试验铁箱1，盖于试验铁箱1顶面的加载架2，均内设于试验铁箱1的桶形基础3、风机塔架4、质量块5、低频电磁激振器6和激振器固定架7，以及数据采集系统8。

所述试验铁箱1通过钢板焊接而成并做防锈处理，内填有用于模拟海床的试验土11和用于模拟海水的试验水12，试验土可选为砂土。如图1所示，试验铁箱1的箱壁内侧面和箱底内底面均设置有阻尼涂料层13；为了增加强度，试验铁箱1的箱壁外侧面沿着轴向长度方向设置有角钢肋条14。

所述试验铁箱1的箱内还设置有排水管15，所述排水管15靠近箱底内底面布设、并伸出试验铁箱1的箱壁。具体铺设过程可为：在试验铁箱1底部布置好排水管15，在排水管15上间隔设定距离打上排水孔，周围垫上砾石，砾石顶部铺上一层土工织布，防止砂土类试验土从排水管15流失；然后在土工织布上方分层填入砂土。

所述桶形基础3为底面开口的中空桶体，桶形基础3的顶盖通过垂直相连于顶盖的风机塔架4与质量块5相连；所述风机塔架4通过法兰连接盘41与桶形基础3相连，所述风机塔架4和质量块5通过定位螺丝固定相连。

所述桶形基础3的开口底面朝向位于试验铁箱1正中央的试验土11、并通过重力方式或抽真空形成负压方式贯入试验土11中，直至试验土11填充满桶形基础3的中空容腔。

所述低频电磁激振器6安装于激振器固定架7、并分布于风机塔架4的侧边，所述激振器固定架7包括依次相连的L形钢板71和钢板固定架72，所述低频电磁激振器6安装于L形钢板71上，所述钢板固定架72悬挂于加载架2。所述加载架2为倒U型，包括横梁21和分别垂直于横梁21两端的竖梁22；所述竖梁22设置有钢板加劲肋23。

所述数据采集系统8包括依次相连的动态采集仪81和计算机82，均与动态采集仪81相连的力传感器83、加速度传感器84、土压力传感器85、孔隙水压力传感器86、激光位移传感器87和应变片88；所述力传感器83设置在低频电磁激振器6和风机塔架4之间，用于测量低频激振器6对风机塔架4所施加的激振力大小；所述加速度传感器84设置在质量块5的顶端，用于测量桶形基础3在荷载施加过程中加速度大小；所述土压力传感器85设置在桶形基础3顶盖底面与试验土11的接触面上，用于测量桶形基础3周围试验土11的动力响应；所述孔隙水压力传感器86设置在桶形基础3的中空内腔中轴线上和桶壁内外两侧、以及靠近桶壁的试验土11中，用于测量孔隙水压力的累积和消散情况；所述激光位移传感器87设置在桶形基础3的顶盖顶面上并分布于顶盖中轴线两侧，用于测量桶形基础3的位移；所述应变片88设置在桶形基础3的中心轴面上的桶壁内外两侧，用于测量桶形基础3的桶壁应变。

应用本发明提供的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置进行桶基侧向动阻抗试验测量，其试验方法，包括以下步骤：

1）在试验铁箱1中桶形基础3的顶盖周围模拟出冲刷坑30（如图2所示），静置等待，直至引起的试验土11扰动消失；

2）启动低频电磁激振器6对桶形基础3进行不同频率、不同幅值的水平荷载加载，通过土压力传感器85、孔隙水压力传感器86和应变片88计算得桶形基础3与试验土11的作用力，通过激光位移传感器87计算得桶形基础3的位移，最后计算得桶形基础3的动刚度；

3）在质量块5上施加一个侧向的初始位移或初始加速度，让桶形基础3自由振动，通过加速度传感器84测得自由振动的衰减曲线，计算得桶形基础3的动阻尼；

4）通过土压力传感器85和孔隙水压力传感器86的数据采集，研究土压力和孔隙水压力对桶形基础侧向动阻抗的影响；

5）通过在桶形基础3的顶盖周围模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑30（如图3所示），进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础3在冲刷影响下侧向动阻抗的变化规律；

6）通过在冲刷坑30内加入不同密实度的试验土11，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础3在泥沙输运与冲刷共同影响下侧向动阻抗的变化规律。

本发明提供的试验铁箱1可制成长×宽×高的尺寸为2m×2m×1.5m，试验土11可选粒径取为0.08mm~0.2mm的砂土。

本发明提供的试验测量装置不仅可进行不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑下桶基侧向动阻抗测量，从而分析冲刷作用下的桶基侧向动阻抗变化规律；而且在冲刷坑中加入不同密实度的砂土，可分析泥沙输运与冲刷共同作用下的桶基动阻抗变化规律。

更是能分别进行桶形基础、桶壁和圆盘基础的侧向动阻抗试验，对比桶形基础不同部分的侧向动阻抗，可以得到桶形基础不同部分提供动阻抗的比例，研究桶形基础提供动阻抗的机理。例如能进行不同尺寸的桶形基础动阻抗试验。将直径为6m，高为12m的桶基进行缩尺，桶基长径比均为2.0，壁厚直径比定为0.005，3个桶基比尺分别为1:60、1:20和1:12，其直径分别为0.1m、0.3m和0.5m，桶基材料均为钢材，从而研究比尺效应对桶形基础侧向动阻抗的影响。

进行可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，即可考虑冲刷作用的海上风机薄壁桶基侧向动阻抗测量，其可以分为两大类试验，分别为侧向动刚度试验和侧向动阻尼试验。

其中，侧向动刚度试验按下列步骤进行：

（1）在试验铁箱底部布置好排水管后进行分层填入砂土，砂土回填到一定高度后，在相应的位置安置好对应的传感器，直至砂土回填到试验所需高度。从排水管往试验箱内加水至水面淹没砂土，待砂土饱和后，将水从排水管排出，至砂土表面无水，待砂土完全排水固结。

（2）砂土完全固结后，在桶形基础顶盖处相应位置固定好传感器，通过重力或抽真空形成负压等方式将直径0.3m的桶形基础安装至指定位置，待土体完成超静孔压消散。

（3）在桶形基础周围模拟出一定形态、大小、深度的冲刷坑，静置一段时间，待引起的土体扰动消失。

（4）将低频电磁激振器放置在L形钢板上上，调整钢板固定架位置，使低频电磁激振器和质量块在同一水平线上，并在低频电磁激振器和质量块之间固定好力传感器。

（5）在试验前同时检查数据采集系统是否正常；然后通过低频电磁激振器在质量块一侧施加侧向循环激振力，一定时间后，待桶基响应稳定后记录桶形基础及周围土体的响应，包括激振力及加速度响应、桶身应变、土体应力、孔压等数据采集；记录完成后，改变简谐荷载的频率，进行多次类似试验，并记录数据。

（6）上述无海水情况下桶基侧向动刚度试验完成以后，桶形基础不用拔出，在试验铁箱中加水至一定深度，以模拟海洋环境，静置一段时间后，重复无海水情况下桶基动刚度测试试验方法，以获得有海水情况下桶基侧向动刚度测试值。

（7）将水从排水管排出，多次改变冲刷坑的形态、大小、深度，静置一段时间，重复步骤 （5） 至步骤（6）步所述加载试验，并记录数据。

（8）上述冲刷坑试验对比结束后，将水从排水管排出，在冲刷坑内加入不同密实度的砂土，分别重复步骤 （5）至步骤（6）步所述加载试验，并记录数据。

（9）将桶形基础上拔，使桶形基础顶盖离开海床，固结一段时间待上拔引起的土体扰动恢复及超孔压消散后，进行步骤（5）所述加载试验，测得桶形基础桶壁的侧向动刚度。

（10）将桶形基础完全拔出后，安装直径为0.3m的刚性圆盘基础在指定位置，固结一定时间后，对圆盘基础施加侧向的简谐激振荷载，待圆盘基础响应稳定后，记录圆盘基础的响应，测得圆盘基础的侧向动刚度。

（11）移除圆盘基础，安装直径为0.1m的桶形基础，静置一段时间后，重复步骤（5）所述的加载试验，测得0.1m桶形基础的侧向动刚度及土体动力响应。

（12）移出直径为0.1m的桶形基础，安装直径为0.5m的桶形基础，固结一定时间后，重复步骤（5）所述的加载试验，测得0.5m桶形基础的动刚度及土体动力响应。

至此动刚度试验结束。在侧向动刚度试验结束后，将试验步骤（5）与步骤（6）测量结果进行对比，可分析海水对桶基侧向动刚度的影响机理；将试验步骤（5）、（6）与步骤（7）测量结果进行对比，可分析不同冲刷影响下桶基侧向动刚度的变化规律；将试验步骤（7）与步骤（8）测量结果进行对比，可分析泥沙输运影响下桶基侧向动刚度的变化规律；将步骤（9）、（10）与步骤（6）测量结果进行对比，可分析桶基不同部分提供初始刚度的机理；将试验步骤（6）、（11）与步骤（12）得出的测量结果进行无量纲化，进行对比，可分析尺寸效应对无量纲动刚度的影响。

其中，侧向动阻尼试验按下列步骤进行：在桶形基础上部水平侧施加一个初始位移或加速度，让桶形基础自由振动，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算得桶形基础的阻尼。

本发明的创新点在于，通过本试验测量装置及试验方法，可以研究影响桶基动阻抗特性的因素，进而深入揭示桶基与海水、海床动力相互作用的机理。通过模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑并进行对比分析，可分析在冲刷影响下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律；在冲刷坑内加入不同密实度的砂土，可分析在泥沙输运与冲刷共同作用下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：包括顶面开口中空的试验铁箱，盖于试验铁箱顶面的加载架，均内设于试验铁箱的桶形基础、风机塔架、质量块、低频电磁激振器和激振器固定架，以及数据采集系统；

所述试验铁箱内填有用于模拟海床的试验土和用于模拟海水的试验水，所述桶形基础为底面开口的中空桶体，桶形基础的顶盖通过垂直相连于顶盖的风机塔架与质量块相连；所述桶形基础的开口底面朝向位于试验铁箱正中央的试验土并贯入试验土中，直至试验土填充满桶形基础的中空容腔；

所述低频电磁激振器安装于激振器固定架、并分布于风机塔架的侧边，所述激振器固定架悬挂于加载架；

所述数据采集系统包括依次相连的动态采集仪和计算机，均与动态采集仪相连的力传感器、加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、激光位移传感器和应变片；

所述力传感器设置在低频电磁激振器和风机塔架之间，用于测量低频激振器对风机塔架所施加的激振力大小；所述加速度传感器设置在质量块的顶端，用于测量桶形基础在荷载施加过程中加速度大小；所述土压力传感器设置在桶形基础顶盖底面与试验土的接触面上，用于测量桶形基础周围试验土的动力响应；所述孔隙水压力传感器设置在桶形基础的中空内腔中轴线上和桶壁内外两侧、以及靠近桶壁的试验土中，用于测量孔隙水压力的累积和消散情况；所述激光位移传感器设置在桶形基础的顶盖顶面上并分布于顶盖中轴线两侧，用于测量桶形基础的位移；所述应变片设置在桶形基础的中心轴面上的桶壁内外两侧，用于测量桶形基础的桶壁应变；

所述试验铁箱的箱壁内侧面和箱底内底面均设置有阻尼涂料层。

2.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述试验铁箱的箱内设置有排水管，所述排水管靠近箱底内底面布设、并伸出试验铁箱的箱壁。

3.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述试验铁箱通过钢板焊接而成，并做防锈处理。

4.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述试验铁箱的箱壁外侧面沿着轴向长度方向设置有角钢肋条。

5.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述桶形基础通过重力方式或抽真空形成负压方式贯入试验土中。

6.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述激振器固定架包括依次相连的L形钢板和钢板固定架，所述低频电磁激振器安装于L形钢板上，所述钢板固定架悬挂于加载架。

7.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述加载架为倒U型，包括横梁和分别垂直于横梁两端的竖梁；所述竖梁设置有钢板加劲肋。

8.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，其特征在于：所述风机塔架通过法兰连接盘与桶形基础相连，所述风机塔架和质量块通过定位螺丝固定相连。

9.根据权利要求1所述的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在试验铁箱中桶形基础的顶盖周围模拟出冲刷坑，静置等待，直至引起的试验土扰动消失；

2）启动低频电磁激振器对桶形基础进行不同频率、不同幅值的水平荷载加载，通过土压力传感器、孔隙水压力传感器和应变片计算得桶形基础与试验土的作用力，通过激光位移传感器计算得桶形基础的位移，最后计算得桶形基础的动刚度；

3）在质量块上施加一个侧向的初始位移或初始加速度，让桶形基础自由振动，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算得桶形基础的动阻尼；

4）通过土压力传感器和孔隙水压力传感器的数据采集，研究土压力和孔隙水压力对桶形基础侧向动阻抗的影响；

5）通过在桶形基础的顶盖周围模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在冲刷影响下侧向动阻抗的变化规律；

6）通过在冲刷坑内加入不同密实度的试验土，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在泥沙输运与冲刷共同影响下侧向动阻抗的变化规律。