CN107179276A - 实时量测侧向荷载下螺旋锚所受荷载位移的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种实时量测侧向荷载下螺旋锚所受荷载位移的模型试验装置，包括透明模型箱体及支架，模型箱体内设螺旋锚；支架上设高度可调节的升降器，升降器径向设置供蜗杆穿过的孔，蜗杆在蜗轮的作用下可左右移动，蜗轮连接驱动装置；蜗杆一端设拉力传感器，拉力传感器通过绳索与螺旋锚顶端连接，蜗杆另一端设位移传感器；位移传感器、拉力传感器与测试分析系统连接；模型试验装置还包括PIV测试系统。与现有技术相比，本发明提供的模型试验装置可实时量测螺旋锚抗拉破坏时对应的承载力、位移以及板周土体变形。

Description

实时量测侧向荷载下螺旋锚所受荷载位移的模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程土工模型试验装置，特别是一种可研究螺旋锚在侧向作用力下所受荷载及位移变化规律的模型试验装置，应用于岩土工程的土工试验。

背景技术

螺旋锚由于其经济实用被广泛的应用到输电线塔，挡土墙以及海洋悬浮平台，特别是对于海洋悬浮平台必须采用能够提供抗倾力的锚固基础，以抵御风浪作用对悬浮式结构造成的影响，螺旋锚由于兼具定位准确、施工时间短、对环境破坏小及经济性好等优点，成为一种新的系泊深海浮式结构的基础形式，目前已引起国内外海洋工程界的关注。目前多数学者对螺旋锚垂直上拔破坏进行了广泛的研究，但是现实工程实践中螺旋锚主要承受风以及波浪等侧向荷载，目前对螺旋锚侧向荷载研究鲜有报道。

对螺旋锚板周土体变形测量技术通常分为两类：一类是埋设位移传感器的接触式测量技术；另一类是采用光学技术实现整个研究区域变形场的非接触式测量技术。传统机械接触式测量技术一般使用电阻应变片作为传感器，测点有限，难以获取整个位移场的数据。数字图像相关测量技术是通过CCD相机采集图像，根据图像变形前后的相关性来确定位移和变形的非接触式全场光学测量技术。数字图像技术变形量测方法一般采用标点法。标点法是在试验模型观测表面布置标志点或者在模型表面绘制规则网格，将网格节点作为量测点，通过计算质心坐标来测量位移。标点法尤其是嵌入式标点法，对模型肯定存在影响，特别是对小尺寸模型影响很大，同时由于标点法在整个应用中受测点数有限影响，其测量结果准确性有待提高。

发明内容

本发明的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种无干扰可实时量测螺旋锚在侧向作用力下所受荷载及位移的模型试验装置。在实现螺旋锚在侧向荷载作用下发生抗拉破坏时、可精确地量测不同侧向位移下对应的承载力、位移以及板周土体位移场变化。

本发明的目的是以下述技术方案实现的：

一种实时量测侧向荷载下螺旋锚所受荷载位移的模型试验装置，包括透明模型箱体及支架，模型箱体内设螺旋锚；支架上设高度可调节的升降器，升降器径向设置供蜗杆穿过的孔，蜗杆在蜗轮的作用下可左右移动，蜗轮连接驱动装置；蜗杆一端设拉力传感器，拉力传感器通过绳索与螺旋锚顶端连接，蜗杆另一端设位移传感器；位移传感器、拉力传感器与测试分析系统连接；模型试验装置还包括PIV测试系统。

所述螺旋锚包括锚片与螺旋锚杆，锚片与螺旋锚杆的设置为单节单锚、单节群锚、多节单锚或多节群锚。

升降器高度调节机构为丝杠螺母式，进一步，升降器连接丝杠，丝杠上设置与支架固定连接的螺母。

所述蜗杆另一端设位移传感器挡板，支架上设与位移传感器连接的微调磁力表座。

所述蜗轮通过转动轴与手轮或电机连接，电机与控制器连接。

所述PIV测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由泛光灯光源、CCD高速相机、图像采集及后处理设备组成，软件系统采用德国LaVision公司DaVis8.0系列软件及PIVview2C软件。

所述螺旋锚杆上部设空心凹槽，绳索穿过凹槽然后通过螺母扣与拉力传感器连接。

如上所述的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1） 安装模型箱、支架、升降器、蜗轮蜗杆系统；

（2） 填砂，埋置螺旋锚至预定深度；

（3） 通过调节升降器的高度调整蜗杆的位置，使其与螺旋锚顶端处于同一水平位置；

（4） 安装绳索、拉力传感器、位移传感器、测试分析系统及PIV测试系统；

（5） 通过驱动蜗轮，使蜗杆向右运动，对螺旋锚施加侧向作用力，通过拉力传感器、位移传感器及PIV测试系统，可实时量测螺旋锚抗拉破坏过程中承载力以及位移，直到预定的目标位移结束试验；

（6） 重复上述步骤1～5的试验过程，不同的是上述步骤2土体的密实度Dr、螺旋锚埋置深度H不同。

步骤（2）中采用砂雨法填砂。

与现有技术相比，本发明提供的模型试验装置可实时量测螺旋锚抗拉破坏时对应的承载力、位移以及板周土体变形，具体优点如下：

1. 本发明试验装置可以很好地模拟螺旋锚在侧向荷载下抗拉破坏过程，并且能很好地模拟在不同砂土密实度、螺旋锚埋深、锚板和锚片数量等工况下的受力以及位移状态。

2. 本发明试验装置安装了高精度的拉力传感器、位移传感器以及数据采集系统，能实时精确地量测螺旋锚抗拉破坏过程所受位移和荷载的变化情况。

3.本发明试验装置采用无标点图像分析法，无需在模型表面设置标识点，而是通过标准砂固有的自然纹理特征，然后利用图像相关分析，在图像序列间追踪匹配网格坐标，从而实现位移场的测量，具有更高的测量精度。

4.本发明试验装置在模型箱正前方设置高精度的摄像机，实现了无干扰式测量，同时利用PIV技术可以实时量测螺旋锚抗拉破坏全过程中板周土体位移图像，实现了力、位移和图像相结合的分析手段。

5. 本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，易于掌握。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是蜗轮蜗杆系统示意图；

图4是螺旋锚连接的结构示意图；

图5是PIV测试系统示意图；

图6是单节群锚的结构示意图；

图7是多节单锚结构示意图；

图8是多节群锚结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例提供的可实时量测螺旋锚在侧向作用力下所受荷载及位移的模型试验装置，如图1-4所示，包括螺旋锚模型箱系统、侧向荷载加载系统、力和位移采集系统和PIV测试系统。螺旋锚模型箱系统可以模拟不同工况下侧向荷载螺旋锚抗拉破坏；侧向荷载加载系统可以实现不同工况下螺旋锚侧向受力；力和位移采集系统可以实现实时采集螺旋锚侧向荷载下对应的承载力和位移；PIV测试系统可实时量测板周土体变形场的变化。

螺旋锚模型箱系统具体包括透明有机玻璃箱体2及支架1，箱体2内设试验土层，试验土层内设螺旋锚，螺旋锚包括锚片3及螺旋锚杆4。本实施例中玻璃箱尺寸为70cm（长）×50cm（宽）×70cm（高），箱的厚度为8mm，锚片3直径B为50mm，锚片圆孔直径为8mm。本实施例试验为有侧限条件的半模试验，因此锚片3设为半个，试验时锚片紧贴透明有机玻璃箱体2侧壁，中间不能留有缝隙。本实施例中锚片与螺旋锚杆设置为单节单锚。用以测量单节单锚下螺旋锚的受力状态，除了单节单锚，本发明提供的模型箱还可设置单节群锚、多节单锚，多节群锚。螺旋锚杆4长度为65cm，分为两部分，顶部为长5cm空心椭圆形凹槽钢管，下部为长60cm螺纹杆，直径为8mm，锚片3安装后通过螺丝与螺旋锚杆4固定。

侧向荷载加载系统包括设置在支架1上高度可调节的升降器11，本实施例中高度可调节为丝杠螺母式调节机构，具体结构为：升降器11连接丝杠8，丝杠上设置与支架固定连接的螺母7，通过转动丝杠8，带动升降器11上下移动，达到调节高度的目的；升降器11径向设置供蜗杆10穿过的孔；蜗杆10连接蜗轮12，蜗轮12连接驱动装置，蜗杆10在蜗轮12的作用下可左右移动，蜗杆10一端设拉力传感器16，拉力传感器16通过钢丝绳6与螺旋锚杆4顶端凹槽连接，由螺母扣5进行固定，蜗杆10另一端设位移传感器17。本实施例中，蜗杆10另一端还设位移传感器挡板18，支架1上设与位移传感器连接的万向微调磁力表座20，万向微调磁力表座20可方便灵活的调整位移传感器角度和位置，位移传感器挡板18在未施加荷载时与位移传感器相接触，此时位移为0，当有作用力时，位移传感器挡板18可直接顶向位移传感器17，位移传感器17可及时同步的获取准确数值。

蜗轮12的驱动装置可为电力或由人力驱动，本实施例中蜗轮通过转动轴13、联轴器、减速机、同步带与变速电机14连接，变速电机连接控制器，组成SDJ-1型三速电动应变控制剪切仪，剪切速度分别为：1.2、2.4、3.6(mm/min)，最大剪切力为10KN。蜗轮12还可通过转动轴与手轮连接，通过人力转动手轮形成剪切力。

位移传感器17、拉力传感器16与DH3821静态应变测试分析系统连接。位移传感器17的量程为0～10cm，精度为0.1mm；拉力传感器16的量程为0～100㎏，精度为0.05%，灵敏度为2.0mv/v。DH3821静态应变测试分析系统采样速率（连续采样）为2Hz/通道；适应应变计电阻值：半桥、全桥电阻范围：60Ω～20000Ω，任意设定；应变计灵敏度系数：1.0～3.0自动修正；满度值：±2000με；分辨率：1με；系统示值误差：不大于0.5％±3με。

模型试验装置还包括PIV测试系统22，如图5所示，PIV测试系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由泛光灯光源23、CCD高速相机24、图像采集及后处理设备25等组成，CCD高速相机对准模型箱螺旋锚。软件系统采用德国LaVision公司DaVis8.0系列软件及PIVview2C软件完成所采螺旋锚侧向抗拉破坏全过程土体位移图像的分析与展示工作。

交直流LED泛光灯的额定功率30W，它既方便、实用，又能满足实验室条件下对光源亮度和稳定性的要求。

CCD高速相机为德国LaVision开发，它采用SONY科研级芯片，分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了Camlink专用接口，满足了模型试验对测量精度的要求。

上述模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1） 安装模型箱、支架、升降器、蜗轮蜗杆系统；

（2） 先在模型箱底部摊铺5cm厚的砂土做垫层，一个实验人员手用力拿着锚片顶着玻璃箱侧壁使其紧贴，然后另外一个实验人员采用砂雨法分层均匀摊铺砂土（砂雨法：利用漏斗分层均匀摊铺砂土，控制砂土的摊铺厚度、摊铺时的速度以及摊铺时漏斗距底层的高度），对于松砂，填砂时控制一定的落高，并分层抹平，对于密实砂土，间隔3cm压实一次，埋置螺旋锚至预定深度；其中松砂和密砂的相对密实度D_r可分别为：24%～30%和69%～72%，同时螺旋锚的埋置深度H可为：50mm、100mm、150mm、200mm、250mm以及300mm（对应的埋深率H/B为1～6）；

（3） 通过调节升降器的高度调整蜗杆的位置，使其与螺旋锚杆顶端处于同一水平位置；

（4） 安装拉力传感器，钢丝绳、位移传感器、位移传感器挡板、万向微调磁力表座、应变测试分析系统；通过调整万向微调磁力表座的方向，使位移传感器与位移传感器挡板相接触；并进行拉力传感器和位移传感器的标定；

（5） 安装PIV测试系统，在箱体前面对称设置交直流LED泛光灯23，并使相机对准螺旋锚；然后进行PIV系统的标定工作；

（6） 通过设定剪切力，驱动蜗轮，使蜗杆向右运动，对螺旋锚施加侧向作用力，同时拉力传感器、位移传感器也向右运动，并将测得的拉力信息及位移信息传递至应变测试分析系统，应变测试分析系统可实时量测螺旋锚抗拉破坏过程中单节单锚承载力以及位移，直到预定的目标结束试验；

（7） 重复上述步骤1～6的试验过程，不同的是上述步骤2土体的密实度Dr、螺旋锚埋置深度H不同；通过设置不同砂土密实度、螺旋锚埋深下得到螺旋锚发生抗拉破坏时承载力、位移以及板周土体变形，可研究螺旋锚在侧向荷载作用下发生破坏时砂土密实度、埋深率对其承载力及板周土体变形的影响。

在本实施例中，蜗杆、拉力传感器、位移传感器向右平动、DH3821静态应变测试分析系统和PIV系统测量同时进行，可以很好地实时量测螺旋锚承载力、位移及其板周土体的变形。DH3821静态应变测试分析系统精度高，PIV系统测量拍照速度高、照片分辨率高等有点，实现了力、位移和图像的同步采集。在本实施例模型试验装置使用方法操作方便，易于掌握，适用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土体模型试验的测量。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图6所示，安装两个单节单锚，组成一个单节群锚，可改变两个单节锚板间距S：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm。可用来研究单节群锚发生抗拉破坏时锚板间距S对群锚承载力、位移及板周土体变形的影响。

实施例三

本实施例与前述实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图7所示，在同一锚杆上安装两个锚片，组成一个多节单锚，可改变两个锚片间距h：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，可用来研究多节单锚在抗拉破坏时锚片间距对其承载力位移及其板周土体变形场的影响规律。

实施例四

本实施例与前述实施例三基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图8所示，安装两组多节单锚，组成一个多节群锚，可改变群锚间距S：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，可用来研究多节群锚在抗拉破坏时群锚间距S对承载力、位移以及板周土体变形的影响。

本发明提供的采用PIV测试系统即数字图像关联技术与传统的模型试验装置相结合对单节单锚、单节群锚、多节单锚，多节群锚在不同砂土密实度以及锚板埋深率下对螺旋锚抗拉破坏过程中承载力及周围土体的变形场进行了量化分析，通过对螺旋锚抗拉破坏过程中力和位移关系曲线以及变形场的研究确定了板周土体破坏形状的控制因素，得出了螺旋锚抗拉破坏机理。因此，进行不同工况下螺旋锚抗拉破坏承载力以及变形场的研究对岩土工程具有重要意义。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明可实时量测螺旋锚在侧向作用力下所受荷载及位移的模型试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实时量测侧向荷载下螺旋锚所受荷载位移的模型试验装置，其特征在于：包括透明模型箱体及支架，模型箱体内设螺旋锚；支架上设高度可调节的升降器，升降器径向设置供蜗杆穿过的孔，蜗杆在蜗轮的作用下可左右移动，蜗轮连接驱动装置；蜗杆一端设拉力传感器，拉力传感器通过绳索与螺旋锚顶端连接，蜗杆另一端设位移传感器；位移传感器、拉力传感器与测试分析系统连接；模型试验装置还包括PIV测试系统。

2.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述螺旋锚包括锚片与螺旋锚杆，锚片与螺旋锚杆的设置为单节单锚、单节群锚、多节单锚或多节群锚。

3.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于升降器高度调节机构为丝杠螺母式。

4.如权利要求3所述的模型试验装置，其特征在于升降器连接丝杠，丝杠上设置与支架固定连接的螺母。

5.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述蜗杆另一端设位移传感器挡板，支架上设与位移传感器连接的微调磁力表座。

6.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述蜗轮通过转动轴与手轮或电机连接，电机与控制器连接。

7.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述PIV测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由泛光灯光源、高速相机、图像采集及后处理设备组成。

8.如权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于所述螺旋锚杆上部设空心凹槽，绳索穿过凹槽然后通过螺母扣与拉力传感器连接。

9.如权利要求1-8任一项所述的模型试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

安装模型箱、支架、升降器、蜗轮蜗杆系统；

填砂，埋置螺旋锚至预定深度；

通过调节升降器的高度调整蜗杆的位置，使其与螺旋锚顶端处于同一水平位置；

安装绳索、拉力传感器、位移传感器、测试分析系统及PIV测试系统；

通过驱动蜗轮，使蜗杆向右运动，对螺旋锚施加侧向作用力，通过拉力传感器、位移传感器及PIV测试系统，可实时量测螺旋锚抗拉破坏过程中承载力以及位移，直到预定的目标位移结束试验；

重复上述步骤1～5的试验过程，不同的是上述步骤2土体的密实度Dr、螺旋锚埋置深度H不同。

10.如权利要求9所述的模型试验装置的试验方法，其特征在于步骤（2）中采用砂雨法填砂。