CN107966267A - 一种模拟海床软弱土在台风浪和浅埋高压气联合作用下灾变全过程的装置 - Google Patents

一种模拟海床软弱土在台风浪和浅埋高压气联合作用下灾变全过程的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置，能够再现海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下弱化、气力突涌灾变全过程。该装置主要包括外模型箱、土模型箱、带孔隔板、微型千斤顶、气压舱、气压伺服机、一根轴杆、力矩电机、滑动导轨、叶轮；该发明为揭示我国台风浪突发、广泛分布含高压生物气海床的三大海域(黄海、东海、南海)的海床失稳、灾变机制提供关键的物理模拟手段。

Description

一种模拟海床软弱土在台风浪和浅埋高压气联合作用下灾变 全过程的装置
技术领域
本发明公开了一种用于海洋工程地质灾害试验模拟，能够再现海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压含气顶推联合作用下弱化、气力突涌灾变全过程的装置。
背景技术
我国三大海域(黄海、东海、南海)台风频发，台风浪巨大(可高达15m)，波浪传播过程中在海床表面产生的波压力不断剪切海床，导致海床软弱土弱化；同时，软弱土海床往往下覆有高压气层，对海床有向上顶推作用，进一步剪切海床；在海床上表面台风浪及海床浅埋高压气顶推联合作用下，高压气会击穿弱化后的海床，导致海床地基失稳，海洋结构物(如油气平台、海上风机)倒塌。
上述灾变过程在现场很难被记录，模型试验成为了再现上述灾变过程的最有效手段之一。然而目前的模型试验只能模拟造波，无法实现台风浪和高压气顶推的海床软弱土的联合作用。基于此，本发明提出一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置。
发明内容
本发明的目的是填补现有技术的空缺，提供一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置，包括外模型箱、土模型箱、带孔隔板、微型千斤顶、气压舱、气压伺服机、一根轴杆、力矩电机、滑动导轨、叶轮；所述土模型箱的底面由高分子土工织物构成；所述气压舱和土模型箱均安装在外模型箱内，且气压舱位于土模型箱正下方；带孔隔板位于气压舱和土模型箱之间，一端与微型千斤顶相连；所述气压舱顶板开有若干与所述带孔隔板相同排布的气孔；气压舱通过管道与气压伺服机相连。所述叶轮通过两个滑动导轨安装在外模型箱的一侧，两个滑动导轨分别安装在外模型箱两个相对的侧壁上；叶轮与所述力矩电机相连。
进一步地，在叶轮扇叶对侧的外模型箱内壁上安装有消波海绵。
进一步地，所述气压舱与气压伺服机相连的管道上设置有阀门和气压表。
进一步地，所述外模型箱具有进水口和排水口，且分别设置有进水阀门及排水阀门。
进一步地，所述带孔隔板上下两面均涂覆有凡士林。
本发明的有益效果是：
1、在模型试验中实现造波、消波，所造波浪稳定，波高、波周期均可控制；
2、在造波的同时，可以模拟软弱海床中浅埋高压气的顶推作用，下覆气压稳定，大小及流速可控，能精准模拟现场实际情况；
3、技术简单，容易实现。
附图说明
图1为本发明正视图；
图2为本发明侧视图；
图3为本发明俯视图；
图4为本发明叶轮扇叶及轴杆示意图；
图5为本发明气压舱示意图；
图6为本发明带孔隔板示意图；
图7(a)和(b)分别为本发明带孔隔板初始状态和通气状态示意图；
图8为线性波示意图；
图中，外模型箱1、土模型箱2、高分子土工织物3、带孔隔板4、微型千斤顶5、气压舱6、气压分阀门7、总进气管8、气压表9、气压总阀门10、气压伺服机11、轴杆12、力矩电机13、滑动导轨14、叶轮15、进水阀门16、排水阀门17、消波海绵18。
具体实施方式：
如图1所示，一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置，包括外模型箱1、土模型箱2、带孔隔板4、微型千斤顶5、气压舱6、气压伺服机11、一根轴杆12、力矩电机13、滑动导轨14、叶轮15；图中，外模型箱1具有进水口和排水口，且分别设置有进水阀门16及排水阀门17。所述土模型箱2的底面由土工织物3构成，该土工织物3仅允许气体通过，水和土颗粒均无法通过；所述气压舱6和土模型箱2均安装在外模型箱1内，且气压舱6位于土模型箱2正下方；带孔隔板4位于气压舱6和土模型箱2之间，一端与微型千斤顶5相连，微型千斤顶可带动带孔隔板水平移动，同时在带孔隔板与气压舱顶板、土模型箱底板接触面上涂抹凡士林可减小摩擦；所述气压舱6顶板开有若干与所述带孔隔板4相同排布的气孔，当气压舱6顶板的气孔与带孔隔板4上的孔对齐时，气压舱6即可向土模型箱2输送气体；气压舱6通过管道8与气压伺服机11相连。图中，气压舱2与气压伺服机11通过总进气管相连，同时总进气管还设置有气压表9、总气压阀门10，其末端分支进气管还设置有两个气压分阀门7，以保证气压舱6的均一性。
如图2所示，所述叶轮15通过两个滑动导轨14安装在外模型箱1的一侧，两个滑动导轨14分别安装在外模型箱1两个相对的侧壁上。叶轮15的中心轴12与所述力矩电机13相连。使用时，调整叶轮15的高度，使之位于液面以下，叶轮15的扇叶插入水中，力矩电机驱动三个扇叶旋转划水造波，其中，波浪的波高、周期可分别通过调节叶轮高度、力矩电机转速进行控制；图1中，还在在叶轮15对侧的外模型箱1内壁上安装消波海绵18，用于消波。
本发明模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的试验具体实施过程如下：
1、将制备好的海洋软弱土装入土模型箱2内，打开进水阀门16，向外模型箱1中注水，水位到达设定位置时，关闭进水阀门16；此时，带孔隔板4的位置处于初始状态，如图7(a)所示，此时，气压舱6顶板的气孔与带孔隔板4上的孔不对齐，带孔隔板4与气压舱6顶板的孔洞互不连通，土体此时不受气体顶推作用。
2、启动力矩电机13，插入水中的叶轮扇叶15开始旋转，划水造波开始；试验过程中波浪大小、周期可分别调节轴杆12在两滑动导轨14的位置、力矩电机13的转速实现实时控制。作为本领域的公知常识，所造波浪频率及周期与驱动电机的频率及周期符合以下关系式：
f波浪＝3f驱动电机
所造波浪遵循线性波理论，如图8所示，
其波面方程为：
水质点水平运动速度可表示为：
式中，H为波高，为装置中扇叶入水深度的函数；d为平均液面至海床高度；k与水深d、波浪周期T波浪存在以下关系：
此外根据土力学有效应力原理：
σ总应力＝σ有效应力+u
土体所受总应力σ总应力等于土体有效应力σ有效应力加上孔隙水压，而土体的强度完全取决于有效应力σ有效应力。
当造波开始后，波浪传播过程中在土体表面产生的波压力会引起海床内部孔隙水压力和有效应力的震荡变化。在总应力不变情况下，孔隙水压上升，使得有效应力降低，土体刚度弱化，强度降低。
3、打开气压总阀门10及进气管末端的气压分阀门，启动气压伺服机11，通过进气管8向气压舱6内通气，气压舱6内的气压大小可通过气压伺服机11实时控制，并可通过气压表9获得当前气压数值。
4、气压达到设定值后，控制微型千斤顶5将带孔隔板4推至图7(b)所示位置，这时孔洞相互连通，气体释放，对土体施加气压，土模型箱2中土体受到下方气体顶推作用，此时土体同时承受波浪荷载作用及下方气体顶推作用，进一步剪切土体，有效应力继续降低，土体强度及刚度进一步弱化。
5.试验结束时，关闭力矩电机13，造波终止；再次启动微型千斤顶5使带孔隔板4回到初始状态，如图7(a)所示；关闭气压伺服机11及气压阀门7、8；至此，试验结束。

Claims (5)

1.一种模拟海床软弱土在上表面台风浪和浅埋高压气顶推联合作用下灾变全过程的装置，其特征在于，可以包括外模型箱(1)、土模型箱(2)、带孔隔板(4)、微型千斤顶(5)、气压舱(6)、气压伺服机(11)、一根轴杆(12)、力矩电机(13)、滑动导轨(14)、叶轮(15)。所述土模型箱(2)的底面由高分子土工织物(3)构成；所述气压舱(6)和土模型箱(2)均安装在外模型箱(1)内，且气压舱(6)位于土模型箱(2)正下方；带孔隔板(4)位于气压舱(6)和土模型箱(2)之间，一端与微型千斤顶(5)相连；所述气压舱(6)顶板开有若干与所述带孔隔板(4)相同排布的气孔；气压舱(6)通过管道(8)与气压伺服机(11)相连。所述叶轮(15)通过两个滑动导轨(14)安装在外模型箱(1)的一侧，两个滑动导轨(14)分别安装在外模型箱(1)两个相对的侧壁上；叶轮(15)与所述力矩电机(13)相连。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在叶轮扇叶(15)对侧的外模型箱(1)内壁上安装有消波海绵(18)。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述气压舱(6)与气压伺服机(11)相连的管道(8)上设置有阀门和气压表。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述外模型箱(1)具有进水口和排水口，且分别设置有进水阀门(16)及排水阀门(17)。
5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述带孔隔板(4)上下两面均涂覆有凡士林。
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