CN111155569A - 可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置及试验方法 - Google Patents

可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置及试验方法，本发明的试验装置主要包括：压力仓、钢土、线圈、模型吸力桶、电机等。该装置通过缠绕在压力仓两端的线圈形成的匀强磁场给钢土施加额外竖向场力来实现超重力环境，还原模型受到的实际地应力，通过加压孔注入高压空气模拟海洋深水环境中高压力的情况。本发明的试验装置具有结构简单，操作方便，结果准确的优点。解决了目前现有的试验仪器无法模拟海洋深水环境下的高压环境以及模型缩尺效应带来的土压力无法还原的问题，试验效率高，操作灵活，优势突出。

Description

可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装 置及试验方法
技术领域
本发明属于土木工程试验技术领域，涉及一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置及试验方法。
背景技术
随着海洋强国战略的提出，我国明显加快了海洋资源的开发利用步伐。由于海洋环境十分恶劣，风、浪等循环荷载持续作用，海洋结构物的建设过程中出现了诸多技术问题，比如海洋基础与深海海床土体的循环作用问题等，而通过试验研究是目前最为可靠的技术手段。开展深海环境中的结构物与土体的试验，还原深水条件下的高压环境及海床土体的真实应力状态是十分困难的。目前来看，在模型试验中还原土体的真实应力状态只能通过离心机试验的方式，离心机通过高速旋转给土体施加离心力，实现土体的超重力环境，从而保证缩尺模型受到的土体作用力与实际工况中一致。但是，离心机试验费用高昂，操作难度大并且对也难以同时实现高压环境。
另外，吸力桶基础是海洋结构物广泛使用的一种基础形式，其主要优势在于施工速度快、拆除方便、避免打桩噪声等。在实际工程中的主要问题在于安装过程控制以及循环受荷特性等，由于现场试验开展难度大，目前研究的主要手段为离心机试验。
发明内容
本发明针对室内试验过程中深海高压环境模拟问题，在现有技术中存在很多不足，无法模拟实际工况的情况下，提出了一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置及试验方法。本发明通过钢土在匀强磁场作用下受到场作用力来实现土体的超重力环境，进而模拟深海环境下海床土体的真实应力状态，再通过高压空气来模拟深海环境中的高压海水。具有可模拟深度范围大，试验流程简洁等诸多优点，解决了科研过程中试验仪器无法模拟海洋深水环境及还原模型试验中的土体真实应力状态的问题。
本发明采取以下技术方案：
一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，包括压力仓、设于两个压力仓内的两个线圈、模型吸力桶、电机A、电机B；所述的压力仓内装有钢土；所述的其中一个线圈位于钢土下方，另一个线圈位于钢土上方；所述的压力仓顶部设有上盖板；所述的上盖板上设有电机A，用于将模型吸力桶放于钢土表面；所述的电机B设于压力仓侧壁上，用于对模型吸力桶施加水平荷载。
上述技术方案中，进一步地，所述的压力仓为筒状，所述的两个线圈分别固定在压力仓的上下部，其直径与压力仓外径相同，通电后可在压力仓内形成匀强磁场；所述的钢土在匀强磁场的作用下受到竖直向下的场作用力，实现土体的超重力环境，还原与缩尺模型对应的土体真实应力状态。
进一步地，所述的压力仓与模型吸力桶的材质为铝合金，不受磁力影响。
进一步地，所述的上盖板与压力仓的侧壁通过卡扣固定，可以实现严格密封；所述的压力仓侧壁上设有加压孔、抽气孔、有机玻璃视窗；通过所述的加压孔可对压力仓进行加压；所述的抽气孔与模型吸力桶相连，用于向外抽气。
进一步地，所述的模型吸力桶顶部固定有加载传力杆，电机A通过加载传力杆与模型吸力桶相连；电机B端部设有加载杆，加载传力杆通过直线轴承与加载杆相连。
本发明还提供一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验方法，该测试方法基于权利要求1-4任一项所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置实现，具体试验方法如下：
(1)吸力桶安装：将模型吸力桶吊装在电机A上，盖上上盖板并密封，线圈通电使匀强磁场强度达到设计值，实现超重力环境，确定依据为模型的具体缩小比例，通过加压孔充气加压至设计压力，压力值根据需要模拟的海水深度进行确定；打开电机A，将模型吸力桶放置于钢土表面，模型吸力桶靠自重下沉一定距离后，由抽气孔抽气，使模型吸力桶在内外压差作用下缓缓下沉，直到模型吸力桶完成贯入；
(2)吸力桶循环受荷试验：将模型吸力桶贯入完成之后，通电使电机B(13)开始工作，按照设定的位移幅值以及频率通过加载杆对加载传力杆开始加载，实现对模型吸力桶的水平循环受荷过程的模拟，并通过有机玻璃视窗进行观察记录。
本发明的发明原理为：
本发明的一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置是通过缠绕在压力仓两端的线圈形成的匀强磁场给钢土施加额外竖向场力来实现超重力环境，还原模型受到的实际地应力，通过加压孔注入高压空气模拟海洋深水环境中高压力的情况。
本发明的有益效果为：
本发明的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，该装置结构简单，通过电磁力对钢土施加均匀的竖向力来实现超重力环境；通过高压气体来模拟海洋深水环境下的高水压作用。
采用本发明的试验方法可实现:1、模拟海水深度及超重力大小可随意调节；2、试验方法简洁高效。
附图说明
图1是本发明试验装置示意图；
图2是本发明试验装置俯视图；
图3是本发明试验装置安装示意图一；
图4是本发明试验装置安装示意图二；
图5是本发明模型吸力桶示意图；
其中，1、压力仓，2、钢土，3、线圈，4、模型吸力桶，5、电机A，6、抽气孔，7、软管，8、起吊环，9、上盖板，10、加压孔，11、气压计，12、土压力计，13、电机B，14、加载传力杆，15、加载杆,16、直线轴承，17、有机玻璃视窗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1为本发明的一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，包括压力仓1、钢土2、线圈3、模型吸力桶4、电机A 5、电机B13等。压力仓1两端部设有线圈3，线圈3直径与压力仓1直径相同，并且两线圈3间距与线圈3直径相同，线圈3通电后可在压力仓1中部形成匀强磁场，匀强磁场的大小可以通过线圈3中电流大小来调节；压力仓1正面设有有机玻璃视窗17，便于观察仓内情况，压力仓1侧面设有加压孔10、抽气孔6、气压计11、电机B13，其中电机B13端部设有加载杆15，模型吸力桶4顶部的加载传力杆14通过直线轴承16与加载杆15相连，可限制模型吸力桶4的水平向位移；钢土2为类黏土的铁质粉末，具有黏土的性质，在模型吸力桶4靠自重下沉时对模型吸力桶4端部可起到一定程度的密封作用；模型吸力桶4上端部有抽气孔6，通过软管7与压力仓1侧壁上的抽气孔6相连通；模型吸力桶4顶部设有起吊环8，电机A 5可通过起吊环8吊起或放下模型吸力桶4；电机A 5安装在上盖板9上；上盖板9与压力仓1采用卡扣连接，接触部位处设有橡胶条密封。
吸力桶安装的具体试验流程和操作步骤如下：
步骤1：将模型吸力桶吊装在电机A上，将软管安装在模型吸力桶与压力仓侧壁上，盖上上盖板并密封紧；
步骤2：电磁铁通电，根据试验模拟的海水深度和模型的缩尺比例(超重力倍数)将匀强磁场强度调整到设计值，通过加压孔注入高压空气，使仓内气压达到设计值；
步骤3：通过电机A将模型吸力桶下放至钢土表面，待其靠自重贯入钢土一定深度后，通过压力仓上的抽气孔开始抽气，在内外压差作用下吸力桶将贯入钢土中，直至桶体全部贯入，完成吸力桶安装过程。
吸力桶循环受荷的具体试验流程和操作步骤如下：
步骤1：通过上述步骤安装模型吸力桶；
步骤2：电机B开始工作，设定循环的频率及幅值，通过对模型吸力桶上方加载传力杆施加水平向的循环作用力模拟吸力桶循环受荷过程，根据试验目的可增设相应的传感器(位移计、土压计等)来监测水平循环荷载下吸力桶的动态响应情况。

Claims (6)

1.一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，其特征在于，包括压力仓(1)、设于两个压力仓(1)内的两个线圈(3)、模型吸力桶(4)、电机A(5)、电机B(13)；所述的压力仓(1)内装有钢土(2)；所述的其中一个线圈(3)位于钢土(2)下方，另一个线圈(3)位于钢土(3)上方；所述的压力仓(1)顶部设有上盖板(9)；所述的上盖板(9)上设有电机A(5)，用于将模型吸力桶(4)放置于钢土(3)表面；所述的电机B(13)设于压力仓(1)侧壁上，用于对模型吸力桶(4)施加水平荷载。
2.根据权利要求1所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，其特征在于，所述的压力仓(1)为筒状，所述的两个线圈(3)分别固定在压力仓(1)的上下部，其直径与压力仓(1)外径相同，通电后可在压力仓内形成匀强磁场；所述的钢土(2)在匀强磁场的作用下受到竖直向下的场作用力，实现土体的超重力环境，还原与缩尺模型对应的土体真实应力状态。
3.根据权利要求1所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，其特征在于，所述的压力仓(1)与模型吸力桶(4)的材质为铝合金，不受磁力影响。
4.根据权利要求1所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，其特征在于，所述的上盖板(9)与压力仓(1)的侧壁通过卡扣固定；所述的压力仓(1)侧壁上设有加压孔(10)、抽气孔(6)、有机玻璃视窗(17)；通过所述的加压孔(10)可对压力仓(1)进行加压；所述的抽气孔(6)与模型吸力桶(4)相连，用于向外抽气。
5.根据权利要求1所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置，其特征在于，所述的模型吸力桶(4)顶部固定有加载传力杆(14)，电机A(5)通过加载传力杆(14)与模型吸力桶(4)相连；电机B(13)端部设有加载杆(15)，加载传力杆(14)通过直线轴承(16)与加载杆(15)相连。
6.一种可模拟海洋深水环境下吸力桶安装过程的试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-5任一项所述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装、循环受荷过程的试验装置实现，具体试验方法如下：
1)吸力桶安装：将模型吸力桶(4)吊装在电机A(5)上，盖上上盖板(9)并密封，线圈(3)通电使匀强磁场强度达到设计值，实现超重力环境，确定依据为模型的具体缩小比例，通过加压孔(10)充气加压至设计压力，压力值根据需要模拟的海水深度进行确定；打开电机A(5)，将模型吸力桶(4)放置于钢土(2)表面，模型吸力桶(4)靠自重下沉一定距离后，由抽气孔(6)抽气，使模型吸力桶(4)在内外压差作用下缓缓下沉，直到模型吸力桶(4)完成贯入；
2)吸力桶循环受荷试验：将模型吸力桶(4)贯入完成之后，通电使电机B(13)开始工作，按照设定的位移幅值以及频率通过加载杆(15)对加载传力杆(14)开始加载，实现对模型吸力桶(4)的水平循环受荷过程的模拟，并通过有机玻璃视窗(17)进行观察记录。
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