CN211784186U - 一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，主要用于开展海底滑坡失稳破坏后，对结构物的冲击作用和破坏效应的研究，包括框架系统，升降系统，土仓系统和测试系统四部分，通过框架系统为整个装置提供支撑保护和试验空间，通过升降系统实现滑道在一定范围内的角度调整，通过土仓系统实现模拟滑坡物质的稳定存储和快速释放，通过测试系统实现滑坡冲击过程中结构物应变的分布规律和变化过程的动态监测。本实用新型充分还原了海底滑坡的快速启动和滑水运移的实际破坏现象，充分考虑了结构物与海底滑坡之间的距离对冲击效应的影响，实现了一种距离可调的海底滑坡冲击结构物的物理模型试验装置，避免了理论计算和数值模拟的不足。
Description
技术领域
本实用新型涉及土木工程试验技术领域，具体属于一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，主要用于研究海底滑坡失稳破坏后，对海洋工程结构物的冲击特性和破坏效应。
背景技术
海底滑坡是海洋地质灾害的一种主要表现形式。海底滑坡直接影响钻井平台、海底光缆、风电桩基、港口码头的建设和运营，近海海域频发或突发的海底滑坡地质灾害，严重影响近海经济带的工程建设，制约我国海上丝绸之路的全面推进。海底滑坡赋存环境特殊、成因机制复杂、破坏模式独特，与陆地滑坡相比有明显的特殊性，具有滑坡体积大、滑移距离远、滑动过程中存在明显的“滑水效应”等特点。海底滑坡失稳破坏后，将对其影响范围内的工程结构物施加巨大的冲击作用，造成工程结构物的失稳和破坏。近年来，随着我国海洋工程建设的大力推进，由海底滑坡诱发的工程灾害问题已越来越凸显。由于海底滑坡相关研究起步晚、手段少、难度大等特点，目前海底滑坡对工程结构物影响方面的研究，已严重滞后于海洋工程的建设实践。
近年来，有部分学者采用理论计算和数值模拟的方法，研究了海底滑坡失稳后对工程结构物的冲击作用，但受限于较多的假设前提，致使其研究结果与工程实际的匹配程度较低。而物理模型试验是现阶段开展海底滑坡冲击工程结构物研究最为直观和可靠的手段，然而目前尚未有成熟的海底滑坡冲击结构物试验装置可用。
实用新型内容
本实用新型首先要解决的技术问题是提供一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，能够便于对开展海底滑坡失稳破坏后，对结构物的冲击作用和破坏效应直观观察以及研究。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：包括框架系统、升降系统、土仓系统和测试系统；所述升降系统、所述土仓系统和所述测试系统均安装于所述框架系统内，所述框架系统为整个装置提供支撑保护和试验空间并形成盛水的箱体；所述升降系统通过千斤顶和滑板的组合实现滑道在一定范围内任意角度的调整；所述土仓系统通过存土仓和启闭门的组合实现滑坡体物质的存储和释放，所述滑板的上端和存土仓铰接；所述测试系统处在滑板的底端的前方，通过滑块和分布式光纤传感器实现结构物距离的调整和应变过程的测试。
在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
所述框架系统包括立柱、底板、纵向玻璃、横向玻璃和底板梁，所述立柱和所述底板构成整个试验装置的主体框架；所述纵向玻璃和所述横向玻璃安装于四根立柱之间，用于实现水的隔档和滑坡过程的观测并和底板组合形成盛水的箱体；所述底板梁固连于所述底板之上，用于安装所述升降系统和测试系统。
所述升降系统包括底板梁横轴、底板梁支撑铰、支撑千斤顶底座、支撑千斤顶、箱底支撑铰、顶升千斤顶底座、顶升千斤顶、千斤顶横轴、千斤顶支撑铰、拉杆底座、拉杆、拉杆支撑铰、三角板、三角板横轴、三角板支撑铰、滑板、滑板顶铰、滑板支撑梁顶铰、滑板支撑梁、滑板支撑梁底铰，所述支撑千斤顶底座、所述支撑千斤顶和所述箱底支撑铰构成所述土仓系统的升降装置，用于连接所述土仓系统和所述框架系统的底板，实现所述土仓系统在试验过程中的升降和倾角调整。
所述升降系统的所述顶升千斤顶底座、所述顶升千斤顶、所述千斤顶横轴、所述千斤顶支撑铰、所述拉杆底座、所述拉杆、所述拉杆支撑铰、所述三角板、所述三角板横轴和所述三角板支撑铰构成所述滑板的升降装置，用于实现滑板在试验过程中的升降和倾角调整。
所述升降系统的所述滑板顶铰用于连接所述滑板和所述土仓系统，并用于实现土仓系统可沿着所述滑板顶铰发生转动。
所述升降系统的所述底板梁横轴、所述底板梁支撑铰、所述滑板支撑梁顶铰、所述滑板支撑梁和所述滑板支撑梁底铰构成所述滑板的支撑装置，用于实现所述滑板和所述框架系统的所述底板梁之间的连接，使得所述滑板在所述滑板的升降装置的作用下，可沿着滑板支撑梁底铰发生转动。
所述土仓系统包括存土仓、存土仓启闭门、启闭门转轴、启闭门弹簧、启闭门插销和启闭拉绳，所述存土仓为两面开口的立方体中空结构，一面开口朝上，另一面开口朝模拟滑坡体滑动方向；所述存土仓启闭门为两端有支撑梁伸出的板状结构，两端伸出的支撑梁通过所述启闭门转轴可转动地连接于所述存土仓，所述存土仓启闭门可沿着所述启闭门转轴转动，所述存土仓启闭门闭合时与所述存土仓构成一个单面开口的立方体中空结构物，用于存储模拟滑坡体的土料，所述存土仓启闭门开启时，存储的土料可沿所述存土仓启闭门方向从所述存土仓中向下滑出；所述启闭门弹簧分别固连于所述存土仓启闭门两端伸出的支撑梁末端和所述存土仓两侧壁，所述存土仓启闭门闭合时所述启闭门弹簧处于拉伸状态，所述存土仓启闭门开启时所述启闭门弹簧处于收缩状态；所述启闭门插销安装于所述存土仓两侧壁，当所述存土仓启闭门闭合时，所述启闭门插销可插入所述存土仓启闭门两端伸出的支撑梁末端的下方，使得存土仓启闭门保持闭合状态；所述启闭拉绳连接于所述启闭插销上，拉动所述启闭拉绳时，所述启闭插销打开，从而实现所述存土仓启闭门在所述启闭门弹簧的作用下快速开启。
所述测试系统包括所述滑道填充物、所述移动滑块、所述模拟结构物和所述分布式光纤传感器，所述滑道充填物用于填充所述升降系统的所述滑板和所述测试系统的所述移动滑块之外的空隙部分，使得整个滑道光滑顺畅；所述移动滑块安装于所述滑道填充物中间，每一个所述移动滑块均可取出、装入或沿着滑道方向前后移动；所述模拟结构物垂直固连于任意一个所述移动滑块上，可调整固连所述模拟结构物的所述移动滑块至特定位置；所述分布式光纤传感器粘贴于所述模拟结构物表面，用于测试所述模拟结构物在滑坡体冲击过程中应变的分布及变化规律。
本实用新型的有益效果是：
1、实现了一种模拟海底滑坡冲击结构物的物理模型试验仪，避免了理论计算和数值模拟中过多假设而偏离实际的不足，可基于海洋工程的实际特点，开展多种工况下的滑坡冲击结构物模拟及数据分析；
2、存土仓的倾角可在一定范围内调整，存土仓启闭门可以在短时间内快速开启，使得模拟实验符合海底滑坡快速启动的实际情况；
3、通过移动滑块实现模拟结构物与海底滑坡之间的距离可调，可开展海底滑坡的冲击效应随距离增加的衰减过程研究，用于确定实际海洋工程对海底滑坡的规避距离；
4、采用分布式光纤传感器监测海底滑坡冲击过程中模拟结构物的应变分布及其随时间的变化规律，通过计算可以获得在海底滑坡冲击作用下，模拟结构物上最大应变的量值随时间的变化规律，以及模拟结构物上出现最大应变的位置随时间的变化规律，从而为海洋工程结构物的设计提供依据。
附图说明
图1是一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置的正视图。
图2是一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置的俯视图。
图3是一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置的左视图。
图4是图1的A-A’剖面图。
图5是图2的B-B’剖面图。
图6是不同时间间隔时最大应变ε(ti)和对应位置y(ti)对应关系示意图。
图中标号：1：立柱；2：底板；3：纵向玻璃；4：横向玻璃；5：底板梁；6：底板梁横轴；7：底板梁支撑铰；8：支撑千斤顶底座；9：支撑千斤顶；10：箱底支撑铰；11：顶升千斤顶底座；12：顶升千斤顶；13：千斤顶横轴；14：千斤顶支撑铰；15：拉杆底座；16：拉杆；17：拉杆支撑铰；18：三角板；19：三角板横轴；20：三角板支撑铰；21：滑板；22：滑板顶铰；23：滑板支撑梁顶铰；24：滑板支撑梁；25：滑板支撑梁底铰；26：存土仓；27：存土仓启闭门；28：启闭门转轴；29：启闭门弹簧；30：启闭门插销；31：启闭拉绳；32：滑道充填物；33：移动滑块；34：模拟结构物；35：分布式光纤传感器。
具体实施方式
参照附图。本实用新型提供的一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，包括框架系统，升降系统，土仓系统和测试系统，所述升降系统、所述土仓系统和所述测试系统均安装于所述框架系统内，所述框架系统为整个装置提供支撑保护和试验空间；所述升降系统通过顶升千斤顶12和滑板21的组合实现滑道在一定范围内任意角度的调整；所述土仓系统通过存土仓26和存土仓启闭门27的组合实现滑坡体物质的存储和释放；所述测试系统通过移动滑块33和分布式光纤传感器35实现结构物距离的调整和应变过程的测试。
所述框架系统包括立柱1、底板2、纵向玻璃3、横向玻璃4和底板梁5，所述立柱1和所述底板2构成整个试验装置的主体框架；所述纵向玻璃3和所述横向玻璃4安装于四根立柱之间，用于实现水的隔档和滑坡过程的观测；所述底板梁5固连于所述底板2之上，用于安装所述升降系统和测试系统。
所述升降系统包括底板梁横轴6、底板梁支撑铰7、支撑千斤顶底座8、支撑千斤顶9、箱底支撑铰10、顶升千斤顶底座11、顶升千斤顶12、千斤顶横轴13、千斤顶支撑铰14、拉杆底座15、拉杆16、拉杆支撑铰17、三角板18、三角板横轴19、三角板支撑铰20、滑板21、滑板顶铰22、滑板支撑梁顶铰23、滑板支撑梁24、滑板支撑梁底铰25，所述支撑千斤顶底座8、所述支撑千斤顶9和所述箱底支撑铰10构成所述土仓系统的升降装置，用于连接所述土仓系统和所述框架系统的底板2，实现所述土仓系统在试验过程中的升降和倾角调整。
所述升降系统的所述顶升千斤顶底座11、所述顶升千斤顶12、所述千斤顶横轴13、所述千斤顶支撑铰14、所述拉杆底座15、所述拉杆16、所述拉杆支撑铰17、所述三角板18、所述三角板横轴19和所述三角板支撑铰20构成所述滑板21的升降装置，可以实现所述滑板21在试验过程中的升降和倾角调整。
所述升降系统的所述滑板顶铰22用于连接所述滑板21和所述土仓系统，可以实现土仓系统可沿着所述滑板顶铰22发生转动。
所述升降系统的所述底板梁横轴6、所述底板梁支撑铰7、所述滑板支撑梁顶铰23、所述滑板支撑梁24和所述滑板支撑梁底铰25构成所述滑板21的支撑装置，用于实现所述滑板21和所述框架系统的所述底板梁5之间的连接，使得所述滑板21在所述滑板21的升降装置的作用下，可沿着滑板支撑梁底铰25发生转动。
所述土仓系统包括存土仓26、存土仓启闭门27、启闭门转轴28、启闭门弹簧29、启闭门插销30和启闭拉绳31，所述存土仓26为两面开口的立方体中空结构，一面开口朝上，另一面开口朝模拟滑坡体滑动方向；所述存土仓启闭门27为两端有支撑梁伸出的板状结构，两端伸出的支撑梁通过所述启闭门转轴28可转动地连接于所述存土仓26，所述存土仓启闭门27可沿着所述启闭门转轴28转动，所述存土仓启闭门27闭合时与所述存土仓26构成一个单面开口的立方体中空结构物，用于存储模拟滑坡体的土料，所述存土仓启闭门27开启时，存储的土料可沿所述存土仓启闭门27方向从所述存土仓中向下滑出；所述启闭门弹簧29分别固连于所述存土仓启闭门27两端伸出的支撑梁末端和所述存土仓26两侧壁，所述存土仓启闭门27闭合时所述启闭门弹簧29处于拉伸状态，所述存土仓启闭门27开启时所述启闭门弹簧29处于收缩状态；所述启闭门插销30安装于所述存土仓26两侧壁，当所述存土仓启闭门27闭合时，所述启闭门插销30可插入所述存土仓启闭门27两端伸出的支撑梁末端的下方，使得存土仓启闭门27保持闭合状态；所述启闭拉绳31连接于所述启闭插销30上，拉动所述启闭拉绳31时，所述启闭插销30打开，从而实现所述存土仓启闭门27在所述启闭门弹簧29的作用下快速开启。
所述测试系统包括所述滑道填充物32、所述移动滑块33、所述模拟结构物34和所述分布式光纤传感器35，所述滑道充填物32用于填充所述升降系统的所述滑板21和所述测试系统的所述移动滑块33之外的空隙部分，使得整个滑道光滑顺畅；所述移动滑块33安装于所述滑道填充物32中间，每一个所述移动滑块33均可取出、装入或沿着滑道方向前后移动；所述模拟结构物34垂直固连于任意一个所述移动滑块33上，可调整固连所述模拟结构物34的所述移动滑块33至特定位置；所述分布式光纤传感器35粘贴于所述模拟结构物34表面，用于测试所述模拟结构物34在滑坡体冲击过程中应变的分布及变化规律。
采用本实用新型开展一种模拟海底滑坡冲击结构物试验的具体步骤如下：
(1)土料配制：采用ISO标准砂、高灵敏度粘土和膨润土按照一定的配合比混合均匀，加水后充分搅拌；关闭存土仓启闭门，插入启闭门插销，将配配制完成的土料分层填入存土仓内，填装完毕后，在土料上表面覆盖一层保鲜膜；
(2)结构布设：采用环氧树脂将分布式光纤传感器沿着模拟结构物长度方向粘贴；将粘贴有分布式光纤传感器的模拟结构物固定至移动滑块上，同时根据试验需求，将该移动滑块调整至预设的位置，之后填塞其他移动滑块，使得所有移动滑块位置固定；
(3)滑道调整：启动升降系统中的顶升千斤顶和支撑千斤顶，缓慢抬升土仓系统和滑板，将滑板抬升至预设倾角时，停止顶升千斤顶工作；保持支撑千斤顶继续工作，调整存土仓至预设倾角时，停止支撑千斤顶工作；
(4)注水准备：向框架系统内注水，当水位接触土仓系统时，控制注水速率，从而避免注水过程对土仓系统中土料的扰动影响，当水位达到预设高度后，停止注水，缓慢揭开存土仓中土料上方的保鲜膜，静置24h；
(5)滑坡模拟：拉动启闭拉绳，拉出启闭门插销，存土仓启闭门在启闭门弹簧的作用下快速打开，使得存土仓内的土料在自重作用下启动滑坡；在拉动启闭拉绳的同时，启动分布式光纤传感器，开始监测结构物上的应变分布及其随时间的变化过程；
(6)数据分析：设定应变-位置坐标系，以模拟滑坡启动之前的应变量为应变坐标x轴的0点，以滑坡滑动方向为应变坐标x轴的正方向；以模拟结构物底部与移动滑块接触点为位置坐标y轴的0点，以竖直向上方向为位置坐标y轴的正方向；根据监测数据，以0.2s为时间间隔，绘制应变-位置曲线，根据曲线确定每一个时间间隔点的最大应变ε(ti)和对应位置y(ti)，如下示意图所示；
研究所有的最大应变ε(ti)数列，可分析在海底滑坡冲击作用下，模拟结构物上最大应变的量值随时间的变化规律；研究所有对应位置y(ti)数列，可分析在海底滑坡作用下，模拟结构物上出现最大应变的位置随时间的变化规律。
(7)重复试验：根据试验需求，可以改变土料配合比，模拟结构物力学特性，模拟结构物与滑坡距离，滑道倾角等影响因素，再次按照步骤(1)～(6)重复开展试验，研究海底滑坡对结构物的冲击效应。
Claims (5)
1.一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：包括框架系统、升降系统、土仓系统和测试系统；所述升降系统、所述土仓系统和所述测试系统均安装于所述框架系统内，所述框架系统为整个装置提供支撑保护和试验空间并形成盛水的箱体；所述升降系统通过千斤顶和滑板的组合实现滑道在一定范围内任意角度的调整；所述土仓系统通过存土仓和启闭门的组合实现滑坡体物质的存储和释放，所述滑板的上端和存土仓铰接；所述测试系统处在滑板的底端的前方，通过滑块和分布式光纤传感器实现结构物距离的调整和应变过程的测试。
2.如权利要求1所述的一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：所述框架系统包括立柱、底板、纵向玻璃、横向玻璃和底板梁，所述立柱和所述底板构成整个试验装置的主体框架；所述纵向玻璃和所述横向玻璃安装于四根立柱之间，用于实现水的隔档和滑坡过程的观测并和底板组合形成盛水的箱体；所述底板梁固连于所述底板之上，用于安装所述升降系统和测试系统。
3.如权利要求1所述的一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：所述升降系统包括底板梁横轴、底板梁支撑铰、支撑千斤顶底座、支撑千斤顶、箱底支撑铰、顶升千斤顶底座、顶升千斤顶、千斤顶横轴、千斤顶支撑铰、拉杆底座、拉杆、拉杆支撑铰、三角板、三角板横轴、三角板支撑铰、滑板、滑板顶铰、滑板支撑梁顶铰、滑板支撑梁、滑板支撑梁底铰，所述支撑千斤顶底座、所述支撑千斤顶和所述箱底支撑铰构成所述土仓系统的升降装置，用于连接所述土仓系统和所述框架系统的底板，实现所述土仓系统在试验过程中的升降和倾角调整；所述升降系统的所述滑板顶铰用于连接所述滑板和所述土仓系统，并用于实现土仓系统可沿着所述滑板顶铰发生转动。
4.如权利要求3所述的一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：所述升降系统的所述顶升千斤顶底座、所述顶升千斤顶、所述千斤顶横轴、所述千斤顶支撑铰、所述拉杆底座、所述拉杆、所述拉杆支撑铰、所述三角板、所述三角板横轴和所述三角板支撑铰构成所述滑板的升降装置，用于实现滑板在试验过程中的升降和倾角调整；所述升降系统的所述底板梁横轴、所述底板梁支撑铰、所述滑板支撑梁顶铰、所述滑板支撑梁和所述滑板支撑梁底铰构成所述滑板的支撑装置，用于实现所述滑板和所述框架系统的所述底板梁之间的连接，使得所述滑板在所述滑板的升降装置的作用下，可沿着滑板支撑梁底铰发生转动。
5.如权利要求1所述的一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置，其特征在于：所述土仓系统包括存土仓、存土仓启闭门、启闭门转轴、启闭门弹簧、启闭门插销和启闭拉绳，所述存土仓为两面开口的立方体中空结构，一面开口朝上，另一面开口朝模拟滑坡体滑动方向；所述存土仓启闭门为两侧有支撑梁伸出的板状结构，两端伸出的支撑梁通过所述启闭门转轴可转动地连接于所述存土仓，所述存土仓启闭门可沿着所述启闭门转轴转动，所述存土仓启闭门闭合时与所述存土仓构成一个单面开口的立方体中空结构物，用于存储模拟滑坡体的土料，所述存土仓启闭门开启时，存储的土料可沿所述存土仓启闭门方向从所述存土仓中向下滑出；所述启闭门弹簧分别固连于所述存土仓启闭门两侧伸出的支撑梁末端和所述存土仓两侧壁，所述存土仓启闭门闭合时所述启闭门弹簧处于拉伸状态，所述存土仓启闭门开启时所述启闭门弹簧处于收缩状态；所述启闭门插销安装于所述存土仓两侧壁，当所述存土仓启闭门闭合时，所述启闭门插销可插入所述存土仓启闭门两侧伸出的支撑梁末端的下方，使得启闭门保持闭合状态；所述启闭拉绳连接于所述启闭门插销上，拉动所述启闭拉绳时，所述启闭门插销打开，从而实现所述存土仓启闭门在所述启闭门弹簧的作用下快速开启。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110966951A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-04-07 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置及试验方法 |
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2019
- 2019-10-17 CN CN201921747440.8U patent/CN211784186U/zh active Active
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| CN110966951A (zh) * | 2019-10-17 | 2020-04-07 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置及试验方法 |
| CN110966951B (zh) * | 2019-10-17 | 2021-11-05 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种模拟海底滑坡冲击结构物的试验装置及试验方法 |
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