一種測量波浪對樁基水平承載性能影響的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的測量海洋環(huán)境對粧基性能影響的裝置，具體說來，是一種測量波浪循環(huán)往復(fù)作用對粧基水平承載性能影響的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對海洋資源開發(fā)利用的深入，海洋工程構(gòu)筑物所面臨的環(huán)境惡劣程度也逐步增加。對于近海海域的工程構(gòu)筑物，粧基礎(chǔ)由于具有施工簡便、承載能力高以及能適應(yīng)多種工程地質(zhì)條件，成為最為常用的基礎(chǔ)型式之一。然而面對復(fù)雜而惡劣的外界荷載綜合作用，粧基礎(chǔ)變形可能超出容許值甚至產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而影響海洋工程構(gòu)筑物的正常使用甚至發(fā)生事故。
[0003]海洋工程粧基礎(chǔ)在環(huán)境荷載作用下多呈現(xiàn)出水平承載性能減弱的趨勢。海洋工程粧基礎(chǔ)多以承受水平荷載作用為主，在實(shí)際應(yīng)用中上部結(jié)構(gòu)對粧的側(cè)向變形要求較為嚴(yán)格(粧基的側(cè)向變形必須小于容許值)，過大的側(cè)向變形可能造成上部結(jié)構(gòu)無法工作同時也可能造成結(jié)構(gòu)破壞，而粧基側(cè)向變形則認(rèn)為與粧基的水平承載性能相關(guān)。除了水平工作荷載作用外，粧基一般都承受長期的波浪荷載作用。波浪荷載的長期循環(huán)往復(fù)作用會令粧周土抗力弱化，表現(xiàn)出粧基的側(cè)向變形逐步累積、增大，粧基水平承載性能下降。在目前海洋工程粧基設(shè)計中如何較為準(zhǔn)確地評估粧基在波浪作用后水平承載性能的下降，尚無成熟的方法，這也是該類粧基礎(chǔ)設(shè)計工作的關(guān)鍵問題之一。
[0004]目前國內(nèi)外對粧基在波浪作用下的承載特性進(jìn)行了大量研究，許多學(xué)者設(shè)計、實(shí)施循壞荷載作用下粧基模型試驗。此類研究中，部分學(xué)者采用激振器或者電動機(jī)循環(huán)加載裝置來模擬波浪荷載，無法準(zhǔn)確地模擬海洋環(huán)境中波浪對粧基和土體的影響，尤其是波浪對土體的弱化作用無法得到體現(xiàn)；此外，也有部分學(xué)者采用波浪水槽模擬粧基的波浪荷載作用，但是這類研究多將模型粧一端固定，即以固定約束代替土體的作用。為改進(jìn)上述的不足，本發(fā)明利用波浪水槽模擬波浪環(huán)境，并設(shè)計了相關(guān)加載裝置對粧基施加水平荷載，可以便捷的測定粧基在波浪作用前后水平承載性能的變化，進(jìn)而為該方面的研究和設(shè)計提供有益的參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種測量波浪對粧基水平承載性能影響的裝置及方法。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種測量波浪對粧基水平承載性能影響的裝置，包括設(shè)置于水槽內(nèi)的造波板、斜坡底座、水槽凹槽和消波裝置，所述造波板設(shè)于水槽的一端，用于模擬波浪環(huán)境；所述消波裝置設(shè)于水槽的另一端，用于消除波浪反射；斜坡底座與水槽凹槽所形成的區(qū)域中放置模型粧并填充有模型土，所述模型粧上部穿過水體且頂部高出波浪作用面，所述模型粧上部安裝有加載裝置，所述加載裝置及模型粧周圍安裝有傳感器，所述傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置相連接。
[0007]具體地，所述傳感器包括浪高儀、位移傳感器、測力計、應(yīng)變片、加速度傳感器及孔壓計。
[0008]具體地，所述浪高儀用于波浪率定，豎直固定于前支架上，且位于模型粧與造波板之間的水槽凹槽上方。前支架由大于水槽寬度的頂板和前豎桿構(gòu)成且固定在水槽兩壁上端。
[0009]具體地，所述位移傳感器用于測量水平荷載作用下的粧頂位移，固定于前支架的后豎桿底部。
[0010]具體地，所述型粧頂部設(shè)置有套筒，所述套筒上設(shè)置拉環(huán)，所述位移傳感器的探針前端接觸于模型粧的套筒前端。
[0011]具體地，模型粧與消波裝置之間的水槽上方固定有后支架，后支架前豎桿下方固定下滑輪，后支架頂板后部中間開槽并固定上滑輪，加載板與拉環(huán)之間采用鋼絲繩連接，鋼絲繩穿過下滑輪和上滑輪且在拉環(huán)與下滑輪之間的設(shè)置測力計。
[0012]具體地，所述應(yīng)變片用于測量波浪作用時粧身應(yīng)變，粧長均勻設(shè)置在模型粧上，且沿粧身圓周截面對稱布置；所述速度傳感器用于測量粧頂位移變化，設(shè)置于粧頂套筒上的開孔處。
[0013]具體地，所述孔壓計用于測量波浪作用下土體孔隙水壓力變化，設(shè)置在模型土內(nèi)部不同深度處?？讐河嫻潭ㄓ谙轮Ъ苌?，下支架的底座設(shè)置于水槽凹槽底部且在模型粧前后對稱設(shè)置兩個。
[0014]本發(fā)明同時提出上述裝置的測量方法，包括裝置的安裝和測量，其中安裝步驟如下:
1、在水槽中段部位設(shè)置水槽凹槽，在水槽凹槽前后的水槽底部放置兩個斜坡底座；水槽凹槽開槽深度與斜坡底座高度根據(jù)所需模擬的模型粧的實(shí)際入土深度決定。
[0015]2、在模型粧內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片并且涂抹硅膠做防水處理，模型粧的底部設(shè)置封底圓片并在粧頂安裝套筒，在下支架的預(yù)定位置上安裝孔壓計，在水槽凹槽與斜坡底座所構(gòu)成的空間中分層填入模型土，并在預(yù)定位置處放入模型粧；
3、填土完畢后，在水槽中蓄水至預(yù)定靜水面；將波高儀以及位移傳感器安裝至前支架，把前支架固定于模型粧前的水槽頂壁上，使得波高儀位于模型粧與造波板之間并且位移傳感器探針頂于粧帽前端；
4、將下滑輪安裝至后支架的前豎桿下方，并在后支架的頂板后部中間開槽并固定上滑輪；鋼絲繩連接一端連接拉環(huán)并連接測力計，再穿過下滑輪和上滑輪，另一端連接加載板；把后支架固定于模型粧后的水槽的頂壁上，并且保持對模型粧水平加載時加載板位于水面以上；
5、將加速度傳感器安裝至套筒開孔處，通過導(dǎo)線將位移傳感器、加速度傳感器、孔壓計和應(yīng)變片連接至數(shù)據(jù)采集裝置；
測量步驟如下:
1、待所有安裝工作完成后，將本裝置靜止24小時，隨后調(diào)試數(shù)據(jù)采集裝置，確認(rèn)所有測試原件工作正常后，在加載板上進(jìn)行堆載，同時根據(jù)測力計的讀數(shù)控制堆載值；通過分級施加水平靜荷載以及從位移傳感器獲得的數(shù)值，獲得波浪作用前的粧基水平承載特性；
2、拆除本裝置，重新開展填土和相關(guān)模型、儀器的安裝工作，鋼絲繩的前端暫時不連接拉環(huán)；靜止24小時后，使用造波板生成指定波浪，對模型粧實(shí)行一定次數(shù)的波浪作用，并且通過數(shù)據(jù)采集儀記錄位移傳感器、孔壓計和應(yīng)變片的過程數(shù)據(jù)，獲得波浪作用下的粧基內(nèi)力、土體響應(yīng)特性；
3、停止波浪作用，鋼絲繩連接拉環(huán)，施加與未作用波浪前同等條件的水平靜荷載作用，獲得波浪作用之后的粧基水平承載特性；
4、對比前后兩次粧基水平靜載試驗，明確波浪對粧基水平承載性能的影響，獲得不同試驗階段粧身內(nèi)力與變形以及波浪作用期間的土體響應(yīng)。
[0016]有益效果:與現(xiàn)有設(shè)計相比，本發(fā)明具有以下顯著的進(jìn)步:
1.相比已有的裝置，本發(fā)明可以模擬真實(shí)波浪環(huán)境中海洋工程粧基水平承載行為，通過對比波浪荷載作用前后粧基水平承載試驗得到的荷載位移曲線差異，明確波浪作用對粧基水平承載性能的影響，并且可以獲得粧基循環(huán)響應(yīng)對粧周土抗力的弱化影響。
[0017]2.本發(fā)明裝置結(jié)合了波浪水槽，通過生成波浪模擬波浪作用，相比以循環(huán)點(diǎn)荷載模擬波浪作用的常用方法，本裝置更加真實(shí)的模擬波浪作用且可以體現(xiàn)波浪對土體的作用，此外結(jié)合波高儀并控制造波板的工作功率可以精確模擬多種形式的波浪，這也使本裝置的具備更廣泛的測量范圍。
[0018]3.一般波浪水槽無法設(shè)置底部土層，并且即使設(shè)置了土層，由于受水槽深度的限制，粧基的入土深度十分有限，本裝置通過在水槽底部局部設(shè)置凹槽和斜坡底座的方式，使得可以設(shè)置更大的土層厚度，進(jìn)而可以較好的滿足模型粧的入土深度要求，更加準(zhǔn)確的模擬海床條件。
[0019]4.相比已有裝置，本發(fā)明設(shè)置了加速度傳感器和孔壓計，可以分別測量波浪作用期間的粧頂位移以及粧周土孔隙水壓力的變化，結(jié)合粧身應(yīng)變片布置，可較為全面的反映出粧基和土體在波浪作用下的響應(yīng)特征。并且相比其他接觸式測位移的方法，采用加速度傳感器可避免對粧響應(yīng)的干擾。
[0020]5.水平加載裝置安裝簡便，加載精確。只需將后支架固定在水槽邊壁上，其他裝置固定在后支架上即可。通過滑輪組并利用砝碼的重力實(shí)現(xiàn)水平荷載的穩(wěn)定施加，鋼絲繩中測力計的設(shè)置也可保證水平加載的準(zhǔn)確性。此外，水平加載裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。[0021 ] 除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的一種測量波浪對粧基水平承載性能影響的裝置及方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的剖立面圖；
圖2是圖1中A-A處的斷面圖；
圖3是圖1中B-B處的斷面圖；
圖中有:1水槽、2造波板、3消波裝置、4水槽凹槽、5斜坡底座、6模型土、7模型粧、8套筒、9拉環(huán)、10前支架、11下支架、12后支架、13下滑輪、14上滑輪、15鋼絲繩、16加載板、17浪高儀、18位移傳感器、19測力計、20應(yīng)變片、21加速度傳感器、22孔壓計、23數(shù)據(jù)采集裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例:下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]如圖1至圖3所示，本實(shí)施例的一種用于測量波浪對粧基水平承載性能影響的裝置，包括:水槽1、造波板2、消波裝置3、水槽凹槽4、斜坡底座5、模型土 6、模型粧7、套筒8、拉環(huán)9、前支架10、下支架11、后支架12、下滑輪13、上滑輪14、鋼絲繩15、加載板16、浪高儀17、位移傳感器18、測力計19、應(yīng)變片20、加速度傳感器21、孔壓計22和數(shù)據(jù)采集裝置23ο
[0025]如圖1所示，所述水槽凹槽4為矩形凹槽且長度大于10倍模型粧徑，水槽凹槽4前后的水槽底部設(shè)置兩個斜坡底座5，水槽凹槽4開槽深度與斜坡底座5高度根據(jù)所需模擬的模型粧的實(shí)際入土深度決定。斜坡底座5剖立面為直角三角形，寬度與水槽內(nèi)部寬度一致。為減少斜坡底座5對波浪傳播的影響，斜坡底座5的坡度小于1:10，并且斜坡底座5的豎直側(cè)面與水槽凹槽4前、后端壁對直