长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋工程粧基础模型试验技术领域，具体涉及一种长期水平循环荷载下海洋工程粧基础试验模拟设备及方法，模拟长期水平循环荷载下的粧土相互作用。
【背景技术】
[0002]随着海洋资源开发的脚步日益加快，海上石油平台、海上风机等海洋工程得到了迅速发展。海洋工程一直承受着诸如海风、波浪、海流等水平循环荷载的长期作用(16?19次循环)。在长期循环荷载作用下，上部结构、基础和地基的可靠度会有不同程度的降低。海洋工程的基础形式以粧基础为主。粧基础在长期水平循环荷载下而引起的变形过大、倾覆、断裂等破坏，会导致整体结构的破坏，造成重大的财产损失[I ]。然而，目前长期水平循环荷载作用下粧基础与土的相互作用的研究较少，主要原因是缺乏有效的试验手段。在现有试验手段中:现场试验成本过高，且海水中数据不易测量;Ig缩尺模型试验规律无法与原型相似，其结果不具有代表性(涉及到土体的模型试验，重要的是土体应力应变与原型相似，而不是简单的几何相似。对于一个几何尺寸缩尺I/η的土工模型试验，土体受到的重力加速度应为ng，才能保证模型的应力应变与原型相似。g表示重力加速度)；离心模型试验虽然能够提供ng的重力场、实现应力应变与原型相似，但无法长期运行(一次最多运行几小时)。
[0003]A.Zel ikson等人于60年代初提出渗透力模型试验的思想。利用土颗粒在水流中受到拖拽作用对其施加体积力，即用渗透力等效重力作用，从而保证模型与原型应力应变的一致性[2-3]。以清华大学岩土所黄文熙教授、李广信教授为首的一些学者将该方法应用于普通建筑粧基础竖向静力试验中，获得了一定的成功[4-7 ]。但上述试验施加的荷载为竖向静力荷载，模拟荷载的短期作用(试验周期为I天以内)，且测量的变量仅限于位移。此外，利用渗透力试验容易在土与模型箱接触面形成渗流通道，导致渗流场不均匀，影响试验结果的可信度。
[0004]海洋工程粧基础所处的荷载环境以长期荷载和水平动力荷载为主要特征。针对其特点，本发明设计了一种应用于长期水平循环荷载作用下海洋工程粧基础与土的相互作用研究的渗透力模型试验设备。本设备的先进性在于:I)实现了渗透力系统中水平静力荷载和水平循环荷载的施加;2)实现了渗透力系统中应变、位移、土压力、孔隙水压力等变量的测量;3)解决了土与模型箱接触面渗流通道的问题;4)实现了试验的长期运行(I个月)，从而能够模拟长期荷载的作用。
[0005][ I ]汤虎，冲刷对海洋平台粧基水平承载性能影响的研究[D]，2012，武汉:7-8.
[0006][2]夏素平等，模型试验体力加载方法[J]，山西建筑，2005(31):32-33.
[0007][3]曾友金等，粧基模型试验研究现状[J]，岩土力学，2003(24):674-686.
[0008][4]李广信等，不同加载方式下粧的摩阻力的试验研究[J]，工业建筑，1999(29):19-21.
[0009][5]黄锋等，不同受载方式下粧侧阻的渗水力模型试验研究[J]，岩土工程学报，1998(20):10-14.
[0010][6]方磊等，室内土工模型试验的新方法[J]，高校地质学报，1997(3):451-457.
[0011][7] 丁金粟等，用渗水力模型研究饱和土地基载荷性状[J]，岩土工程学报，1994
(16):8-20o
【发明内容】
[0012]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种长期水平循环荷载下海洋工程粧基础试验模拟设备及方法，适用范围广，可用于石油平台、海上风机等多种海洋工程结构。
[0013]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0014]一种长期水平循环荷载下海洋工程粧基础试验模拟设备，包括为饱和砂土地基I提供源源不断的压力水，使得砂土地基中形成均匀的渗流场，从而模拟超重力环境的渗透力系统A;对海上风机上部结构模型3施加水平循环荷载的位移控制加载系统B和力控制加载系统C;用于测量进入饱和砂土地基前的水压、海上风机上部结构模型3和粧模型的位移、粧模型的应变、砂土表面位移的测量系统D;用于给所述渗透力系统A、位移控制加载系统B、力控制加载系统C和测量系统D进行供电，保证各个系统能够长期稳定运行的不间断电源系统E;
[0015]所述渗透力系统A包括由顶盖4、上筒5、下筒6和底座7组成的密闭承压模型箱，通过进水阀9连接在顶盖4上的增压变频水栗8，设置在顶盖4上的排气阀11，设置在底座7上的出水阀10，设置在下筒6上部的泄水阀12，在上筒5上部对称地设置四个法兰盘15;压力水通过增压变频水栗8由密闭承压模型箱顶部进水阀9压入饱和砂土地基I和饱和砂土地基I下部的透水板13后，从密闭承压模型箱底部出水阀10排出；增压变频水栗8持续地将压力水从顶部送入密闭承压模型箱，保证入土前密闭承压模型箱内的水压恒定;稳定后，能够实现土体内的稳定渗流，从而保证模型的应力应变与原型一致；
[0016]所述位移控制加载系统B和力控制加载系统C根据不同的试验方案选择其一使用；所述位移控制加载系统B包括通过托盘18和法兰盘15固定于密闭承压模型箱侧壁上的减速电机17，减速电机17的转轴与偏心轮19连接，穿过法兰盘15中心的水平杆21通过连接杆20与偏心轮19连接;水平杆21穿入密闭承压模型箱侧壁处设置有动密封圈23;在水平杆21端部连接一段弹簧22，并将弹簧22与海上风机上部结构模型3相连;减速电机17转动带动偏心轮19转动，通过连接杆20的传动，使水平杆21以相同的位移做水平往复运动；由于弹簧22与水平杆21连接，其伸长量等于水平杆21的位移，所述力控制加载系统C包括通过法兰盘15固定于密闭承压模型箱侧壁外的液压油缸24，液压油缸24的加载杆30通过动密封圈23穿过密闭承压模型箱侧壁作用于海上风机上部结构模型3，加载杆30端部安装防水抗压型力传感器31，油箱27的出油口通过管路依次连接油栗28、伺服溢流阀25和液压油缸24的进油口，液压油缸24的出油口连接冷却过滤器26，冷却过滤器26连接油箱27的进油口 ；液态油从油箱27流出，经过油栗28加压和伺服溢流阀25的压力调节后进入液压油缸，推动加载杆30水平运动;为保证加载杆30施加在海上风机上部结构模型3的力恒定，根据防水抗压型力传感器31实时反馈的信息，控制柜29调节油栗28出油的压力，并调整伺服溢流阀25的压力限额，当油压超过该限额时，伺服溢流阀开启，进行泄压；通过控制柜29调节油栗28和伺服溢流阀25，还能改变力的频率、幅值和波形参数;为避免长期运行中油温升高、油中掺入杂物而导致的事故，从液压油缸24流出的油需先经过冷却过滤器26，再进入油箱27重复使用；
[0017]所述测量系统D固定于顶盖4上的水压力传感器32，固定于饱和砂土地基I泥面处的防水抗压型LVDT位移传感器33，安装于模型箱顶盖4下部的两个防水抗压摄像头35，贴在插入饱和砂土地基I内的每个粧身上的多个应变片34;
[0018]所述不间断电源系统E包括大容量UPS36以及连接大容量UPS36与渗透力系统A、位移控制加载系统B、力控制加载系统C和测量系统D的电缆37。
[0019]所述密闭承压模型箱的顶盖4上开有耐压玻璃观察窗14。
[0020]所述下筒6内壁设置若干平行的水平凹槽圈16，阻止水沿侧壁竖向流动。
[0021]所述下筒6内壁进行喷砂，保证内壁有一定的粗糙度，与土样有效贴合。
[0022]所述多个应变片34的数量为6个。
[0023]所述大容量UPS36的后备时间为8小时，输出功率为3KVA。
[0024]上述所述长期水平循环荷载下海洋工程粧基础试验模拟设备的试验方法，其特征在于:包括如下步骤:
[0025]I)在下筒6的透水板13上铺设两层土工织物，然后将饱和砂土置于其上，插入海上风机上部结构模型3至规定深度;安装上筒5，不盖顶盖4，关闭出水阀10，向密闭承压模型箱内注水直至与顶盖4齐平；
[0026]2)盖上顶盖4，打开进水阀9和排气阀11;关闭出水阀1