一种新型沉积物波致孔压响应装置的制作方法

本实用新型涉及一种沉积物模拟系统，属于海洋工程地质和海洋灾害地质领域，尤其涉及一种新型沉积物波致孔压响应装置。

背景技术：

波浪作用会对海底沉积物产生循环载荷，当波浪作用较强时可能会导致海底沉积物内部孔压的累积上升甚至液化，沉积物液化会导致土体承载力大幅度减小、海上工程设施失稳，危害人员安全和造成财产损失，严重的甚至会引发地质或海洋灾害。

针对波浪作用下的孔压响应及液化问题，现有研究方案包括原位监测、水槽试验以及数值模拟。原位监测所需的人力物力条件巨大，一次监测经费常在数百万以上，实施过程中受天气等自然因素的影响较大。数值模拟是建立在原位监测以及水槽试验基础上的一种手段，能够详、深层次地分析地质现象的机理及影响因素，但是受现有技术手段的限制，数值模拟尚无法模拟出较复杂的现实情况，只能对水槽试验这种简单而理想工况进行模拟。因此，目前水槽试验仍是一种对于波致孔压响应问题重要而有效的研究手段。

但是，传统水槽往往体积巨大，动辄几十甚至上百米长，而对于波致孔压响应问题中最需要关注的沉积物，通常只在水槽的一段占了很少一部分，绝大多数水槽的体积和结构功能，仅是用于造波和消波。对于主要关注沉积物部分的试验，体积巨大的水槽实质上增加了试验成本和操作难度。

申请人在之前公开的的“波浪作用下沉积物孔压响应模拟装置(授权公告号 CN207662733U)”、“波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法(申请公布号CN108332901A)”，对现有水槽系统进行了改进和创新，但相对体积仍然较大。

为了提高波致孔压水槽试验效率、减小使用难度，现亟需一种体积小、效率高、操作简单的小型波致孔压模拟水槽。

技术实现要素：

本实用新型提供一种新型沉积物波致孔压响应装置，用于解决现有的波致孔压水槽体积较大，试验效率低、使用难度大的问题。

本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种新型沉积物波致孔压响应装置，所述孔压响应装置设有孔压监测机构，所述孔压监测机构包括孔压探杆和多个孔压探头，多个孔压探头间隔安装在孔压探杆上，所述孔压响应装置包括流体桶、底质桶、推板和驱动机构；底质桶设在流体桶内，底质桶上沿低于流体桶的上沿，所述底质桶内填充有沉积物，孔压探杆竖向埋设在沉积物中；所述流体桶内填充有液体介质，在驱动机构的作用下，推板在流体桶与底质桶之间的空间内上、下移动，使所述沉积物上的液位形成起伏变化，同时，通过孔压探头获得液位变化时对应的沉积物内部孔压数据。

为进一步实现本实用新型的目的，还可以采用以下技术方案：

所述底质桶与流体桶固定连接，所述流体桶、底质桶均为圆形筒体并具有叠合的竖向对称轴。

所述推板为底部开口的圆形筒体，推板的圆形筒体内径大于底质桶的圆形筒体外径。

在推板下落的初始状态下，所述推板下沿与底质桶上沿齐平；所述流体桶、底质桶内填充的液体介质的液位与底质桶上沿齐平。

所述驱动机构为电动、气动或液压装置。

所述驱动机构与控制系统电连接，控制系统为安装有波浪荷载模拟软件的计算机系统，计算机系统根据所需要的推板移动行程控制驱动机构工作。

所述孔压监测机构与控制系统信号连接，用于接收和处理孔压探头获取的沉积物内部孔压数据。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型在保证沉积物内部孔压测量模拟试验的基础上，可以大幅减小水槽的体积，简化水槽系统的结构，节约成本、方便操作和控制，通过推板移动来产生液位起伏变化，以模拟波浪的效果。具体而言：

1、提高沉积物内部孔压响应测量试验的准确度，同时，将复杂的波浪模拟过程，简化为一定体积水量或水压的变化，来实现海床表面波压力的变化，大大减小了传统水槽的体积和成本。

2、可以研究不同波浪工况条件下，海床沉积物内部孔压变化、液化、沉积物再悬浮情况，简化水动力模拟部分的同时，最大限度地保证了沉积物模拟的真实性、可靠性。

3、本实用新型可以模拟不同液位起伏高度以及振幅周期等条件下的沉积物内部孔压响应，方便观察、测量和操作，有效提高模拟试验效率，降低试验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是实施例一中所述孔压响应装置的结构示意图；

图2是图1中所述流体桶与底质桶的结构示意图；

图3是图1中所述推板的结构示意图；

图4a是实施例一中所述推板位于移动状态的示意图；

图4b是实施例一中所述推板位于初始位置的示意图；

图4c是实施例一中所述推板位于最大液位高度的示意图；

图5是实施例二中所述孔压响应装置的结构示意图；

图6是实施例三中所述孔压响应装置的结构示意图。

附图标记，1-孔压监测机构，2-流体桶，3-推板，31-推板壁，4-底质桶，5- 驱动机构，6-控制系统，7-沉积物，8-液体介质，9-刻度，10-推板联动机构。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：

如图1-图3、图4a、图4b、图4c所示，本实施例公开的一种新型沉积物波致孔压响应装置，包括孔压监测机构1、流体桶2、推板3、底质桶4、驱动机构5、控制系统6。可大幅度减小水槽系统的造波和消波部分，通过推板3的上下移动改变沉积物7上液体介质的液位起伏变化。

在流体桶2侧壁上设有刻度9，流体桶2、推板3、底质桶4均为同竖向对称轴的圆筒体，采用高强度钢化玻璃制成，底质桶4置于流体桶2内侧，通过接触的底部固定在一起。

底质桶4内用于填充和固定沉积物7样品，流体桶2内填充有液体介质8，一般采用水，当需要模拟较大的海浪压力时，可以采用密度较大的水混合物。推板3上部与驱动机构5连接，下部开口并可在流体桶2与底质桶4之间上下移动。

孔压监测机构1包括孔压探杆和孔压探头，孔压探头通过数据线或蓝牙、无线发射模块与控制系统6连接，控制系统6为一计算机系统，可以实时获取、处理和财产沉积物7内部孔压数据。

驱动机构5采用电动推杆，电动推杆的下端与底质桶4上端连接，用以保证推杆上下动作的稳定性和较宽的振幅频率，驱动机构5与控制系统6连接，通过计算机上设定模拟波浪的参数控制电动推杆工作方式。

如图3所示，推板3上设有推板联动装置10，用以固定推板3位置以及传递拉力或推力。

推板壁31向下或向上匀速移动，使底质桶4和流体桶2之间的水位上下起伏变化，实现沉积物7上水位深度的变化，进而可以模拟波浪作用，通过孔压探头实施检测沉积物7内部孔压数据。

本实施例公开的一种孔压响应测量方法，包括准备步骤、模型确定步骤、试验步骤以及后处理步骤。

准备步骤，用于制备沉积物7样品并铺设，注水，设备安装和供电、数据采集线路连接。

设备连接重点在于孔压探头的布置、孔压探头与计算机系统的信号传输、驱动装置与计算机系统电脑及推板3的连接；

按模拟试验的情况采集沉积物7样品，并将其均匀铺设在底质桶4内并固结一段时间；

模型确定步骤，根据推板3上下移动使流体桶2内液体介质8的液位高度变化，建立推板3与液位高度模型；

由于流体桶2内水位起伏变化与推杆伸入水体内的体积有关，在推杆的截面积为不变量或有规律的可变量时，推杆伸入水体内的体积与其高度成正比关系，因此基于推板3初始高度的基础上，建立推板3高度与液位变化高度的模型，提取出某一点位置的波高随时间变化的数据，将其转化为波浪引起的水位变化随时间变化的数据输入电脑。

建立推板3高度与液位变化高度的模型后，进而在计算机系统上，通过设定波浪的波高、波长、周期等参数，控制驱动机构5动作的，实现推板3上下移动的自动控制。

以流体桶2、推板3、底质桶4均为同竖向对称轴的圆筒体为例，说明推板 3与液位高度模型建立过程。

底质桶4的内径为r1、外径为r2、高为h1；流体桶2的内径为r3、外径为 r4、高为h2；推板3的内径为r5、外径为r6、高度为h3。

图4a所示推板3位于移动过程状态，为底质桶4上端到流体桶2桶底之间的任意位置。

图4b所示推板3位于初始状态，推板3移动的上限位置为与底质桶4上沿平行的位置，此时流体桶2内具有最小的水位高度hmin，即该位置是推板3初始高度。

图4c所示推板3位于液位最大高度状态，推板3移动的下限位置为流体桶 2的内底面，此时流体桶2内具有最大的水位高度hmax。

因此，本孔压响应装置能够模拟的最大波高H＝hmax-hmin。

底质桶4与流体桶2所围环状面积为：

其中，S流内为流体桶2内径所围面积，S底外为底质桶4外径所围面积，r3为流体桶2内径，r2为底质桶4外径。

推板3的桶体截面积为：

其中，r6为推板3外径，r5为推板3内径。

当推板3在流体桶2上的H高度范围内单向移动了h板距离时，对水位产生的变化为：

当模拟的波高为H模拟、周期为T时，需要流体桶2水位在T时间内，完成以hT为振幅的变化，此时：

则有：

按照模拟的工况需求换算好推板3移动的距离及周期等参数，因此，模拟波高为H模拟时，只需使推板3以一定的振幅上下移动即可。

试验步骤，需确定好初始推板3的位置，打开孔压探头采集装置，开始模拟波浪作用，并记录试验开始结束的时间及孔压变化数据情况；

后处理步骤，试验结束后，停止设备运行，清理水槽内沉积物7，对获取的孔压变化数据进行整理和利用。

实施例二

如图5所示，本实施例中的推板3为柱形，同时将底质桶4向流体桶2内壁一侧移动贴近，以保证推板3具有较大的活动空间。且利用底质桶4贴近流体桶2壁处对水体的阻挡回流，增加底质桶4内沉积物7受海浪冲击的可模拟情况。其他设备及孔压响应的测试过程与实施例一相同。

由于推板3的截面为圆形或矩形，和圆形筒体类似，柱形推板3的截面也属于不变量，因此，推板3伸入水体的体积和高度成线性的比例关系，进而可以模拟出所需要的水体液位高度。

当推板3在流体桶2上的H高度范围内，单向移动了h板距离时，产生的水体体积变化为：

V＝S板×h板＝(S流内-S板)×h上

从而可以得到液位高度h上为：

其中，S流内为流体桶2内径所围面积，S板为推板3的截面积。

实施例三

如图5所示，本实施例中的推板3为圆锥形，锥形的锥顶部向下，即推板3 向下移动进入水体后，对水体体积及液位高度的变化调节不断增大，即圆锥形伸入水面内的截面积不断变大，并可以获得推板与液位高度模型；推板3上移时，与之相反。利用该特点，可以增强模拟波浪的强度，获得动态的沉积物7 内部孔压响应测量数据，其他方面与实施例二相同。

本实用新型未详尽描述的技术内容均为公知技术。