一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置及方法与流程

本发明涉及桩基冲刷离心试验，特别是涉及一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置及方法。

背景技术：

1、大直径单桩基础作为目前海工构筑物最为主流的基础型式，其海床周围常面临水流侵蚀，且桩径越大往往形成更深的冲刷坑。与水流单独作用不同，海工构筑物桩基冲刷需要考虑波-流耦合效应，其冲刷坑的形成机理更为复杂。冲刷坑对海工构筑物的影响主要体现在以下方面：改变结构的固有频率，可能出现共振效应；降低结构的侧向承载力；降低结构的抗震性能。为研究冲刷效应下基础承载特性及结构动力响应，需基于土工离心机开展室内模型试验。

2、现有技术中，离心机试验的冲刷坑开挖装置主要包括：切削式冲刷坑开挖装置即使用切削刀具(如环刀、爪刀等)直接切割土体；振动式冲刷坑开挖装置即利用振动器产生高频振动，使土体松动；冲击式冲刷坑开挖装置即通过对土体进行冲击，使其松动破碎；液压式冲刷坑开挖装置即利用高压水流冲击土体，使其破碎。

3、利用上述开挖装置制作冲刷坑过于简单，或具有很大的随机性难以精确掌握开挖坑细节尺寸。对于实际海洋工程桩基冲刷坑，其几何尺寸大多非规则，现有装置无法很好的模拟出水流冲刷产生的冲刷坑。

4、为此，提出一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置及方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，包括：

3、定位臂机构，包括第一驱动控制系统和机械臂；所述第一驱动控制系统用于驱动所述机械臂；

4、圆盘，转动连接在所述机械臂的工作端；

5、铝棒，一端安装在所述圆盘上；

6、支架，设于所述铝棒的中上段，以使得所述铝棒能够沿其轴向位移，且径向位移受限；

7、控制机构，包括卷扬电机和伸缩控制臂；所述伸缩控制臂的伸缩轴上安装有拉杆，所述拉杆上开设有长条通孔，所述铝棒沿所述长条通孔滑动连接，并且所述铝棒底部伸出至所述拉杆外；

8、滑轮，安装在所述拉杆远离所述伸缩控制臂的一端；

9、钢丝，绕设在所述滑轮上；所述钢丝的一端与所述卷扬电机连接，另一端与铝棒的底部连接；

10、其中，所述拉杆位于所述支架的下方；所述卷扬电机和所述伸缩控制臂均电性连接有第二驱动控制系统；所述机械臂的一端安装有离心机，所述离心机用于驱动所述圆盘转动。

11、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，所述铝棒包括上铝棒和下铝棒；所述上铝棒通过第一螺栓可拆卸连接在所述圆盘的底面中心处；所述下铝棒通过第二螺栓可拆卸连接在所述上铝棒的底部；所述上铝棒的长度小于所述下铝棒的长度，所述下铝棒贯穿所述长条通孔，所述上铝棒和所述下铝棒均与所述支架滑动连接。

12、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，所述第一驱动控制系统包括驱动件和第一电脑；所述驱动件用于驱动所述机械臂，所述第一电脑与所述驱动件电性连接。

13、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，所述第二驱动控制系统包括第二电脑，所述卷扬电机和所述伸缩控制臂均与所述第二电脑电性连接。

14、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，所述下铝棒的底部设为尖端。

15、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，所述支架上贯穿开设有竖向通孔，所述上铝棒和所述下铝棒均沿所述竖向通孔滑动连接。

16、本发明还提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖方法，包括以下步骤：

17、步骤一、装置定位：通过第一驱动控制系统控制机械臂的工作端移动至开挖冲刷坑的地点，校核位置后将离心机与圆盘连接；

18、步骤二、确定开挖深度与不规则形状：对开挖深度和冲刷坑的形状进行参数确认；对于不规则形状的冲刷坑，将冲刷坑的外沿曲线拆分为若干段，得到每一段的函数曲线并记录函数；

19、步骤三、调试设备：更换对应长度的铝棒实现对开挖深度的调节；第二驱动控制系统通过步骤二得到的每一段的函数曲线，调节卷扬电机和伸缩控制臂的输出功率，实现对不规则冲刷坑的开挖；

20、步骤四、开挖冲刷坑：离心机带动圆盘和铝棒转动，第二驱动控制系统实时调节卷扬电机和伸缩控制臂，使得钢丝切割砂或土形成冲刷坑；

21、步骤五、移除挖出土：将开挖冲刷坑时钢丝刮除的土进行移除。

22、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置的施工方法，所述步骤四中，通过卷扬电机和滑轮调节钢丝的长度，并通过卷扬电机使得钢丝处于紧绷状态。

23、根据本发明提供的一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置的施工方法，所述步骤二中，将冲刷坑的外沿曲线拆分为360段，且每段的长度相同。

24、本发明公开了以下技术效果：

25、本发明可通过更换对应长度的铝棒实现对开挖深度的调节，通过第二驱动控制系统实时调节卷扬电机和伸缩控制臂，使得钢丝切割砂或土形成冲刷坑，具有开挖任意不规则坑的功能，所制作的开挖坑尺寸准确可控，提高了模拟出水流冲刷产生的冲刷坑的效果。

26、本发明的第一驱动控制系统驱动机械臂，带动圆盘和铝棒移动至开挖冲刷坑的地点，可满足不同尺寸，形状的桩基定位；提高冲刷坑模型精度和稳定性，使该装置具有更高的可开发性和可拓展性。

技术特征：

1.一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于：所述铝棒(3)包括上铝棒和下铝棒；所述上铝棒通过第一螺栓可拆卸连接在所述圆盘(2)的底面中心处；所述下铝棒通过第二螺栓可拆卸连接在所述上铝棒的底部；所述上铝棒的长度小于所述下铝棒的长度，所述下铝棒贯穿所述长条通孔(8)，所述上铝棒和所述下铝棒均与所述支架(4)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于：所述第一驱动控制系统包括驱动件(11)和第一电脑(12)；所述驱动件(11)用于驱动所述机械臂(1)，所述第一电脑(12)与所述驱动件(11)电性连接。

4.根据权利要求1所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于：所述第二驱动控制系统包括第二电脑(13)，所述卷扬电机(5)和所述伸缩控制臂(6)均与所述第二电脑(13)电性连接。

5.根据权利要求2所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于：所述下铝棒的底部设为尖端(14)。

6.根据权利要求2所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于：所述支架(4)上贯穿开设有竖向通孔，所述上铝棒和所述下铝棒均沿所述竖向通孔滑动连接。

7.一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖方法，基于权利要求1-6任一项所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖方法，其特征在于：所述步骤四中，通过卷扬电机(5)和滑轮(9)调节钢丝(10)的长度，并通过卷扬电机(5)使得钢丝(10)处于紧绷状态。

9.根据权利要求7所述的土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖方法，其特征在于：所述步骤二中，将冲刷坑的外沿曲线拆分为360段，且每段的长度相同。

技术总结
本发明公开一种土工离心机模型箱内桩基冲刷坑开挖装置及方法，装置包括定位臂机构，包括第一驱动控制系统和机械臂；第一驱动控制系统用于驱动机械臂；圆盘，转动连接在机械臂的工作端；铝棒，一端安装在圆盘上；支架，设于铝棒的中上段，以使得铝棒能够沿其轴向位移，且径向位移受限；控制机构，包括卷扬电机和伸缩控制臂；滑轮，安装在拉杆远离伸缩控制臂的一端；钢丝，绕设在滑轮上；钢丝的一端与卷扬电机连接，另一端与铝棒的底部连接；其中，卷扬电机和伸缩控制臂均电性连接有第二驱动控制系统；机械臂的一端安装有离心机。本发明具有开挖任意不规则坑的功能，提高了模拟出水流冲刷产生的冲刷坑的效果。

技术研发人员：曹欣,聂智超,卢盛欣,刘现鹏,张清清,张宇亭,吴宁宇,罗基伟,汪振
受保护的技术使用者：河北建投海上风电有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16