模拟一维波浪荷载对嵌入式桩‑海床响应的试验设备的制作方法

本发明涉及海洋岩土试验领域的一维模型试验仪器，具体是一种模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备。

背景技术：

波浪荷载作用下，桩和周围饱和砂质土体的相互作用机理是海洋岩土工程中复杂且意义重大的问题，该问题的研究对海工结构物设计施工和安全运营有重要的理论指导和实际应用价值，对我国的海洋资源开发、海洋工程建设及海洋工程地质安全具有重要意义。

在已有的针对波浪荷载下桩土相互作用的研究中，主要包括室内试验法、波浪条件下自由海床响应的理论模型建立方法、含结构物的海床在波浪作用下响应问题及波浪对结构物作用的处理方法等。而室内试验有三种常见方法——水箱试验、压缩试验、离心试验。水箱试验多用来测定海床内部的渗流孔压分布，但在确定试验用土的参数方面缺乏准确性。压缩试验多用于岩土工程，它能够对孔压进行较准确的模拟。以上两种试验都是在一维的重力加速度下进行的。离心试验是一种新型方法，可以使加速度达到重力的数倍，并提供准确的横向和纵向应力分布，可以充分考虑孔压的空间性。但是离心试验的发展还处于初期阶段，尚不成熟，且对试验设备的要求比较严苛，故并未得到广泛使用。

现有室内试验多注重波浪作用下土体内部的孔压及应力响应，而对含结构物的海床模拟研究较少，原因在于试验设计较为复杂，试样制备也有相当的难度。而对海床内结构物的研究多考虑波浪对结构物的直接影响，波浪引起土体内部响应对结构物的进一步影响则研究较少。通过对现有技术文献检索发现，夏云强，陈兆林在《圆筒形水工建筑物波浪荷载的试验研究》中提出了在一种无反射水槽内进行的圆筒模型试验，主要研究了不同水位下波浪直接作用在圆筒结构物上的孔压响应，得到了在波峰和波谷作用时不同的孔压分布，但并未考虑海床对结构物的影响作用，试验结果局限性较大。因此为了更好地研究波浪作用下海床与结构物的相互作用，试验方案设计和设备的适当简化是当前试验研究的关键内容。

压缩试验由于其细长的筒状结构能够对模型孔压响应进行较好地模拟，成为海洋岩土研究中常见的试验方法，同时在此基础上，加入圆形柱状结构来模拟真实海洋环境中完全埋置的桩体结构。考虑到室内试验的尺寸较小，桩体直径相比于波浪的波长小于1/20，可采用循环水压代替波浪作用，忽略波浪的横向作用，简化荷载工况，有利于试验有效进行。

技术实现要素：

本发明目的是：针对上述问题，提出一种模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备，以便能够更加便捷有效地研究波浪荷载作用下模拟桩与海床相互作用的力学响应问题。该装置采用循环水压代替波浪作用，忽略波浪的横向作用，简化荷载工况，有利于试验有效进行。

本发明的技术方案如下：

一种模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备，其特点在于该设备包括包括模拟室、波浪荷载加载装置、数据采集系统和摄影仪：

所述的模拟室包括底座、有机玻璃筒和顶盖，通过钢筋将所述的底座、有机玻璃筒和顶盖固定在一起，所述的有机玻璃筒由若干有机玻璃单元通过密封橡皮环连接而成，所述的模拟室内填有砂土，在所述的砂土中插入模拟桩，该模拟桩的直径小于波浪的波长1/20，在所述的有机玻璃筒的侧壁上设有多个孔压传感器，在所述的模拟桩的外表面设有多个应变传感器，所述的底座连接一个龙头，所述的顶盖上具有导管接头、密封孔和一个压力计；

波浪荷载加载装置由波浪荷载控制仪和气囊箱通过导管组成，所述的气囊箱装有水和气囊袋，所述的气囊箱的底部通过导管与所述的顶盖上的导管接头相连；

所述的数据采集系统包括数据采集仪和计算机，所述的应变传感器通过导线经所述的顶盖上的密封孔与所述的数据采集仪的输入端相连，所述的孔压传感器通过导线与所述的数据采集仪的输入端相连，所述的数据采集仪的输出端与所述的计算机的输入端相连；在所述的模拟室外还设有摄影仪，用于实时观测记录模型室内桩顶的竖向位移。

所述的玻璃筒的每个玻璃圆环单元筒上均有两个孔压传感器的圆形开孔，两个圆形开孔分别位于玻璃圆环单元筒的1/3和2/3高度处，在孔内放置透水石，并在透水石外部设置孔压传感器。

所述的模拟桩为两端用堵头密封的空心管桩、内部填充砂土，所述的模拟桩内的砂土的密度与所述的模拟室内的砂土密度一致。桩底部安装孔压传感器，观测桩端处的孔隙水压力。

所述的应变传感器布置在模拟桩的内表面上，分别沿桩身轴向纵向布置，以测量桩上不同位置的应变大小，所述的应变传感器须在试验前做好防水工作。

本发明的技术效果如下：

1、本发明的玻璃筒内根据具体试验要求，加入砂土并在土中插入模拟桩，以模拟实际波浪荷载作用下模拟桩与海床相互作用情况。

2、本发明模拟桩的直径小于波浪的波长1/20，可采用循环水压代替波浪作用，忽略波浪的横向作用，简化荷载工况，有利于试验有效进行。

3、在试验中通过波浪荷载仪控制气囊袋收缩改变体积，将气压变化转换为水压变化来模拟波浪荷载的传递。

4、所述的应变传感器布置在模拟桩的外表面上，可分别沿桩身横向和纵向布置，以测量桩上不同位置和方向的应变大小。

5、在所述的模拟室外还设有摄影仪，可对试验中模拟桩的桩身位移进行无线测量。

附图说明

图1为本发明模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备实施例的模拟室示意图。

图2为本发明模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备实施例的加载装置示意图。

图3为本发明模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备实施例的数据采集系统示意图。

图4为本发明模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备实施例的整体装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步介绍：

请参阅图1至图4，由图可见，本发明模拟一维波浪荷载对嵌入式桩-海床响应的试验设备的具体实施例，包括：

所述的模拟室包括底座2、有机玻璃筒1和顶盖3，通过钢筋14将所述的底座2、有机玻璃筒1和顶盖3固定在一起构成，所述的有机玻璃筒1由若干有机玻璃单元通过密封橡皮环22连接而成，所述的模拟室内填有砂土5，在所述的砂土5中插入模拟桩4，在所述的有机玻璃筒1的侧壁上设有多个孔压传感器8，在所述的模拟桩4的外表面设有多个应变传感器9，所述的底座2连接一个龙头10，所述的顶盖3上具有导管接头12、密封孔13和一个压力计11；

由波浪荷载控制仪6和气囊箱7通过导管组成加载装置，所述的气囊箱7内装有水17和气囊袋16，所述的气囊箱7的底部通过导管15与所述的顶盖3上的导管接头12相连；

所述的数据采集系统包括数据采集仪18和计算机19，所述的应变传感器9通过导线20经所述的顶盖上的密封孔13与所述的数据采集仪18的输入端相连，所述的孔压传感器8通过导线21与所述的数据采集仪18的输入端相连，所述的数据采集仪18的输出端与所述的计算机19的输入端相连；

在所述的模拟室外还设有摄影仪。

所述的有机玻璃筒1的每个玻璃圆环单元筒上均有两个孔压传感器的圆形开孔，两个圆形开孔分别位于玻璃圆环单元筒的1/3和2/3高度处，在孔内放置透水石，并在透水石外部设置孔压传感器8。

所述的模拟桩4由PVC管制成，在桩两端加上塑料堵头，内部填充砂土，所述的模拟桩4内的砂土的密度与所述的所述的模拟室内的砂土5的密度一致。

所述的应变传感器9布置在模拟桩的内表面上，分别沿桩身轴向纵向布置，以测量桩上不同位置和方向的应变大小，所述的应变传感器9须在试验前做好防水工作。模拟一维波浪荷载的单根嵌入式模拟桩-海床响应圆筒模型试验设备的一个具体实施例，该设备包括：

由若干有机玻璃圆筒1通过密封橡皮环连接、圆筒不锈钢底座2和不锈钢顶盖3组成的模拟室，室内设有模拟桩4和砂土5作为模拟桩—海床试验模型；

由可将气压转换为水压模拟波浪荷载的循环荷载控制仪6和气囊箱7组成的加载装置；

用于收集模拟室中位于玻璃筒侧壁上的孔压传感器8和桩周应变传感器9的参数信息的数据采集系统。

本实施例中，所述的模拟室包括：圆筒钢支架底座2、单元高度200mm且内外径分别为205和225mm的玻璃筒1、用于连接两圆筒单元的橡胶圈22、防止圆筒连接处渗水的玻璃套环22、圆筒顶部的不锈钢顶盖3、顶盖上的压力计11、密封孔13以及高硬度导管接头12、筒内布置砂土5和模拟桩4。

所述的模拟波浪荷载的加载装置包括波浪循环荷载控制仪6和由气囊袋16和水17组成的气囊箱7，荷载控制仪6、气囊箱7和模拟室之间均用高硬度塑料导管15连接，在试验中通过波浪荷载仪6控制气囊收缩改变水压来传递荷载。

所述的数据采集系统包括单元圆筒侧壁上的孔压传感器8、布置于模拟室内桩身上分别沿纵向和横向的应变传感器9、数据采集仪18以及记录试验过程数据的计算机19。数据采集仪18与计算机19通过网线进行连接，应变传感器接线20从模拟室内部通过顶盖密封孔13引出，并与孔压传感器接线21一起连接到数据采集仪19上。

再结合图1至图4所示，现将本发明一维圆筒压缩模型试验设备的使用方法介绍如下，该方法主要包括以下几个步骤：

(1)在实验开始前，将所选用的砂土5晒干，然后通过实验测定该砂土5的颗粒级配情况以及孔隙比，然后计算砂土5的相对密实度D_r作为试验中的变量。同时在实验前将足量的水注入容器内进行密封抽气，以保证试验过程中不受水中气体的影响，确保土体能够达到饱和。

(2)采用实心模拟桩4进行试验，模拟桩采用PRC管桩，桩径取为4.5cm，管壁厚度为0.5cm，长度为40cm。在桩身上布置好应变传感器9，同时做好传感器防水工作并将接线引出。应变传感器9布置完成后在桩身两端加上PRC塑料堵头，内部填充与试验所用相同的砂土并密封。

(3)搭建圆筒模拟室前，用水平尺测定钢支架底座2，确保底座水平。然后将洗净的橡胶圈均匀地涂上硅脂，置入底座的卡槽内，再将一个玻璃筒单元1套入底座2上按压稳定。此时将预先称重好的砂土5等分三次倒入玻璃筒中，每次倒入后捣实，并按相同的方法组装下一个玻璃单元。在完成第二个玻璃单元的砂土填充后，将表面土层压平，将模拟桩4竖直至于土层表面，并用水平仪确保模拟桩4一直水平，然后继续填充剩余砂土5，直至填满第四个玻璃筒单元。第五个玻璃单元不装填砂土，待玻璃圆筒1组装完毕之后，将应变传感器接线20从顶盖密封孔13中引出，然后装上钢质顶盖3，最后用四根钢筋14在顶盖3四角固定好顶盖与底座。圆筒模形室由5个单元筒1组成，有效高度为1m。

(4)将圆筒模拟室与气囊箱7通过高硬度塑料管15相连，容器中的除气水通过气压缓慢压入模拟室圆筒，水充满模拟室后，会继续通过塑料管15压入气囊箱7中，最终除气水会充满整个模拟室和气囊箱7，此时即可关闭注水龙头10。由于要控制注水速度较慢不使水流冲散已捣实的砂土5而出现孔隙，因此整个注水过程用时较长，可在注水过程中开合相应龙头开关来观察是否出水，以确保注水均匀。同时要注意及时排出注水过程中可能出现的气泡，并在模拟室灌满水后放置一天确保砂土5饱和，同时控制顶盖压力计11在土层表面持续20小时加载100kpa的水压，以模拟真实的近海潜水条件。

(5)事先对孔压传感器8和应变传感器9进行标定。正式进行实验时，将孔压传感器接线20和应变传感器接线21接入数据采集器18，并将数据采集器18与计算机19相连，打开计算机试验操作软件，监控试验进行过程并记录实验数据。

(6)将气囊箱7与波浪循环荷载控制仪6连通，根据试验要求调节荷载控制仪6加载的频率和波峰高度值，并将荷载控制仪的气压表23的最大输出气压值的调为0.1Mpa，同时调节控制仪的旋钮24，使得模拟室顶盖3上的压力计11指针至合适位置，以便在试验中获得理想的读数。最后通过荷载控制仪6改变试验循环次数N，之后即可开始试验并采集数据。

(7)考虑到本试验只测量了圆筒内侧壁的孔隙水压，故可以在桩身或桩身内部布置孔压传感器，来测量桩身附近的孔压数据，以获得更好的试验结果。同时，桩身材料除了使用PVC塑料管之外，根据具体试验需求也可采用有机玻璃等其他材料，以提高研究内容和对象的多样性。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

试验表明，本发明具有下列优点：

1、本发明的玻璃筒内根据具体试验要求，加入砂土并在土中插入模拟桩，以模拟实际波浪荷载作用下模拟桩与海床相互作用情况。

2、本发明模拟桩的直径小于波浪的波长1/20，可采用循环水压代替波浪作用，忽略波浪的横向作用，简化荷载工况，有利于试验有效进行。

3、在试验中通过波浪荷载仪控制气囊袋收缩改变体积，将气压变化转换为水压变化来模拟波浪荷载的传递。

4、所述的应变传感器布置在模拟桩的外表面上，可分别沿桩身横向和纵向布置，以测量桩上不同位置和方向的应变大小。

5、在所述的模拟室外还设有摄影仪，可对试验中模拟桩的桩身位移进行无线测量。