一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置的制作方法

本发明涉及臂式土工离心机、波浪力模拟等领域，具体为一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置。

背景技术：

土工离心模型试验是一种物理模拟研究手段，比原型缩小n倍的模型土体，在离心机高速旋转所提供的n倍重力加速度的超重力场中，模型中各对应点的应力场与原型一致，数值相同。当模型土体与原型相同，原型的性状特别是土体应力应变关系和强度的非线性，都能够在模型中能够得到最大程度的再现。如果能够在离心模型试验中模拟出波浪循环往复作用力，土工离心模型试验就成为在波浪条件下，研究水下航道边坡稳定性、地基变形、土和结构物相互作用最理想的物理模拟手段。

目前，适合在臂式土工离心机中模拟动态波浪力的装置、设备或试验方法不多，主要有：非接触式循环波浪荷载模拟器系统，以及通过步进电机控制压力转换阀门开合实现循环加压的方案。前者对于试验的模型制备有特殊的要求，而且试验水位不能准确模拟；后者的出力有限。因此，需要开发一种简易的土工离心机中模拟动态波浪力的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置，以解决现有技术中至少一技术问题。

实现上述目的的技术方案是：一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置，包括模型箱，其内部为中空结构，其上部设有箱盖；振动板，水平的设于所述中空结构中，动力机构，安装于所述模型箱，且连接于所述振动板，所述动力机构用以为所述振动板提供振动力；海床模型，设于所述模型箱的底部，所述海床模型用以提供土质层；液体层，位于所述海床模型上，所述液体层的液面与所述振动板接触；传感器，设于所述土质层与所述液体层相接的边缘处，所述传感器用以实时采集压力数据。

在本发明一较佳的实施例中，所述土质层从下至上依次包括细沙层、粉质粘土层、淤泥质粘土层以及表土层。

在本发明一较佳的实施例中，当进行波浪力模拟实验时，所述土质层设有一坡面，该坡面从所述细沙层向所述表土层延伸。

在本发明一较佳的实施例中，该坡面的坡比范围为1:2-1: 3。

在本发明一较佳的实施例中，所述动力机构包括电机，固定于所述箱盖上，所述箱盖上设有通孔；传动杆，其上部铰接于所述电机的机轴，其下部穿过所述通孔铰接于所述振动板的一侧；连接件，其上部固定于所述箱盖，其下部铰接于所述振动板的中心。

在本发明一较佳的实施例中，所述电机与所述传动杆通过一铰接件铰接；所述振动板与所述传动杆通过一铰接件铰接；所述连接件与所述振动板通过一铰接件铰接。

在本发明一较佳的实施例中，所述液体层的液面与所述振动板水平中心线齐平。

在本发明一较佳的实施例中，所述的臂式土工离心机中的波浪力模拟装置还包括数据采集分析系统，用以采集和分析所述传感器所采集的压力数据。

在本发明一较佳的实施例中，所述传感器包括孔隙水压计。

本发明的优点是：本发明的臂式土工离心机中的波浪力模拟装置，能够更加准确有效的模拟波浪力，结构简便、易于操作，而且成本较低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释。

图1是本发明实施例的波浪力模拟装置结构示意图。

图2是本发明实施例的试验时波浪力模拟装置剖视图。

其中，

1模型箱； 2振动板；

5液体层； 6传感器；

11中空结构； 12箱盖；

31电机； 32传动杆；

33连接件； 34铰接件；

41细沙层； 42粉质粘土层；

43淤泥质粘土层； 44表土层。

具体实施方式

以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

实施例，如图1所示，一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置，包括模型箱1、振动板2、动力机构、海床模型、液体层5、传感器6以及数据采集分析系统（图未示）。

模型箱1的内部为中空结构11，其上部设有箱盖12。本实施例中，模型箱1设置成长方体。箱盖12的预设位置设有通孔。

动力机构包括电机31、传动杆32、连接件33以及多个铰接件34。其中，电机31水平固定在箱盖12上，传动杆32穿过所述通孔，传动杆32的上部通过一铰接件34铰接于电机31的机轴上，传动杆32的下部通过另一铰接件34铰接于振动板2的一侧，振动板2水平的设置于中空结构11中，连接件33固定在箱盖12的内顶面，连接件33通过一铰接件34铰接于振动板2的中心。所述动力机构用以为所述振动板2提供振动力。振动的振幅可通过更换不同长度的传动杆32实现振幅；振动的频率可通过电机31转动频率的调节实现。

海床模型设于所述模型箱1的底部，海床模型用以提供土质层，海床模型可以包括一种土层，也可包括多种土层，也可包含结构物，且不限形状。本实施例中，土质层设有4层，从下至上依次包括细沙层41、粉质粘土层42、淤泥质粘土层43以及表土层44。

液体层5位于所述海床模型上，液体层5的液面与振动板2接触；为了达到较佳的测试效果，本实施例中，液体层5的液面与所述振动板2水平中心线齐平。

传感器6为孔隙水压计。该传感器6设于所述土质层与所述液体层5相接的边缘处，所述传感器6用以实时采集压力数据。传感器6用以实时采集压力数据，并将该压力数据传递至数据采集分析系统，数据采集分析系统用以采集和分析所述传感器6所采集的压力数据。数据采集分析系统为常见的数据采集分析系统，对此不再赘述。

当进行波浪力模拟实验时，所述土质层设有一坡面，该坡面从所述细沙层41向所述表土层延伸。该坡面的坡比范围为1:2-1: 3。优选为1:2.5。

例如，某港口某港池的航道系急需进行扩建，航道边坡的坡度对工程量影响较大，航道边坡稳定性主要取决于土体自身的强度，尚受波浪、潮流及船行波的影响。试验利用本发明提供的一种臂式土工离心机中的波浪力模拟装置及其试验方法，开展了坡比为1:2.5的挖泥边坡航道在波浪力作用下的稳定性研究，模型设计图参见图2，模型的几何比尺为1/100，原型波浪频率为0.4Hz，根据离心模型试验相似律，离心加速度为100g，波浪力模拟装置的振动频率为40Hz。

试验步骤如下：

步骤S1）在模型箱1中制备挖泥边坡航道模型，请参见附图2，具体地，挖泥边坡航道模型包含4层土，坡面的坡比为1:2.5；航道坡面的特定位置中埋设有孔隙水压计；模型水位与振动板2中心齐平。

步骤S2）将振动板2与模型箱1顶盖相铰接；将连杆穿过模型箱1顶盖上的开槽，和振动板2进行铰接；将电机31固定在模型箱1顶盖上；将连杆与电机31相铰接。

步骤S3）将装好装置的模型箱1顶盖固定于模型箱1上。

步骤S4）将模型箱1吊装至离心机试验平台上；将传感器6连接至数据采集系统；通过离心机功率滑环为电机31提供动力。

步骤S5）启动臂式土工离心机达到给定的离心加速度后，启动波浪力模拟装置，强迫模型箱1内的水体作周期运动，在水中产生周期作用力来模拟波浪力，研究波浪力的影响。

步骤S6）试验结束，停止装置，停止离心机，分析模型经受波浪力作用后的特性，拆除模型和装置。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。