[发明专利]基于模型槽的波浪荷载加载装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程建设研究领域，具体涉及一种基于模型槽的波浪荷载加载装置及试验方法。

背景技术

在海洋工程建设中，桩基础受到水平循环荷载的情况非常普遍，诸如波浪荷载、风荷载以及地震荷载等，循环荷载引起的桩周土体累积变形和塑性应变增加，上部结构倾斜过大，桩周土体刚度下降，桩基承载力降低等现象得到了越来越多的重视。

当前，在对桩基础循环荷载的模拟研究中主要采用施加水平恒定位移或者恒定荷载的方法，然而海洋环境中引起循环荷载的主要因素是波浪和风荷载，两者的主要特点是荷载作用于桩基迎向荷载的一侧，理论作用面积为黏土层上桩侧面积的一半，不同于水平恒定位移和恒定荷载作用于桩侧某作用点。波浪荷载可以真实模拟海洋桩基受洋流循环荷载的情况，试验对比与恒定位移和恒定荷载加载下桩基承载力、桩基刚度和强度的区别，更好地认识海洋桩基受水平循环荷载的情况，避免单纯采用因放大安全系数确保工程安全而造成的浪费，提高经济效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种模型槽的波浪荷载加载装置及试验方法。

为解决上述问题，本发明的解决方案如下：

提供一种基于模型槽的波浪荷载加载装置，包括用于装载波浪荷载加载装置的模型槽；还包括加载系统、监测系统和防浪消能系统，各系统的具体结构和连接关系为：

所述模型槽为顶部开口的长方体箱型结构，其内部下侧装填土层，土层表面与箱体上缘之间的空间装水；在土层上方，沿模型槽的长度方向依次布置推板造波机、模型桩、防浪格栅和消能装置，其中模型桩的下半部分竖直插入土层中；在模型槽一个短边的外侧底部设溢水槽，溢水槽底部设抽水电机，抽水电机的出口通过管路接至模型槽的上缘处，用于将溢出的水抽送回模型槽内；

所述加载系统包括计算机控制器、液压伺服作动器和推板造波机；其中，计算机控制器通过电缆连接液压伺服作动器(控制产生所要求的模拟波浪频率、浪高等要素)，液压伺服作动器通过液压管路连接推板造波机(提供所需的动力)，推板造波机装设于与溢水槽相对的模型槽一侧短边处，用于推动模型槽内的水流形成波浪；

所述监测系统包括分别通过电缆接至计算机控制器的波形监测系统和应变采集系统；其中，波形监测系统包括波压器和浪高仪，波压器通过置于模型桩迎浪侧的压力探头采集压力数据传至计算机控制器，浪高仪固定在两个模型桩的中间位置用于实时记录波浪的高度变化；应变采集系统包括数据收集器和多个应变片，应变片粘贴在位于土层内的模型桩外侧的受荷载轴线上，各应变片通过电缆依次与数据收集器和计算机控制器相接；

所述防浪消能系统包括透水型防浪格栅和消能装置；其中，防浪格栅与水平方向呈60°夹角放置，并通过水平支撑件与消能装置连接；消能装置为直立开孔的双层板式结构，立于防浪格栅与模型槽短边之间。

本发明中，所述土层分为下层的砂砾层与上层的黏土层，砂砾层厚度为10cm，黏土层的表面与箱体上缘之间距离为至少20cm；消能装置与模型槽短边之间的距离为5-10cm；溢水槽由钢板围成，溢水槽与模型槽同宽，高为80cm。

本发明中，所述模型桩为空心钢管，与各应变片相接的电缆在穿过模型桩的内腔后与数据收集器相接。

本发明中，所述模型桩至少有两排，每排至少两根，每排模型桩均平行于模型槽的短边。

本发明中，所述模型槽的四个侧面和底部均为钢板；除了设置溢水槽的一侧短边之外，其余三个侧面的底部设有均匀布置的排水孔，排水孔中装有滤网。

本发明中，所述防浪格栅由钢制格栅架和附着在格栅架上的纤维制滤布组成，其背水一侧通过水平支撑件固定接于消能装置。

本发明中，所述消能装置的直立开孔的双层板式结构是指：在双层有机玻璃板材上布设开孔，开孔直径10cm，孔率为20％；两层板之间以横梁螺栓联接(可以调节两板之间距离)。

本发明进一步提供了利用前述装置进行波浪荷载加载试验的方法，包括以下步骤：

(1)填土

土层分为下层的砂砾层与上层的黏土层；先在模型槽中铺设厚度10cm的砂砾层，然后在砂砾层上铺设透水土工布，再装填黏土；黏土的装填按层进行，每填土15～20cm压实并注水，使土体充分饱和；静置后再填下一层黏土，每层土装填完成后，保证土层的表面水平，且在继续装填之前进行刮毛处理，避免人为分层；土层最终的上表面低于模型槽的上缘至少20cm以上；

(2)固结