[发明专利]水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法

说明书

本发明涉及一种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法，包括步骤：将流槽与实验箱连接，流槽上安装组合式造浪闸门；实验箱内装载地基和标记点阵和网格线，将冲刷防护结构敷设于地基表面，并安装基础；开启组合式造浪闸门制造波浪效应；启动竖向加载模块，对基础施加荷载；通过拍照和录像，对实验过程进行记录。本发明的有益效果是：能够模拟无保护地基受到水流冲刷、有保护地基受到水流冲刷、不同形态和构造的冲刷防护结构等多种工况下水流冲刷对于基础结构的响应的影响；交变式流槽系统设有组合式造浪闸门，能够模拟地基和基础处的多重复合水力作用环境。

技术领域

本发明涉及一种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法，同时对地基和冲刷防护结构施加冲刷作用、对基础施加荷载作用进行实验，并能对地基、冲刷防护结构和基础变形的过程进行捕捉分析，适用于实验模拟并分析水下基础等建筑物受到水流冲刷效应、冲刷防护效应及多维荷载效应耦合作用的场景。

背景技术

位于近海或河湖内的水下基础结构，受到波浪、潮汐以及水流冲刷作用的影响，基础结构周围的地基表层颗粒会被水流冲走，在基础结构周围形成带有一定深度和形态的侵蚀坑。根据基础结构尺寸、流体弗劳德系数、水产生的剪应力及地基性质的不同，极端工况下，侵蚀坑的深度有时可数倍于基础结构的宽度/直径，极大降低了基础结构的承载力，极易酿成工程事故。

通过在地基表面敷设冲刷防护结构，可避免侵蚀坑的形成，从而有效保障基础的设计承载性能。同样，在业已形成的侵蚀坑中回填冲刷防护材料，消除侵蚀坑，也能一定程度上恢复基础的设计承载性能。水力冲刷作用形式、地基和冲刷防护结构材料性质、水动力强度、外荷载作用性质、波浪形态、频率及持续时间等的不同，将对建造于河、湖、海边的建造物、构筑物的基础产生不同的影响。通过实验定量研究特定地基材料和基础形式在不同流体水力环境下的冲刷发展过程，不同冲刷防护材料和防护结构形式在特定水力环境下的工作性能，以及无防护冲刷下和冲刷防护作用下基础承载性能的不同变化趋势，是基础结构设计的重要组成部分。但鉴于实际工程中的基础尺寸过于庞大，通过原型实验对原型基础进行安装、加载、测量和拔出等各个步骤耗时耗力，且实验结果容易受自然因素，如温度、天气、水文、人为等的影响，单一参数的变化产生的作用和机理难以明确，因而在实际工程中对原型基础开展实验研究是个难题。

因此，亟需一种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法，对冲刷破坏发展过程中地基、冲刷防护结构形态和破裂面的发展变化，以及地基、冲刷防护结构内部质点的迁移过程进行高精度捕捉和描绘，对冲刷破坏以及冲刷防护过程的数值模拟和机理阐明进行研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法。

这种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，包括：交变式流槽系统，地基和冲刷防护系统，加载和测量系统，颗粒运动捕捉和视频采集系统；

所述交变式流槽系统包括流槽，四条流槽相交于实验箱；所述流槽与实验箱相接处设有垫块；流体在流槽中流动；流槽内设有组合式造浪闸门；

所述地基和冲刷防护系统包括实验箱、地基、冲刷防护结构和基础，所述实验箱内装载有地基，实验箱表面和地基内部均设有标记点阵和网格线；地基内掺有标记颗粒或示踪粒子；地基上部一定范围内敷设有冲刷防护结构；基础贯穿冲刷防护结构伸入地基内；

所述加载和测量系统通过加载支架安装于实验箱上方，加载支架侧面安装有横向电动机，横向电动机连接横向螺杆；加载支架顶面安装有横向滑轨和竖向电动机，竖向电动机下部连接有竖向滑轨、竖向螺杆和加载臂形成竖向加载模块，横向螺杆转动时竖向加载模块沿横向滑轨滑动，竖向加载模块通过连接机构连接基础顶部；

所述颗粒运动捕捉和视频采集系统安装于实验箱侧面和上部，包括激光扫描仪、高频照相机和摄像机。