[發明專利]波浪作用下海床動力響應實驗設備及模擬實驗方法

在審

• 申請號: 201810073593.2
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108088651A
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發明（設計）人: 楊兵;鄭東生;楊濤;馮君;陶志平
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 何凡;李蕊

本發明提供了一種波浪作用下海床動力響應實驗設備，其包括透明且封閉的筒體和伺服荷載施加系統，筒體的底部填充有模擬海床的土層，土層的頂面上填充有水層，土層和水層所對應的筒體壁上間隔設置有壓力傳感器；伺服荷載施加系統包括伺服電動缸，伺服電動缸內設置有活塞，活塞通過直線電機驅動作往復運動，伺服電動缸通過傳壓管與筒體內的水層連通；直線電機和壓力傳感器分別與計算機控制系統電連接。本發明還提供了一種模擬0～100m水深條件下波浪引起海床動力響應的實驗方法，通過伺服荷載施加系統給實驗設備中的土層施加高靜水壓力和波浪脈動壓力。

技術領域

本發明涉及土木工程中海洋土力學模擬技術領域，特別涉及波浪作用下海床動力響應實驗設備及模擬實驗方法。

背景技術

隨著我國經濟的快速發展，海洋資源逐漸受到重視，越來越多的海洋結構物在海岸建造出來。沿海岸的工程結構幾乎建造在海床中，相當一部分建造在砂質或淤泥質海床中。在波浪作用下，海床表面將受到周期性流體壓力作用，土體變形和孔隙水壓力也將呈現出周期性變化。在一定條件下，海床可能出現動力失穩，從而造成其上結構物發生安全事故。因此探討波浪作用下海床土體的動力響應具有重要意義。

目前探討波浪作用下海床動力響應的已有方法主要有理論分析、數值模擬和試驗研究。上述三種方法各有利弊，均是必不可少的方法。關于試驗方法，目前主要有水槽試驗和水池試驗。然而，由于試驗室條件的限制，水槽和水池的水深不能太大，幾乎在5m以下，而實際海洋水深可能在幾十米以上，由此模型與原型存在一定差異，必須依靠相似理論來推廣模型試驗結論。并且由于某些相似條件不能得到完全滿足，現場的一些現象在試驗室無法模擬。

發明內容

針對現有技術中的上述問題，本發明提供了一種可模擬0～100m水深條件下波浪引起海床動力響應的實驗方法，同時提供一種在該方法中使用的模擬實驗設備。

為了達到上述發明目的，本發明提供一種波浪作用下海床動力響應實驗設備，其包括透明且封閉的筒體和伺服荷載施加系統，筒體的底部填充有模擬海床的土層，土層的頂面上填充有水層，水層底端的筒體壁上設置有壓力傳感器；伺服荷載施加系統包括伺服電動缸，伺服電動缸內設置有活塞，活塞通過直線電機驅動作往復運動，伺服電動缸通過傳壓管與筒體內的水層連通；直線電機和壓力傳感器分別與計算機控制系統電連接。

進一步地，計算機控制系統包括工控機，工控機與直線電機之間依次電連接有運動控制器和直線電機驅動器，活塞上固定連接有光柵尺，光柵尺與直線電機驅動器電連接。

進一步地，筒體固定于可移動推車上，可移動推車的底部設置有腳輪和升降支座。本設備靜止時，通過升降支架和腳輪支撐；需要移動本設備時，收起升降支架，通過腳輪將本設備與地面之間的滑動摩擦力變為滾動摩擦力，從而達到省力的目的。

進一步地，筒體頂部設置有自來水入口和排氣口，底部設置有抽水口和排水口，抽水口和排水口上安裝有過濾網。自來水入口給筒體內注水，在注水的同時從排氣口將原筒體內的氣體排出，在注水完成后，關閉排氣口；過濾網可以防止泥沙進入管道造成堵塞。

進一步地，抽水口上連接有抽水泵，自來水入口、排氣口和排水口上均設置有控制開閉的閥門。由于筒體容積大，內裝的水較多，抽水泵可以讓筒體內的水快速排出，節省實驗時間，提高實驗效率。

使用上述設備進行的波浪作用下海床動力響應實驗模擬方法包括：

工控機根據輸入的海床實際受力情況，采用海浪波譜公式計算出壓力運動信號發送給運動控制器；

運動控制器將所述壓力運動信號轉換成驅動直線電機的運動的位移量信號，并驅動直線電機運動；

直線電機帶動伺服電動缸內的活塞移動產生的壓力變化通過傳壓管傳入筒體內的水層激發水層產生靜水壓力和波浪脈動壓力；

壓力傳感器采集水層中的靜水壓力和波浪脈動壓力，并將其反饋給運動控制器；