[發明專利]一種吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統

有效

• 申請號: 202110291342.3
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113125308B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 黃茂松;羅鑫權;時振昊
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N13/04
• 分類號: G01N13/04;G01N15/08
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

本發明涉及一種吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統，包括模型箱主體、土體顆粒、模型吸力桶、加載架、導向桿、螺紋加載管、電機、鐵磁金屬塊、電磁鐵、力傳感器和電源，加載架固定連接在模型箱主體的內部，并位于模型吸力桶的上方，電機安裝在加載架上，螺紋加載管的內部設有貫通的通孔，導向桿位于該通孔內，螺紋加載管內側還設有第一凹槽，該第一凹槽的上端設有電磁鐵，下端設有鐵磁金屬塊，導向桿的外側設有與鐵磁金屬塊的形狀相配合的連續的第二凹槽；試驗系統還設有連接導向桿的力傳感器和測量模型吸力桶和加載架之間距離的位移傳感器。與現有技術相比，本發明具有擾動少、功能豐富、操作簡單、試驗精度高等優點。

技術領域

本發明涉及巖土工程物理實驗模擬技術領域，尤其是涉及一種吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統。

背景技術

吸力桶是上端封閉下端開口的基礎形式，廣泛應用于海上風電基礎。吸力桶在砂土中負壓沉貫時，負壓一方面減小了吸力桶的貫入阻力，另一方面當滲流過大時會發生滲透侵蝕。發生滲透侵蝕時，桶內細顆粒隨水流被帶出，桶內土體產生質量損失且孔隙比發生變化，桶內土體的滲透性和力學特性也會發生變化，從而影響到吸力桶的沉貫和上拔特性。因此可研究吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統亟待進一步開發。

傳統的吸力桶沉貫與上拔模型試驗存在幾個明顯的問題，包括：

1、現有技術無法實現原位且無損地量化吸力桶沉貫與上拔過程中土體滲透侵蝕的程度。

2、現有模型試驗系統無法實現吸力桶沉貫與上拔過程的無擾動過渡。傳統試驗往往需要在吸力桶負壓沉貫完成之后，手動將吸力桶與沉貫控制系統脫開，再將其與加載裝置進行連接。這一過程可對吸力桶位置及周圍土體產生嚴重擾動，進行影響后續觀測的上拔試驗結果。

3、現有流量測定技術難以應用于流速對吸力桶滲透侵蝕的影響研究。為在模型試驗中研究流速對滲透侵蝕的影響，施加的流速會從低至高具有很大的變化范圍。現有流量測定技術，難以同時保證在低流速和高流速范圍的測量精度。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在無法實現吸力桶沉貫與上拔過程的無擾動過渡的缺陷而提供一種擾動少、功能豐富、操作簡單、試驗精度高的吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種吸力桶沉貫與上拔誘發滲透侵蝕現象的試驗系統，包括模型箱主體、設置在模型箱主體內的土體顆粒、設置在土體顆粒上部的模型吸力桶，

所述試驗系統還包括加載架、導向桿、螺紋加載管、電機、鐵磁金屬塊、電磁鐵、力傳感器和為整個系統供電的電源，所述加載架固定連接在所述模型箱主體的內部，并位于所述模型吸力桶的上方，所述電機固定安裝在所述加載架上，所述螺紋加載管的外側設有外螺紋，所述電機的輸出端連接所述外螺紋，用于驅動螺紋加載管上升或下降，所述螺紋加載管的內部設有貫通的通孔，所述導向桿位于該通孔內，所述螺紋加載管內側還設有第一凹槽，該第一凹槽的上端設有所述電磁鐵，下端設有所述鐵磁金屬塊，所述導向桿的外側設有與所述鐵磁金屬塊的形狀相配合的連續的第二凹槽；

所述模型吸力桶的上表面中部設有所述力傳感器，該力傳感器連接所述導向桿的一端，所述試驗系統還包括用于測量所述模型吸力桶和加載架之間距離的位移傳感器；

當電磁鐵通電后，吸引鐵磁金屬塊上升，此時，模型吸力桶自然沉貫；沉貫到位后，斷開電磁鐵，鐵磁金屬塊卡入導向桿的第二凹槽內，電機通電，帶動螺紋加載管、導向桿、力傳感器和模型吸力桶整體上拔；此過程中，通過位移傳感器和力傳感器獲取沉貫和上拔實驗數據。

進一步地，所述第一凹槽、電磁鐵、鐵磁金屬塊和第二凹槽均為圓環狀。

進一步地，所述圓環狀的鐵磁金屬塊由多個球形鋼珠組合構成，所述第二凹槽的截面為圓弧形。