阅读说明：本技术 模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台 (Indoor test platform for simulating marine multiphase load coupling effect ) 是由 梁发云 袁野 王琛 梁轩 于 2019-08-07 设计创作，主要内容包括：本申请海洋荷载模拟技术领域,提供一种模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台。该试验中,放置土样的土槽安置在小型波流水槽中段的底部,小型波流水槽中的水流及波浪作用可通过波流系统(主要由造流机和造波机组成)进行控制和调节,实现海洋环境中的波流综合作用。同时,土槽底部设有两块小型水平振动台,上部设有若干多向动力加载装置,可与波流系统协同工作,以此实现对多场耦合作用的模拟,也可单独使用,开展地震或动力方面的研究。与现有试验装置相比,本申请操作简单,占地面积小,可以模拟海洋多相荷载耦合作用,开展实验室内海上风电、海上平台和跨海大桥在多灾害作用下基础-土体系统的灾变机理和承载性能演化。(The application provides an indoor test platform for simulating marine multiphase load coupling effect in the technical field of marine load simulation. In the test, the soil tank for placing the soil sample is arranged at the bottom of the middle section of the small wave current water tank, and the water flow and wave action in the small wave current water tank can be controlled and adjusted through a wave current system (mainly comprising a current generator and a wave generator), so that the wave current comprehensive action in the marine environment is realized. Meanwhile, the bottom of the soil tank is provided with two small horizontal vibration tables, the upper part of the soil tank is provided with a plurality of multidirectional power loading devices, and the multidirectional power loading devices can work in cooperation with a wave flow system, so that the simulation of the multi-field coupling effect is realized, and the multidirectional power loading devices can also be used independently to conduct the research on the aspects of earthquakes or power. Compared with the existing test device, the experimental device is simple to operate, occupies a small area, can simulate the marine multiphase load coupling effect, and develops the catastrophe mechanism and the bearing performance evolution of the foundation-soil body system under the multi-disaster effect of the offshore wind power, the offshore platform and the cross-sea bridge in the laboratory.)

模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台

技术领域

本申请属于海洋荷载模拟技术领域，尤其涉及一种模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台。

背景技术

21世纪称为海洋资源开发的世纪，世界各国纷纷将开发海洋、发展海洋经济作为国家发展重要战略。地震、波浪、潮汐、风暴等自然灾害严重威胁着海洋工程安全。在水利、港口、海岸和近海工程中，结构物遭受暴风、波浪、水流等极端条件引起的水平荷载以及力矩的共同作用，极易产生倾斜甚至倾覆，这将对国家和人民造成巨大的经济损失。近年来，我国也在大力实施“科技兴海、依法管海”战略。为此，国内外科研院所、重点实验室积极开展多灾害作用方面的研究，建立了一批针对特定灾害条件的试验中心，开发了一系列相应试验设备。但国内外已有的试验设备都存在模拟条件单一的问题。现有的相关试验设备主要分为两类，一类是波流实验室，另一类是岩土模型试验槽。传统的波流实验室，例如美国联邦高速公路局水利实验室，多关注海洋结构物的水力特性，不考虑岩土介质以及结构-土体相互作用。而国内实验室，例如大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，上海交通大学海洋工程国家重点实验室，又存在着水、土试验分开，仅能单向造波等问题。而岩土模型试验槽则不能模拟波流作用，无法考虑复杂水流条件的耦合问题。建立一个模拟海洋多相荷载耦合作用室内试验平台是开展海上风电、海上平台和跨海大桥在多灾害作用下研究的必然需求。

发明内容

本申请的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台，通过动水力加载系统和多物理场模拟系统的有机结合，通过设定振动台及多向动力加载装置动力参数来模拟地震作用，通过调节动水力加载系统水利参数来模拟海洋中土体的接触冲刷，利用监测设备观察记录土体变形的发生与演变过程，克服已有试验设备模拟条件单一的问题，实现对海洋多相荷载耦合作用的模拟，为开展海上风电、海上平台和跨海大桥在多灾害作用下研究工作提供设备基础。

本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台，包括水力加载系统、地震模拟系统、风暴模拟系统和数据采集处理系统；其中水利加载系统、地震模拟系统、风暴模拟系统共同组成多物理场模拟系统；

水力加载系统包括水循环装置、造流与造波系统；水循环装置采用小型波流水槽，造流与造波系统包括造流机和造波机，造流机和造波机均固定于小型波流水槽的前端，试验过程中在小型波流水槽中产生恒定水流或固定参数的波浪，并通过调节造流机与造波机控制输出流体的水力参数，达到动水力加载的目的，且造流机与造波机在试验过程中产生的水流将在小型波流水槽内形成完整回路；同时小型波流水槽内部的前后两端各设有一个沉砂池，前端的沉砂池位于造流与造波系统的后方，用以去除水流中原有泥沙，同时稳定水流，后端的沉砂池在其顶部向后延伸段设有滤网，通过降低流速和使用滤网回收试验过程中水流携带的泥沙，以保证循环水的纯净。当试验采用含有化学试剂的水时，需要在沉砂池延伸段增设水净化装置。

地震模拟系统包括土槽、双向振动台；土槽设置于小型波流水槽的中段下方，且土槽的顶部安装有可拆卸的顶板，土槽与小型波流水槽之间通过土槽的顶板隔断；试验时，拆除试验区域土槽的顶板，待试验完成后将试验区域土槽的顶板重新安装，避免土槽的土体污染小型波流水槽，保证试验环境整洁；土槽用于盛放试验土样，且其分为前中后三段，其前段用于生成所需的动水力条件、波流状态、暗流状态，其中段左右两侧设有可拆卸挡板，试验中可视需求实现土槽中土体的局部加宽，主要在此段完成地震和振动状态的模拟，试验过程中，试验对象通过其下部结构放置于土槽中段的试验土样上，其后段主要用于收尾和吸收反射波，并回收试验中产生的泥沙；土槽的可加宽段内底部设有两个双向水平振动台，通过改变施加在土槽底部的地震动参数，实现不同地震波的输入。双向水平振动台工作时，其内部驱动轴进行正向或反向转动驱动曲柄滑块结构运动，曲柄滑块结构运动带动双向水平振动台运动，从而实现双向水平振动台在前后方向或左右方向的双向振动。

在本申请中，试验对象可以采用缩尺桥梁及海上风机模型，且试验对象通过其下部结构置于土槽内。

风暴模拟系统包括若干水平激振器，水平激振器用于对位于小型波流水槽中的试验对象上部结构进行动力加载，并通过改变施加在试验对象上部结构上的动力参数，实现对试验对象上部结构风暴作用下动力响应的模拟。

水平激振器的高度及水平位置可以根据试验对象所需的加载位置进行调节。具体的，小型波流水槽中段在其位于土槽上部的区域设有纵向及横向的反力架，反力架下端的小型波流水槽内侧壁设有反力架轨道，反力架可移动地安装在反力架轨道上，并可根据试验对象的位置沿反力架轨道进行水平移动，水平位置确定后后通过螺栓固定反力架上；进一步，水平激振器可上下移动地安装在反力架上。

数据采集处理系统包括监测设备和反馈调控装置；反馈调控装置用于根据监测设备实时反馈的土底与试验对象上部结构的实际动荷载输入情况，及时调整水力加载系统、地震模拟系统、风暴模拟系统以达到实际输入荷载和理想输入一致的目的；监测设备包括分别与反馈调控装置连接的流速测定仪、激光位移计、加速度计、应力应变采集系统及孔压传感器；

流速测定仪安装在小型波流水槽的内侧壁，并位于前端的沉砂池和试验土样之间，用于测定流速并输出至反馈调控装置；且流速测定仪距离试验土样不能太近，既要保证所测流速是冲刷土体的真实流速，也要避免其对水流的干扰对冲刷过程产生的影响；反馈调控装置与造流机、造波机的驱动设备连接，并根据流速测定仪输出的流速参数驱动造流机、造波机调整以控制水流流速；

激光位移计可以通过与小型波流水槽侧壁相连接的支架安置于土槽中段上方，用于测定土体的变形情况、以及激光位移计到试验土样之间的距离，并输出至反馈调控装置，反馈调控装置根据其变化情况可得到土体冲刷变形情况；

双向水平振动台与试样土样的接触面，试样土样的内部，试样土样的表面及试验对象的上部结构表面均装有加速度计，用于分别量测地震动的实际输入值，土表加速度，基础-结构物应变并输出至反馈调控装置，通过处理器中预置的现有程序进一步计算得到弯矩和应力；同时反馈调控装置还与双向水平振动台连接，并根据加速度计输出的数据参数通过控制双向水平振动台调节输出地震波的动力参数；

应力应变采集系统及孔压传感器中的孔压传感器根据试验方案进行布置，可安装于土槽试验区并位于试验对象下方，其将检测到的信号传送至应力应变采集系统中，用以测量试验过程中的孔压变化情况；

反馈调控装置中预置有存储部件，用于同步存储存储流速测定仪、激光位移计、加速度计、应变采集系统及孔压传感器在试验过程中的数据，实现动态量测；反馈调控装置还与水平激振器连接；双向水平振动台、造流与造波系统、水平激振器可以分别通过反馈调控装置控制，并按照实际情况，可以独立输入，也可以联合输入。

加速度计的输入与采集装置连接，用于实时获得地震动的实际输入值和土表加速度，其输出与由水利加载系统、地震模拟系统，风暴模拟系统共同组成的多物理场模拟系统的驱动连接，用于控制振动台及激振装置动作和速率。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

本申请能够对海洋多相荷载耦合作用进行试验模拟，反映海洋中土体变形的演变过程，为开展海上风电、海上平台和跨海大桥在多灾害作用研究提供了设备支持。同时本申请设备构造简单，操作方便，占地面积小，能够快速和高效的对工程土体的工程特性进行评估，为工程的进行提供实用的参数。

附图说明

图1为本申请实施例提供的模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台的侧视图；

图2为本申请实施例提供的模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台的俯视图；

图3a为图2所示1-1截面的剖面图；

图3b为图2所示2-2截面的剖面图；

图3c为图2所示3-3截面的剖面图。

附图标记说明

1为小型波流水槽、2为土槽、3为试验土样、4为双向水平振动台、5为造流与造波系统、6为流速测定仪、7为激光位移计、8为加速度计、9为应力应变采集系统及孔压传感器、10为沉砂池、11为滤网、12为水流、13为反力架、14为水平激振器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请专利进行详细说明。

如图1至图3c所示，一种模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台，包括小型波流水槽1、土槽2、试验土样3、双向振动台4、造流与造波系统5、流速测定仪6、激光位移计7、加速度计8、应力应变采集系统及孔压传感器9、沉砂池 10、滤网11、反力架13、水平激振器14、反馈调控装置。

土槽2设置于小型波流水槽1中段下侧，且土槽2与小型波流水槽1之间通过土槽2的顶板隔断，试验时，拆除试验区域土槽2的顶板，待试验完成后将试验区域土槽2的顶板重新安装，避免土槽2的土体污染小型波流水槽1，保证试验环境整洁。

进一步，土槽2等分为前中后三段，其中，土槽2的前段用于生成所需的动水力条件、波流状态、暗流状态；土槽2的中段左右两侧设有可拆卸挡板，实验中可视试验需求实现土槽2中土体的局部加宽，并主要在此段完成地震和振动状态的模拟；土槽2的后段主要用于收尾和吸收反射波，并回收试验中产生的泥沙。

造流与造波系统5包括造流机和造波机，造流机和造波机均固定于小型波流水槽1的前端，试验过程中在小型波流水槽1中产生恒定水流或固定参数的波浪，且通过调节造流机与造波机控制输出流体的水力参数，从而达到动水力加载的目的。小型波流水槽1在造流与造波系统5的后方设有沉砂池10，以去除水流中原有泥沙，同时稳定水流。小型波流水槽1的后端同样设置有沉砂池10，小型波流水槽1后端沉砂池10顶部向后延伸段设有滤网11，通过降低流速和使用滤网11 回收试验过程中水流携带的泥沙，以保证循环水的纯净。当试验采用含有化学试剂的水时，需要附加水净化装置。

土槽2的可加宽段内底部设有两块双向水平振动台4，通过改变施加在土槽2 底部的地震动参数，实现不同地震波的输入。

小型波流水槽1中段在其位于土槽2区域的上部设有纵向及横向的反力架13，反力架13下端的小型波流水槽1内侧壁设有反力架轨道，反力架13可前后移动地安装在反力架轨道上，沿反力架轨道进行水平移动，待移至指定位置处可通过螺栓固定；水平激振装置14通过螺栓固定于反力架13上，通过改变施加在试验对象上部结构上的动力参数，实现对试验对象上部结构风暴作用下动力响应的模拟。

在本申请中，试验对象可以采用缩尺桥梁及海上风机模型，其中试验对象的下部结构置于土槽2内。

双向振动台4，造流与造波系统5，水平激振器14均可通过反馈调控装置控制，按照实际情况，可以独立输入，也可以联合输入。

流速测定仪6安装在小型波流水槽1的内侧壁，并位于前端的沉砂池10和试验土样3之间，用于测定流速，反馈调控装置根据测定的流速通过造流机、造波机控制和调整水流流速。

双向水平振动台4与试样土样3的接触面，试样土样3的内部，试样土样3 的表面及试验对象的上部结构表面均装有加速度计8，用于量测地震动的实际输入值，土表加速度，基础-结构物应变，并通过反馈调控装置预置的现有程序进一步计算得到弯矩和应力；应力应变采集系统及孔压传感器(9)中的孔压传感器根据试验方案进行布置，安装于土槽试验区试验对象下方，将信号传送至应力应变采集系统中，用以测量试验过程中的孔压变化情况。

此外，反馈调控装置可同步存储流速测定仪6、激光位移计7、加速度计8、应变采集系统及孔压传感器9在试验过程中的数据，实现动态量测。

本申请提供的模拟海洋多相荷载耦合作用的室内试验平台的试验步骤如下：

步骤(1)打开试验土样区域土槽2的顶板，将试验对象置于试验平台内，试验对象包括置于土槽2内的下部结构，及与之连接的上部结构；

步骤(2)打开造流与造波系统5，向小型波流水槽1内注水，并根据需要通过反馈调控装置调节输出流体的水力参数；

步骤(3)打开流速测定仪6，得到实际流速，并根据流速测定仪6的输出参数驱动造流与造波系统5，调整和控制水流流速；

步骤(4)打开双向水平振动台4，根据需要通过反馈调控装置调节输出地震波的动力参数；

步骤(5)通过加速度计8量测地震动的实际输入值，土表加速度，基础-结构物应变，用于调整和控制地震波的输入，同时，将所得数据输入反馈调控装置，通过已有程序进一步计算得到弯矩和应力；

步骤(6)移动反力架3至根据试验模型参数及试验方案设定的所需位置，通过螺丝固定。打开水平激振器14，根据实际需要增设和调整水平激振器14位置，数量及参数，实现对上部结构的动力响应模拟；

步骤(7)监测并记录、应力应变采集系统及孔压传感器8的数据；通过激光位移计7输出数据观察土体变形的产生与发展；

步骤(8)试验结束后，关闭造流与造波系统5、双向振动台4和多向动力加载装置13，打开排水阀门，排出压力液体，回收沉积泥沙，清理下游滤网，关闭小型波流水槽底板。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。