[发明专利]波浪作用下海床动力响应实验设备及模拟实验方法

说明书

本发明提供了一种波浪作用下海床动力响应实验设备，其包括透明且封闭的筒体和伺服荷载施加系统，筒体的底部填充有模拟海床的土层，土层的顶面上填充有水层，土层和水层所对应的筒体壁上间隔设置有压力传感器；伺服荷载施加系统包括伺服电动缸，伺服电动缸内设置有活塞，活塞通过直线电机驱动作往复运动，伺服电动缸通过传压管与筒体内的水层连通；直线电机和压力传感器分别与计算机控制系统电连接。本发明还提供了一种模拟0～100m水深条件下波浪引起海床动力响应的实验方法，通过伺服荷载施加系统给实验设备中的土层施加高静水压力和波浪脉动压力。

技术领域

本发明涉及土木工程中海洋土力学模拟技术领域，特别涉及波浪作用下海床动力响应实验设备及模拟实验方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，海洋资源逐渐受到重视，越来越多的海洋结构物在海岸建造出来。沿海岸的工程结构几乎建造在海床中，相当一部分建造在砂质或淤泥质海床中。在波浪作用下，海床表面将受到周期性流体压力作用，土体变形和孔隙水压力也将呈现出周期性变化。在一定条件下，海床可能出现动力失稳，从而造成其上结构物发生安全事故。因此探讨波浪作用下海床土体的动力响应具有重要意义。

目前探讨波浪作用下海床动力响应的已有方法主要有理论分析、数值模拟和试验研究。上述三种方法各有利弊，均是必不可少的方法。关于试验方法，目前主要有水槽试验和水池试验。然而，由于试验室条件的限制，水槽和水池的水深不能太大，几乎在5m以下，而实际海洋水深可能在几十米以上，由此模型与原型存在一定差异，必须依靠相似理论来推广模型试验结论。并且由于某些相似条件不能得到完全满足，现场的一些现象在试验室无法模拟。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种可模拟0～100m水深条件下波浪引起海床动力响应的实验方法，同时提供一种在该方法中使用的模拟实验设备。

为了达到上述发明目的，本发明提供一种波浪作用下海床动力响应实验设备，其包括透明且封闭的筒体和伺服荷载施加系统，筒体的底部填充有模拟海床的土层，土层的顶面上填充有水层，水层底端的筒体壁上设置有压力传感器；伺服荷载施加系统包括伺服电动缸，伺服电动缸内设置有活塞，活塞通过直线电机驱动作往复运动，伺服电动缸通过传压管与筒体内的水层连通；直线电机和压力传感器分别与计算机控制系统电连接。

进一步地，计算机控制系统包括工控机，工控机与直线电机之间依次电连接有运动控制器和直线电机驱动器，活塞上固定连接有光栅尺，光栅尺与直线电机驱动器电连接。

进一步地，筒体固定于可移动推车上，可移动推车的底部设置有脚轮和升降支座。本设备静止时，通过升降支架和脚轮支撑；需要移动本设备时，收起升降支架，通过脚轮将本设备与地面之间的滑动摩擦力变为滚动摩擦力，从而达到省力的目的。

进一步地，筒体顶部设置有自来水入口和排气口，底部设置有抽水口和排水口，抽水口和排水口上安装有过滤网。自来水入口给筒体内注水，在注水的同时从排气口将原筒体内的气体排出，在注水完成后，关闭排气口；过滤网可以防止泥沙进入管道造成堵塞。

进一步地，抽水口上连接有抽水泵，自来水入口、排气口和排水口上均设置有控制开闭的阀门。由于筒体容积大，内装的水较多，抽水泵可以让筒体内的水快速排出，节省实验时间，提高实验效率。

使用上述设备进行的波浪作用下海床动力响应实验模拟方法包括：

工控机根据输入的海床实际受力情况，采用海浪波谱公式计算出压力运动信号发送给运动控制器；

运动控制器将所述压力运动信号转换成驱动直线电机的运动的位移量信号，并驱动直线电机运动；

直线电机带动伺服电动缸内的活塞移动产生的压力变化通过传压管传入筒体内的水层激发水层产生静水压力和波浪脉动压力；

压力传感器采集水层中的静水压力和波浪脉动压力，并将其反馈给运动控制器；