[发明专利]可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装、受荷模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装、受荷模拟试验装置，本发明的试验装置主要包括：外桶、钢土、线圈、模型桩、步进电机等。本发明通过缠绕在外桶两端的线圈形成的匀强磁场给钢土提供超重力环境，还原缩尺模型试验中的土体真实应力状态，通过加压孔注入高压空气模拟海洋深水环境中高压力条件，外桶上盖板与外桶筒身通过卡扣固定实现严格密封。本发明的试验装置设备简单，操作方便，结果准确。本发明解决了目前相应的试验仪器无法模拟海洋深水环境下的高压环境以及模型缩尺效应带来的土压力无法还原的问题，试验效率高，操作灵活，优势突出。

技术领域

本发明属于土木工程试验技术领域，涉及一种可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装受荷模拟试验装置及方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，世界众多国家都加紧进行海洋资源的探索与开发。由于海洋环境十分恶劣，风、浪等循环荷载持续作用，海洋结构物的建设过程中出现了诸多技术问题，比如海洋桩基与深海海床土体的循环作用问题等，而通过试验研究是目前最为可靠的技术手段。开展深海环境中的结构物与土体的试验，还原深水条件下的高压环境及海床土体的真实应力状态是十分困难的。目前来看，在模型试验中还原土体的真实应力状态只能通过离心机试验的方式，离心机通过高速旋转给土体施加离心力，实现土体的超重力环境，从而保证缩尺模型受到的土体作用力与实际工况中一致。但是，离心机试验费用高昂，操作难度大并且对也难以同时实现深水高压力环境。

发明内容

本发明针对室内试验过程中深海高压力环境模拟问题，在现有技术中存在很多不足，无法模拟实际工况的情况下，提出了一种可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装、受荷模拟试验装置。本发明通过钢土在匀强磁场作用下受到恒定竖向力来提供土体的超重力环境，还原土体实际的应力状态，再通过高压空气来模拟深海环境中的高压海水。具有可模拟深度范围大，试验流程简洁等诸多优点，解决了科研过程中试验仪器无法模拟海洋深水环境和还原真实地应力的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装、受荷模拟试验装置，包括外桶、设于外桶中的两个线圈、模型桩、步进电机一、步进电机二；所述的外桶内装有钢土；所述的其中一个线圈位于钢土下方，另一个线圈位于钢土上方；所述的外桶的内壁上设有交叉钢架上；所述的步进电机一安装在交叉钢架上，用于将模型桩压入钢土中；所述的步进电机二设于外桶的侧壁上，用于对模型桩施加水平荷载。

上述技术方案中，进一步地，所述的两个线圈分别固定在外桶的上下部，其直径和两个线圈之间的间距与外桶的外径相同，两个线圈通电形成匀强磁场；钢土在匀强磁场的作用下受到竖直向下的场作用力，实现土体的超重力环境，还原与缩尺模型对应的土体真实应力状态。

进一步地，所述的外桶的材质为铝合金，不受磁力影响。

进一步地，所述的外桶侧面设有加压孔和钢化玻璃视窗。

进一步地，所述的步进电机二的端部设有加载杆，加载杆另一端设有套箍，所述的模型桩穿过套箍与加载杆相连。

本发明还提供一种可还原海洋深水压力场及地应力场的桩基安装、受荷模拟试验装置测试方法，该方法基于上述的可模拟海洋深水环境下吸力桶安装过程的试验装置实现，具体试验方法如下：将模型桩竖直置于钢土表面，调整模型桩位置，使模型桩轴线与步进电机一轴线处于同一直线上，盖上上盖板；线圈通电使匀强磁场强度达到设计值，实现超重力环境，确定依据为模型桩的缩小比例；通过加压孔充气加压至设计压力，压力值根据需要模拟的海水深度进行确定；开启步进电机一将模型桩压入钢土中，直至达到设计深度；再开启步进电机二通过加载杆对穿过套箍的模型桩施加水平荷载。

本发明的发明原理为：