[发明专利]用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的简易装置及其方法

摘要

本发明涉及海洋工程技术领域，一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的简易装置及其方法，其中：简易装置包括土槽，锚，第一、二力传感器，第一、二、三MEMS加速度传感器，数据采集系统及加载装置；测量方法包括以下步骤：步骤1、确定锚的初始位置，步骤2、对锚进行加载及承载力的测量，步骤3、对锚在土中运动轨迹的测量。本发明装置和测量方法得到了最大简化，仅利用三个MEMS加速度传感器和两个力传感器，就可以确定锚在土中的运动轨迹和承载力随时间变化的关系曲线；本发明适用性广，可用于预测不同形状和构造的锚的运动轨迹和承载力；另外，本发明中使用的MEMS加速度传感器体积小，质量轻，价格低，测量精度高，极大改善了试验装置的简洁性，提高了测试方法的精确性。

主权项

1.一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的简易装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、确定锚的初始位置：在锚眼距滑轮水平距离为x0的位置，采用加载装置将锚铅垂方向压入土中，锚眼的初始埋深z0由加载装置中自带的位移传感器确定，并同时测量出滑轮到土表面的高度h；步骤2、对锚进行加载及承载力的测量：加载装置以设定好的速度不断拉紧锚链，使锚链上的力不断增大，当锚链传递到锚上的作用力大于土体抗力时，锚开始运动；在此过程中，采用第一MEMS加速度传感器记录锚的转角α，通过第一力传感器测定锚上的承载力Ta，通过第二MEMS加速度传感器测量锚眼位置处力的角度θa，通过第二力传感器测定锚链入土点处的总承载力T0，通过第三MEMS加速度传感器测定锚链入土点处力的方向θ0；步骤3、对锚在土中运动轨迹的测量，包括以下子步骤：(a)在常规重力场中，锚的转角通过第一MEMS加速度传感器两个相互垂直方向上的加速度分量a1和a2计算得到，并通过公式(1)确定出锚的转角α，α＝tan‑1(a2/a1)    (1)式中：a1表示垂直方向加速度分量，a2表示水平方向加速度分量，在离心模型试验中，通过第一MEMS加速度传感器不仅可测得锚的转角，还可以通过公式(2)确定锚在土中的埋深，式中，acc为离心机中第一MEMS加速度传感器位置处的加速度，ω为离心机转动的角速度，R为第一MEMS加速度传感器至离心机中轴的距离，R0为土表面至离心机中轴的距离，z为土表面至第一MEMS加速度传感器的深度；(b)锚链入土位置距离滑轮的水平距离x由公式(3)求得，x＝h/tanθ0    (3)式中，h表示滑轮底部距离土表面的高度，θ。表示第三MEMS加速度传感器测得的锚链入土点的上拔角度；(c)通过三个MEMS加速度传感器和两个力传感器，可以直接确定5个参数，分别为α、Ta、θa、T0、θ0；在离心模型试验中，由第一MEMS加速度传感器还可以确定锚的埋深za，作用在锚链上的力包括四个部分：即沿锚链切线方向的拉力T、摩擦力F，法线方向的抗力Q以及锚链的自重w，锚链自重通常可以忽略，所以锚链在土中深度z处的拉力Tz和倾角θz可通过锚链方程式(4)和(5)求得，式中，Tz表示锚链在土深度z处所受的拉力，T0表示锚链入土点受到的拉力，μ表示锚链所受切向阻力F和法向阻力Q的比值，θ0表示入土点处锚链上力的方向与水平方向的夹角，θz表示深度z处锚链上力的方向与水平方向的夹角，法向力Q可通过公式(6)求得，Q＝Nc·su·D    (6)式中，Nc为锚链的承载力系数,su为土的不排水抗剪强度，D为锚链的等效直径，如果是砂土，公式(6)改成砂土地基中基础承载力计算公式即可，由公式(4)可知，当深度z达到锚眼深度za时，由第二、第三MEMS加速度传感器和第一、第二力传感器测到的θa，θ0，Ta，T0，可求出μ，将公式(4)推出的μ代入公式(5)中，从土表面沿深度逐渐向下积分，可以确定出任一深度z处对应的锚链倾角θz，直到锚链倾角达到θa时，对应的深度为锚眼处埋深za，锚链入土点和锚眼位置之间的水平距离通过公式(7)求得，由锚眼处和锚链入土点之间的竖直距离za和水平距离xa，通过公式(8)、(9)确定出锚在竖直方向和水平方向的位移改变量Δz、Δx，Δz＝z0‑za    (8)Δx＝x0‑x‑xa    (9)；所述简易装置，包括土槽，锚，第一、二力传感器，第一、二、三MEMS加速度传感器，数据采集系统及加载装置，所述锚上分别开有凹槽及锚眼，所述第一MEMS加速度传感器置于凹槽内，并用环氧树脂封装，确保第一MEMS加速度传感器的轴线与锚的轴线平行；在靠近所述锚眼位置处串联布置有第一力传感器和第二MEMS加速度传感器，在位于所述土槽中土表面的上方串联布置有第二力传感器和第三MEMS加速度传感器，所述锚眼通过锚链与第一力传感器的一端连接，第一力传感器的另一端通过锚链与第二MEMS加速度传感器的一端连接，第二MEMS加速度传感器的另一端通过锚链与第三MEMS加速度传感器的一端连接，第三MEMS加速度传感器的另一端通过锚链与第二力传感器的一端连接，第二力传感器的另一端通过锚链及滑轮与加载装置连接，所述第一、二力传感器及第一、二、三MEMS加速度传感器分别与数据采集系统连接。