[发明专利]模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统

说明书

技术领域

本发明涉及海底管道工程、海洋土力学及海洋基础工程技术，尤其是一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统。

背景技术

海底油气管道、海底电缆、光缆等海底管系结构作为有效的海底运输与通讯手段，已在全球海洋工程中被广泛应用。对于缺乏填埋、加固措施的深海管道，海底管系结构在海洋波流环境下工作，易受到循环载荷的影响而发生地基土体承载能力降低、管系结构附加嵌入等现象，严重时可能发生管系结构失稳破坏，造成巨大的经济损失和环境灾害。

在海洋环境中，单向海流沿侧向流经床面上非埋管道时，受到粘滞力、绕流压力差，绕流尾涡脉动的影响，管道的侧向受力可以简化为一个与床面成一定角度、由较大的常荷载和幅值较小的正弦载荷相叠加的循环载荷。而当海底管道路径出现弯曲时(常见于水下长输管道)，季节性水温变化、输运物质速度波动等因素也将在管系结构侧向产生循环载荷。循环载荷来源复杂，周期、幅值跨度大，对地基土体的影响也因此较为复杂；一方面，排水能力较弱的地基在高频率大幅度的循环载荷作用下，可能由于孔压消散不及造成土体液化而促使结构失稳破坏；另一方面，循环载荷也可能增大海底管道埋深，从而提高管系结构侧向、轴向稳定性。因此，研究侧向周期荷载下海底管系结构与床面土体相互作用的特征和机理，对未来深海工程中确保海底管道稳定性而言非常重要。

目前，针对海底管系结构在静载荷下的极限承载能力的研究已经日趋完善，同时可生成常荷载的加载装置也较为成熟。参见：

^【1】Gao,F.P.,Yan,S.M.,Yang,B.,Luo,C.C.,2011.Steady flow-induced instability of a partially embedded pipeline:pipe–soil interaction mechanism.

^【2】Wagner,D.A.,Murff,J.D.,Brennodden,H.,Sveggen,O.,1989.Pipe–soil interaction model.Journal of Waterway,Port,Coastal,Ocean Engineering 115(2),205–220.

然而，在循环载荷下管土动力作用的问题尚存在较大的研究空间；现在普遍使用的液压伺服循环加载设备也存在技术复杂、研制成本高等不足。

发明内容

本发明提供一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，用于克服现有加载方法的不足，实现简化设备构造，并达到降低设备成本的目的。

本发明提供一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，包括循环载荷加载装置、约束装置以及测量装置；其中：

循环载荷加载装置，用于向置于床面上的管道两端的中心轴施加循环载荷，包括：

传动装置，将电机输入的匀速转动转换为模拟正弦的往复转动；输入端与电机主轴传动连接，输出端与位移载荷转化装置连接；

所述位移载荷转化装置，将上述往复转动转化为指定常荷载与模拟正弦荷载叠加的循环荷载；包括线筒、加载弹簧以及第一配重块；所述线筒中心轴与所述传动装置输出端连接；所述第一配重块通过绳索绕设在线筒上；所述加载弹簧一端通过绳索绕设在所述线筒上，另一端连接在所述管道中心轴上；

位移修正装置，用于根据所述管道的位移调整绳索的长度，使得循环载荷不因多周期的累积管道位移而发生衰减；包括单向轴承，所述线筒包括所述线筒中心轴和套设于所述线筒中心轴上的外筒，所述单向轴承设置在所述线筒中心轴与外筒之间；

测量装置，用于实时测量所述管道沿床面的水平位移、垂直床面方向的嵌入深度以及所述管道以及管道周围土体在循环载荷下孔压；包括用于测量施加在所述管道上循环载荷拉力的拉力传感器、用于测量所述管道沿床面水平位移的水平激光位移传感器、用于测量所述管道垂直床面方向的嵌入深度的垂直激光位移传感器、用于测量所述管道邻近土体在循环载荷下孔压变化的孔压传感器和用于对上述传感器的工作进行同步触发和采集传输的多通道数据同步采集系统。

其中，所述传动装置包括第一传动装置和第二传动装置，其中，所述第一传动装置用于将输入的匀速转动转换为往复平动；第二传动装置用于将输入的往复平动转换为往复转动。

进一步地，所述第一传动装置包括曲柄盘、连杆和滑块；

所述曲柄盘中心与所述电机主轴固定连接；

所述曲柄盘上设置有至少一个轴孔；

所述连杆一端与所述第二传动装置输入端铰接，另一端与所述轴孔铰接；