[发明专利]一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的测量海洋环境对桩基性能影响的装置，具体说来，是一种测量波浪循环往复作用对桩基水平承载性能影响的装置。

背景技术

随着对海洋资源开发利用的深入，海洋工程构筑物所面临的环境恶劣程度也逐步增加。对于近海海域的工程构筑物，桩基础由于具有施工简便、承载能力高以及能适应多种工程地质条件，成为最为常用的基础型式之一。然而面对复杂而恶劣的外界荷载综合作用，桩基础变形可能超出容许值甚至产生失稳破坏，进而影响海洋工程构筑物的正常使用甚至发生事故。

海洋工程桩基础在环境荷载作用下多呈现出水平承载性能减弱的趋势。海洋工程桩基础多以承受水平荷载作用为主，在实际应用中上部结构对桩的侧向变形要求较为严格（桩基的侧向变形必须小于容许值），过大的侧向变形可能造成上部结构无法工作同时也可能造成结构破坏，而桩基侧向变形则认为与桩基的水平承载性能相关。除了水平工作荷载作用外，桩基一般都承受长期的波浪荷载作用。波浪荷载的长期循环往复作用会令桩周土抗力弱化，表现出桩基的侧向变形逐步累积、增大，桩基水平承载性能下降。在目前海洋工程桩基设计中如何较为准确地评估桩基在波浪作用后水平承载性能的下降，尚无成熟的方法，这也是该类桩基础设计工作的关键问题之一。

目前国内外对桩基在波浪作用下的承载特性进行了大量研究，许多学者设计、实施循坏荷载作用下桩基模型试验。此类研究中，部分学者采用激振器或者电动机循环加载装置来模拟波浪荷载，无法准确地模拟海洋环境中波浪对桩基和土体的影响，尤其是波浪对土体的弱化作用无法得到体现；此外，也有部分学者采用波浪水槽模拟桩基的波浪荷载作用，但是这类研究多将模型桩一端固定，即以固定约束代替土体的作用。为改进上述的不足，本发明利用波浪水槽模拟波浪环境，并设计了相关加载装置对桩基施加水平荷载，可以便捷的测定桩基在波浪作用前后水平承载性能的变化，进而为该方面的研究和设计提供有益的参考。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置及方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置，包括设置于水槽内的造波板、斜坡底座、水槽凹槽和消波装置，所述造波板设于水槽的一端，用于模拟波浪环境；所述消波装置设于水槽的另一端，用于消除波浪反射；斜坡底座与水槽凹槽所形成的区域中放置模型桩并填充有模型土，所述模型桩上部穿过水体且顶部高出波浪作用面，所述模型桩上部安装有加载装置，所述加载装置及模型桩周围安装有传感器，所述传感器与数据采集装置相连接。

具体地，所述传感器包括浪高仪、位移传感器、测力计、应变片、加速度传感器及孔压计。

具体地，所述浪高仪用于波浪率定，竖直固定于前支架上，且位于模型桩与造波板之间的水槽凹槽上方。前支架由大于水槽宽度的顶板和前竖杆构成且固定在水槽两壁上端。

具体地，所述位移传感器用于测量水平荷载作用下的桩顶位移，固定于前支架的后竖杆底部。

具体地，所述型桩顶部设置有套筒，所述套筒上设置拉环，所述位移传感器的探针前端接触于模型桩的套筒前端。

具体地，模型桩与消波装置之间的水槽上方固定有后支架，后支架前竖杆下方固定下滑轮，后支架顶板后部中间开槽并固定上滑轮，加载板与拉环之间采用钢丝绳连接，钢丝绳穿过下滑轮和上滑轮且在拉环与下滑轮之间的设置测力计。

具体地，所述应变片用于测量波浪作用时桩身应变，桩长均匀设置在模型桩上，且沿桩身圆周截面对称布置；所述速度传感器用于测量桩顶位移变化，设置于桩顶套筒上的开孔处。

具体地，所述孔压计用于测量波浪作用下土体孔隙水压力变化，设置在模型土内部不同深度处。孔压计固定于下支架上，下支架的底座设置于水槽凹槽底部且在模型桩前后对称设置两个。

本发明同时提出上述装置的测量方法，包括装置的安装和测量，其中安装步骤如下：

1、在水槽中段部位设置水槽凹槽，在水槽凹槽前后的水槽底部放置两个斜坡底座；水槽凹槽开槽深度与斜坡底座高度根据所需模拟的模型桩的实际入土深度决定。

2、在模型桩内壁粘贴应变片并且涂抹硅胶做防水处理，模型桩的底部设置封底圆片并在桩顶安装套筒，在下支架的预定位置上安装孔压计，在水槽凹槽与斜坡底座所构成的空间中分层填入模型土，并在预定位置处放入模型桩；

3、填土完毕后，在水槽中蓄水至预定静水面；将波高仪以及位移传感器安装至前支架，把前支架固定于模型桩前的水槽顶壁上，使得波高仪位于模型桩与造波板之间并且位移传感器探针顶于桩帽前端；