[发明专利]长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程桩基础模型试验技术领域，具体涉及一种长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备及方法，模拟长期水平循环荷载下的桩土相互作用。

背景技术

随着海洋资源开发的脚步日益加快，海上石油平台、海上风机等海洋工程得到了迅速发展。海洋工程一直承受着诸如海风、波浪、海流等水平循环荷载的长期作用(10⁶～10⁹次循环)。在长期循环荷载作用下，上部结构、基础和地基的可靠度会有不同程度的降低。海洋工程的基础形式以桩基础为主。桩基础在长期水平循环荷载下而引起的变形过大、倾覆、断裂等破坏，会导致整体结构的破坏，造成重大的财产损失[1]。然而，目前长期水平循环荷载作用下桩基础与土的相互作用的研究较少，主要原因是缺乏有效的试验手段。在现有试验手段中：现场试验成本过高，且海水中数据不易测量；1g缩尺模型试验规律无法与原型相似，其结果不具有代表性(涉及到土体的模型试验，重要的是土体应力应变与原型相似，而不是简单的几何相似。对于一个几何尺寸缩尺1/n的土工模型试验，土体受到的重力加速度应为ng，才能保证模型的应力应变与原型相似。g表示重力加速度)；离心模型试验虽然能够提供ng的重力场、实现应力应变与原型相似，但无法长期运行(一次最多运行几小时)。

A.Zelikson等人于60年代初提出渗透力模型试验的思想。利用土颗粒在水流中受到拖拽作用对其施加体积力，即用渗透力等效重力作用，从而保证 模型与原型应力应变的一致性[2-3]。以清华大学岩土所黄文熙教授、李广信教授为首的一些学者将该方法应用于普通建筑桩基础竖向静力试验中，获得了一定的成功[4-7]。但上述试验施加的荷载为竖向静力荷载，模拟荷载的短期作用(试验周期为1天以内)，且测量的变量仅限于位移。此外，利用渗透力试验容易在土与模型箱接触面形成渗流通道，导致渗流场不均匀，影响试验结果的可信度。

海洋工程桩基础所处的荷载环境以长期荷载和水平动力荷载为主要特征。针对其特点，本发明设计了一种应用于长期水平循环荷载作用下海洋工程桩基础与土的相互作用研究的渗透力模型试验设备。本设备的先进性在于：1)实现了渗透力系统中水平静力荷载和水平循环荷载的施加；2)实现了渗透力系统中应变、位移、土压力、孔隙水压力等变量的测量；3)解决了土与模型箱接触面渗流通道的问题；4)实现了试验的长期运行(1个月)，从而能够模拟长期荷载的作用。

[1]汤虎，冲刷对海洋平台桩基水平承载性能影响的研究[D]，2012，武汉：7-8.

[2]夏素平等，模型试验体力加载方法[J]，山西建筑，2005(31):32-33.

[3]曾友金等，桩基模型试验研究现状[J]，岩土力学，2003(24):674-686.

[4]李广信等，不同加载方式下桩的摩阻力的试验研究[J]，工业建筑，1999(29):19-21.

[5]黄锋等，不同受载方式下桩侧阻的渗水力模型试验研究[J]，岩土工程学报，1998(20):10-14.

[6]方磊等，室内土工模型试验的新方法[J]，高校地质学报，1997(3):451-457.

[7]丁金粟等，用渗水力模型研究饱和土地基载荷性状[J]，岩土工程学报， 1994(16):8-20。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备及方法，适用范围广，可用于石油平台、海上风机等多种海洋工程结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备，包括为饱和砂土地基1提供源源不断的压力水，使得砂土地基中形成均匀的渗流场，从而模拟超重力环境的渗透力系统A；对海上风机上部结构模型3施加水平循环荷载的位移控制加载系统B和力控制加载系统C；用于测量进入饱和砂土地基前的水压、海上风机上部结构模型3和桩模型的位移、桩模型的应变、砂土表面位移的测量系统D；用于给所述渗透力系统A、位移控制加载系统B、力控制加载系统C和测量系统D进行供电，保证各个系统能够长期稳定运行的不间断电源系统E；