[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

摘要

本发明公开了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，该设备包括为饱和砂土地基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；对海上风机上部结构模型施加水平循环荷载的位移控制加载系统和力控制加载系统；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和桩模型的位移、桩模型的应变、砂土表面位移的测量系统；用于给所述渗透力系统、位移控制加载系统、力控制加载系统和测量系统进行供电，保证各个系统能够长期稳定运行的不间断电源系统；本发明还公开了该设备的试验方法；本发明适用范围广，可用于石油平台、海上风机等多种海洋工程结构。

主权项

长期水平循环荷载下海洋工程桩基础试验模拟设备，包括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)；其特征在于：还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)；；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)；所述渗透力系统(A)包括由顶盖(4)、上筒(5)、下筒(6)和底座(7)组成的密闭承压模型箱，通过进水阀(9)连接在顶盖(4)上的增压变频水泵(8)，设置在顶盖(4)上的排气阀(11)，设置在底座(7)上的出水阀(10)，设置在下筒(6)上部的泄水阀(12)，在上筒(5)上部对称地设置四个法兰盘(15)；压力水通过增压变频水泵(8)由密闭承压模型箱顶部进水阀(9)压入饱和砂土地基(1)和饱和砂土地基(1)下部的透水板(13)后，从密闭承压模型箱底部出水阀(10)排出；增压变频水泵(8)持续地将压力水从顶部送入密闭承压模型箱，保证入土前密闭承压模型箱内的水压恒定；稳定后，能够实现土体内的稳定渗流，从而保证模型的应力应变与原型一致；所述位移控制加载系统(B)和力控制加载系统(C)根据不同的试验方案选择其一使用；所述位移控制加载系统(B)包括通过托盘(18)和法兰盘(15)固定于密闭承压模型箱侧壁上的减速电机(17)，减速电机(17)的转轴与偏心轮(19)连接，穿过法兰盘(15)中心的水平杆(21)通过连接杆(20)与偏心轮(19)连接；水平杆(21)穿入密闭承压模型箱侧壁处设置有动密封圈(23)；在水平杆(21)端部连接一段弹簧(22)，并将弹簧(22)与海上风机上部结构模型(3)相连；减速电机(17)转动带动偏心轮(19)转动，通过连接杆(20)的传动，使水平杆(21)以相同的位移做水平往复运动；由于弹簧(22)与水平杆(21)连接，其伸长量等于水平杆(21)的位移，所述力控制加载系统(C)包括通过法兰盘(15)固定于密闭承压模型箱侧壁外的液压油缸(24)，液压油缸(24)的加载杆(30)通过动密封圈(23)穿过密闭承压模型箱侧壁作用于海上风机上部结构模型(3)，加载杆(30)端部安装防水抗压型力传感器(31)，油箱(27)的出油口通过管路依次连接油泵(28)、伺服溢流阀(25)和液压油缸(24)的进油口，液压油缸(24)的出油口连接冷却过滤器(26)，冷却过滤器(26)连接油箱(27)的进油口；液态油从油箱(27)流出，经过油泵(28)加压和伺服溢流阀(25)的压力调节后进入液压油缸(24)，推动加载杆(30)水平运动；为保证加载杆(30)施加在海上风机上部结构模型(3)的力恒定，根据防水抗压型力传感器(31)实时反馈的信息，控制柜(29)调节油泵(28)出油的压力，并调整伺服溢流阀(25)的压力限额，当油压超过该限额时，伺服溢流阀开启，进行泄压；通过控制柜(29)调节油泵(28)和伺服溢流阀(25)，还能改变力的频率、幅值和波形参数；为避免长期运行中油温升高、油中掺入杂物而导致的事故，从液压油缸(24)流出的油需先经过冷却过滤器(26)，再进入油箱(27)重复使用；所述测量系统(D)包括固定于顶盖(4)上的水压力传感器(32)，固定于饱和砂土地基(1)泥面处的防水抗压型LVDT位移传感器(33)，安装于密闭承压模型箱的顶盖(4)下部的两个防水抗压摄像头(35)，贴在插入饱和砂土地基(1)内的每个桩身上的多个应变片(34)；所述不间断电源系统(E)包括大容量UPS(36)以及连接大容量UPS(36)与渗透力系统(A)、位移控制加载系统(B)、力控制加载系统(C)和测量系统(D)的电缆(37)。