一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置及方法，该装置包括水槽、模型土、模型桩、后支架、加载板、位移传感器、应变片、加速度传感器。在水槽内设置有造波板、波高仪和消波装置，其中段底部设置凹槽，凹槽两边设置斜坡底座，斜坡底座和凹槽所围成的区域设置模型土，模型桩嵌固于模型土中。该方法是在由水槽造波板生成的波浪作用前后，通过后支架及加载板对模型桩施加水平荷载，基于前后两次水平荷载位移曲线明确波浪作用对桩基水平承载性能的影响。本发明专利技术真实反映了海洋桩基所处工程环境，通过控制波浪要素和水平荷载，准确施加外部荷载条件，并且通过采集应变片、位移传感器和加速度传感器数值，准确获得桩身内力与变形。

【技术实现步骤摘要】
一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置及方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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；4、将下滑轮安装至后支架的前竖杆下方，并在后支架的顶板后部中间开槽并固定上滑轮；钢丝绳连接一端连接拉环并连接测力计，再穿过下滑轮和上滑轮，另一端连接加载板；把后支架固定于模型桩后的水槽的顶壁上，并且保持对模型桩水平加载时加载板位于水面以上；5、将加速度传感器安装至套筒开孔处，通过导线将位移传感器、加速度传感器、孔压计和应变片连接至数据采集装置；测量步骤如下：1、待所有安装工作完成后，将本装置静止24小时，随后调试数据采集装置，确认所有测试原件工作正常后，在加载板上进行堆载，同时根据测力计的读数控制堆载值；通过分级施加水平静荷载以及从位移传感器获得的数值，获得波浪作用前的桩基水平承载特性；2、拆除本装置，重新开展填土和相关模型、仪器的安装工作，钢丝绳的前端暂时不连接拉环；静止24小时后，使用造波板生成指定波浪，对模型桩实行一定次数的波浪作用，并且通过数据采集仪记录位移传感器、孔压计和应变片的过程数据，获得波浪作用下的桩基内力、土体响应特性；3、停止波浪作用，钢丝绳连接拉环，施加与未作用波浪前同等条件的水平静荷载作用，获得波浪作用之后的桩基水平承载特性；4、对比前后两次桩基水平静载试验，明确波浪对桩基水平承载性能的影响，获得不同试验阶段桩身内力与变形以及波浪作用期间的土体响应。有益效果：与现有设计相比，本专利技术具有以下显著的进步：1.相比已有的装置，本专利技术可以模拟真实波浪环境中海洋工程桩基水平承载行为，通过对比波浪荷载作用前后桩基水平承载试验得到的荷载位移曲线差异，明确波浪作用对桩基水平承载性能的影响，并且可以获得桩基循环响应对桩周土抗力的弱化影响。2.本专利技术装置结合了波浪水槽，通过生成波浪模拟波浪作用，相比以循环点荷载模拟波浪作用的常用方法，本装置更加真实的模拟波浪作用且可以体现波浪对土体的作用，此外结合波高仪并控制造波板的工作功率可以精确模拟多种形式的波浪，这也使本装置的具备更广泛的测量范围。3.一般波浪水槽无法设置底部土层，并且即使设置了土层，由于受水槽深度的限制，桩基的入土深度十分有限，本装置通过在水槽底部局部设置凹槽和斜坡底座的方式，使得可以设置更大的土层厚度，进而可以较好的满足模型桩的入土深度要求，更加准确的模拟海床条件。4.相比已有装置，本专利技术设置了加速度传感器和孔压计，可以分别测量波浪作用期间的桩顶位移以及桩周土孔隙水压力的变化，结合桩身应变片布置，可较为全面的反映出桩基和土体在波浪作用下的响应特征。并且相比其他接触式测位移的方法，采用加速度传感器可避免对桩响应的干扰。5.水平加载装置安装简便，加载精确。只需将后支架固定在水槽边壁上，其他装置固定在后支架上即可。通过滑轮组并利用砝码的重力实现水平荷载的稳定施加，钢丝绳中测力计的设置也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的装置，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种测量波浪对桩基水平承载性能影响的方法，其特征在于，包括装置的安装和测量，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；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；4、将下滑轮安装至后支架的前竖杆下方，并在后支架的顶板后部中间开槽并固定上滑轮；钢丝绳连接一端连接拉环并连接测力计，再穿过下滑轮和上滑轮，另一端连接加载板；把后支架固定于模型桩后的水槽的顶壁上，并且保持对模型桩水平加载时加载板位于水面以上；5、将加速度传感器安装至套筒开孔处，通过导线将位移传感器、加速度传感器、孔压计和应变片连接至数据采集装置；测量步骤如下：1、待所有安装工作完成后，将本装置静止24小时，随后调试数据采集装置，确认所有测试原件工作正常后，在加载板上进行堆载，同时根据测力计的读数控制堆载值；通过分级施加水平静荷载以及从位移传感器获得的数值，获得波浪作用前的桩基水平承载特性；2、拆除本装置，重新开展填土和相关模型、仪器的安装工作，钢丝绳的前端暂时不连接拉环；静止24小时后，使用造波板生成指定波浪，对模型桩实行一定次数的波浪作用，并且通过数据采集仪记录位移传感器、孔压计和应变片的过程数据，获得波浪作用下的桩基内力、土体响应特性；3、停止波浪作用，钢丝绳连接拉环，施加与未作用波浪前同等条件的水平静荷载作用，获得波浪作用之后的桩基水平承载特性；4、对比前后两次桩基水平静载试验，明确波浪对桩基水平承载性能的影响，获得不同试验阶段桩身内力与变形以及波浪作用期间的土体响应。2.根据权利要求1所述的一种测量波浪对桩基水平承载性能...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄挺，贺瑞，郑金海，袁宇，林捷，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32