【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法及试验系统，属于长期振动作用下海上风机桩土相互作用试验。
技术介绍
1、海上风电拥有风能质量更高、距离用电负荷近、不占用耕地等陆上风电难以比拟的优势。
2、海上风机所处的动力环境十分复杂，受自身运行和海洋环境循环荷载引起的持续循环振动对海上风机桩基础结构稳定性造成极大威胁。基于以往相关学者的研究与已建工程的经验，其主要体现在桩周床面土体的沉降与隆起和桩周深层土体在持续循环振动作用下产生的对流现象，上述过程会导致风机结构自由端长度增加，产生共振破坏。同时影响桩周冲刷进程，导致风机失稳倒塌的风险提高。同时，预测复杂海洋动力环境下的桩周土体最大沉降深度是海上风机设计过程中最具挑战的环节。预测不足或者过于保守可能会引起风机结构整体稳定性下降或施工成本的显著增加。因此，研究长期循环振动下桩土相互作用具有重要的意义。
3、持续振动下桩基础与桩周砂土的相互作用具有复杂的三维特性，土体沉降与隆起和对流现象沿桩周区域存在着明显的差异。根据已有实验技术，李嘉隆等人(基于piv技术的二维桩土相互作用试验系统及试验方法)将三维圆柱体桩简化成二维长方体桩，概化桩土相互作用的三维特性，采用piv技术对持续振动下土体沉降和对流现象的过程进行观测。此试验技术虽然采取了非接触式手段分析砂土颗粒运动过程，保护了原状土，但存在着以下三点缺陷：一是过度简化了桩土相互作用的三维特性，其试验技术选用的长方体桩不具备三维旋转对称性，且砂颗粒运动受到箱体正面钢化玻璃的阻挡限制，导致桩周
4、在经过长期的试验与分析后，磁感应示踪技术作为一种基于磁性示踪粒子的跟踪和监测方法被尝试应用在三维桩周砂土运动特性试验中，磁感应示踪技术起源于20世纪初的生物医学领域。随着材料科学的发展，磁性示踪粒子制备和功能化得到提升，使该技术应用范围逐渐拓展到环境科学、地质工程和材料科学等领域。在地质勘探与环境监测中，磁感应示踪技术可监测水流、沉积过程和地下矿藏迁移。在材料科学和纳米
，研究人员利用该技术揭示材料的微观结构和纳米颗粒的运动行为。磁感应示踪技术在地质工程、材料标记、环境污染监测和液体流动研究等方面也有广泛应用。将磁感应示踪技术引入海上风机桩土相互作用试验
，采用材料刚度与实际工程拟合的圆柱体模型桩还原真实的海上风机循环振动环境，解决了已有实验技术三维特性差、刚度差距显著的问题。
5、因此有必要设计一种基于磁感应示踪技术充分考虑桩土相互作用的三维特性，对持续循环振动下砂土运动整个过程进行观测分析的试验系统，并能够在试验结束后采用一种尽可能减少对土体扰动的方式进行剖切。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法及试验系统，通过磁感应示踪系统、地形建模分析系统和速冻固土剖切系统研究不同加载情况下的三维桩土相互作用。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，具体包括以下步骤：
4、步骤s1：根据实际试验工况，设置用于模拟海上风机桩基础长期振动环境的水平循环加载试验平台的振幅，确定水平循环加载试验平台内各个构件的型号，并组装各个构件；在组装时需要在试验砂箱底部以及内边壁四周涂刷油基合成润滑剂；
5、步骤s2：根据实际试验工况，设置水平循环加载试验平台内单向可调速电机的输出功率，基于旋转运动转换线性运动的运行原理，将单向可调速电机电机轴的旋转运动转换成铝合金半圆柱体模型桩顶端的正弦式往复运动，以模拟不同频率的试验工况；
6、步骤s3：准备磁性示踪砂土颗粒，用于铺设在水平循环加载试验平台的试验砂箱内表层，在试验砂箱的外部四个边壁交接处，相对设置的两个边壁交接处为一组，一组安装稳恒磁场施加装置，一组安装磁场监测装置；磁性示踪砂土颗粒、稳恒磁场施加装置以及磁场监测装置构成磁感应示踪系统；
7、步骤s4：根据实际试验工况，计算获得每层填入形成厚度h的试验所需石英砂的质量m，通过集料标准漏斗缓慢倒入试验砂箱之中，每填入一层厚度h的石英砂，先用抹刀抹平砂床面，再用长方体铁块均匀击实，最后用铁板整体压平，直至砂床面与试验砂箱刻度尺数值齐平；反复重复此操作，使砂床厚度达到试验工况设置要求；
8、步骤s5：基于步骤s4形成的石英砂砂床，在砂床表面以铝合金半圆柱体模型桩为中心的圆形区域内铺一层制备好的磁性示踪砂土颗粒与石英砂颗粒混合的砂土颗粒，重复步骤s4中压实操作，使砂床顶层厚度达到试验工况设置要求；
9、步骤s6：确定试验工况类型，若进行饱和砂试验，将直通水阀接上pvc软水管，再将pvc软水管另一端接上漏斗，保持漏斗高度高于砂床表面高度，向漏斗内注水，当试验砂箱内水位没过砂床表面时停止注水，关闭直通水阀，继续步骤s7；
10、若进行干砂试验，直接继续步骤s7，直至完成步骤s10后实施本步骤的注水操作后继续步骤s11；
11、步骤s7：打开稳恒磁场施加装置的电源，启动磁场监测装置内的霍尔效应传感器接受程序，待计算机运算试验砂箱内部磁场强度与分布完成后，检查其是否与初始设定相同和稳定性是否良好，若出现问题对磁场监测装置内霍尔效应传感器进行重新校准与率定；
12、步骤s8：在试验砂箱开口端四个顶角位置安装四台高清网络摄像机，高清网络摄像机的摄像头朝向试验砂箱内，构成地形建模分析系统；调整室内光源，启动高性能计算机的python程序调用四台高清网络摄像机；根据试验需求预设定时拍摄间隔时长后，将高清网络摄像机调整到预设位置，使其正对铝合金半圆柱体模型桩和所要研究的砂床区域；
13、步骤s9：检查磁感应示踪系统以及地形建模分析系统，启动单向可调速电机，铝合金半圆柱体模型桩持续性循环振动，持续时间设定为120小时；
14、步骤s10：试验持续至120小时后，关闭单向可调速电机以及四台高清网络摄像机；
15、步骤s11：卸下水平循环加载试验平台内单向可调速电机、稳恒磁场施加装置、磁场监测装置和四台高清网络摄像机，通过室内小型起重机将试验砂箱吊入超低温冷柜内，超低温冷柜开启全功率制冷，待砂土的颗粒固定后从冷柜中取出试验砂箱；
16、步骤s12：将可视化砂土剖切系统整体插入试验砂箱内，抽出试验砂箱前后的有机玻璃板，用切土刀本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：步骤S2中试验工况设置的振动频率与单向可调速电机的输出功率之间的关系如下：
3.根据权利要求1所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：步骤S4中，每层填入形成厚度H的试验所需石英砂的质量M的计算步骤为：
4.用于权利要求2或3所述三维桩土相互作用试验方法的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：包括用于模拟海上风机桩基础长期振动环境的水平循环加载试验平台、用于实时监测砂土颗粒位置和运动特性的磁感应示踪系统、用于实时记录桩周地形变化的地形建模分析系统、用于观测砂床内部砂土颗粒运动形态的速冻固土剖切系统。
5.根据权利要求4所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：所述水平循环加载试验平台包括由有机玻璃制成的开口未封闭的试验砂箱，定义试验砂箱的四个面为前面、左面、
6.根据权利要求5所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：包括两个半圆环体部件，两个相对布设中间形成固定铝合金半圆柱体模型桩顶端的空间，相邻两个半圆环体部件的端部通过桩顶连接部件固定。
7.根据权利要求4所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：所述磁感应示踪系统包括磁性示踪砂土颗粒、稳恒磁场施加装置以及磁场监测装置；
8.根据权利要求4所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：所述地形建模分析系统包括安装在试验砂箱开口端四个角位置的高清网络摄像机，高清网络摄像机与计算机连通，通过python程序调用，拍摄方式设置为定时间隔拍摄，摄制后的图像经过软件重新建模后对铝合金半圆柱体模型桩桩周地形变化与砂土密实度变化进行计算分析。
9.根据权利要求4所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：所述速冻固土剖切系统包括超低温冷柜、圆形剖切固定框架以及若干砂床分断基板，圆形剖切固定框架的端部垂直安装两个对称设置的延伸固定支架，两个延伸固定支架端部通过顶部固定支架连接固定；
...【技术特征摘要】
1.基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：步骤s2中试验工况设置的振动频率与单向可调速电机的输出功率之间的关系如下：
3.根据权利要求1所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验方法，其特征在于：步骤s4中，每层填入形成厚度h的试验所需石英砂的质量m的计算步骤为：
4.用于权利要求2或3所述三维桩土相互作用试验方法的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：包括用于模拟海上风机桩基础长期振动环境的水平循环加载试验平台、用于实时监测砂土颗粒位置和运动特性的磁感应示踪系统、用于实时记录桩周地形变化的地形建模分析系统、用于观测砂床内部砂土颗粒运动形态的速冻固土剖切系统。
5.根据权利要求4所述的基于磁感应示踪及速冻固土技术的三维桩土相互作用试验系统，其特征在于：所述水平循环加载试验平台包括由有机玻璃制成的开口未封闭的试验砂箱，定义试验砂箱的四个面为前面、左面、后面以及右面，试验砂箱的前面以及后面为可拆卸的有机玻璃板；...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晗，管大为，姚子顺，刘博乐，张弛，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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