用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统及方法，其中，用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统包括模型箱、加载装置、变形测量机构及水循环机构，水循环机构具有计时设备、连通模型箱的储水箱及连接储水箱的空气泵，利用空气泵对储水箱内的气压进行调节控制能改变进入模型箱的水量，从而实现潮汐环境的模拟，计时设备也方便了实验人员对潮汐循环时间进行把控；再者，加载装置包括有动静荷载机构，能够对珊瑚礁砂进行动载荷或静载荷情况的加载，增加了该试验系统的可模拟状况，方便确定不同情况下珊瑚礁砂的承载特性，适用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及地基模型试验技术领域，特别涉及一种用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统及方法。

背景技术

海洋有丰富的自然资源，开发和利用海洋资源已成为历史必然趋势。我国南海的岛礁基本是由珊瑚礁构成的，珊瑚礁是由造礁珊瑚骨骼和虫黄藻类生物胶结钙化而成，因其发育环境、成因以及物质组成等的特殊性，使其具有独特的工程性质。

珊瑚礁体通常的结构是表层以全新世松散礁砂砾层为主，以下则为固结的礁灰岩，其中，松散礁砂砾层的组成主要为钙质砂，钙质砂具有高压缩性、易碎性的特点，上述力学性质让珊瑚礁砂地基与普通石英砂地基具备不同的承载特性，

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统。

本发明还提供一种利用上述用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统进行试验的方法。

根据本发明的第一方面实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统，包括模型箱，用于装载珊瑚礁砂，所述模型箱的顶部开口且侧壁设有观察区；加载装置，具备动静荷载机构及承压结构，所述承压结构搭设在所述珊瑚礁砂之上，所述动静荷载机构与所述承压结构的上部接触；变形测量机构，包括架设在所述模型箱旁侧的高速相机，所述高速相机的镜头正对所述观察区；以及水循环机构，具有计时设备、连通所述模型箱的储水箱及连接所述储水箱的空气泵，所述储水箱为封闭结构，所述储水箱和所述模型箱之间配置有过滤结构及开关阀。

根据本发明实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统，至少具有如下有益效果：此用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统，包括模型箱、加载装置、变形测量机构及水循环机构，水循环机构具有计时设备、连通模型箱的储水箱及连接储水箱的空气泵，利用空气泵对储水箱内的气压进行调节控制能改变进入模型箱的水量，从而实现潮汐环境的模拟，计时设备也方便了实验人员对潮汐循环时间进行把控；再者，加载装置包括有动静荷载机构，能够对珊瑚礁砂进行动载荷或静载荷情况的加载，增加了该试验系统的可模拟状况，方便确定不同情况下珊瑚礁砂的承载特性，适用性强。

根据本发明的一些实施例，所述储水箱的上部设有连接所述空气泵的气口且下部设有出水口，所述出水口与所述模型箱通过水管连接，所述过滤结构包括至少一件设于所述水管内的过滤膜。

根据本发明的一些实施例，所述水管上安装有流量计。

根据本发明的一些实施例，所述承压结构为承载板，所述承载板上设置若干位移计。

根据本发明的一些实施例，所述模型箱内设有若干土压力计，各所述土压力计分别埋置在所述珊瑚礁砂的不同厚度位置。

根据本发明的一些实施例，所述动静荷载机构包括固定框架及安装在所述固定框架上的作动器，所述作动器位于所述模型箱的上方，所述作动器的加载方向为竖向。

根据本发明的一些实施例，所述变形测量机构还具备图像分析设备，所述图像分析设备和所述高速相机信号联通。

根据本发明的第二方面实施例，利用本发明的第一方面实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：在所述模型箱内填筑珊瑚礁砂；开启所述高速相机，设定所述高速相机的拍照频率；开启所述开关阀，并启动所述空气泵，将所述储水箱内的水注入所述模型箱，当所述珊瑚礁砂的表面有水漫出即关闭所述开关阀；将承压结构搭在所述珊瑚礁砂上，使动静荷载机构与所述承压结构的上部接触，打开动静荷载机构施加荷载，并开启开关阀，利用空气泵重复抽气和充气，直至珊瑚礁砂的土体被破坏；其中，静荷载实验时，各级荷载待珊瑚礁砂的沉降达到稳定后再施加。

根据本发明的一些实施例，所述模型箱的底部填筑20cm～25cm的珊瑚礁砂作垫层，所述垫层的表面自下而上依次分层填筑C、B和A三种不同级配的珊瑚礁砂。

根据本发明的一些实施例，所述A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的填筑高度均为10cm～15cm，且所述A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的上表面平行于水平面或者与水平面形成10°或20°的夹角。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例的模型箱与加载装置的配置示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明的第一方面实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统，包括模型箱1、加载装置、变形测量机构及水循环机构。

具体地，模型箱1用于装载珊瑚礁砂，模型箱1的顶部开口且侧壁设有观察区11；加载装置具备动静荷载机构21及承压结构22，承压结构22搭设在珊瑚礁砂之上，动静荷载机构21与承压结构22的上部接触；变形测量机构包括了架设在模型箱1旁侧的高速相机，且该高速相机的镜头正对所述观察区11；水循环机构具有计时设备、连通模型箱1的储水箱及连接储水箱的空气泵，储水箱为封闭结构，且储水箱和模型箱1之间配置有过滤结构及开关阀。

根据本发明实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统，其包括模型箱1、加载装置、变形测量机构及水循环机构，水循环机构具有计时设备、连通模型箱1的储水箱及连接储水箱的空气泵，利用空气泵对储水箱内的气压进行调节控制能改变进入模型箱1的水量，从而实现潮汐环境的模拟，计时设备也方便了实验人员对潮汐循环时间进行把控；再者，加载装置包括有动静荷载机构21，能够对珊瑚礁砂进行动载荷或静载荷情况的加载，增加了该试验系统的可模拟状况，方便确定不同情况下珊瑚礁砂的承载特性，适用性强。

在一些实施例中，储水箱的上部设有连接空气泵的气口且下部设有出水口，模型箱1的底部开设进水口12，储水箱的出水口与模型箱1的进水口12通过水管连接，过滤结构包括至少一件设于水管内的过滤膜，利用过滤膜隔断珊瑚礁砂进入储水箱的路径，避免模型箱1内珊瑚礁砂的流失；进一步地，水管上安装有流量计，利用流量计以监控储水箱的水量变化，从而达到对进出模型箱1的水量的监控。更为具体地，该实施例中，水管采用的是橡胶圆管，橡胶圆管的两端与储水箱的出水口、模型箱1的进水口12之间通过螺纹连接，且分别安装有密封圈以增强密封性，其中，密封圈的材质为橡胶。

如图1所示，该实施例的承压结构22为承载板，且承载板上设置若干位移计。可以理解的是，各位移计在承载板的边缘均匀分布，利用位移计直观地测试出珊瑚礁砂的沉降量。更进一步地，在模型箱1内设有若干土压力计，各土压力计分别埋置在珊瑚礁砂的不同厚度位置，其中，各土压力计均与一动态应变采集仪信号接通，从而使试验人员得以实时得到应变数据。

该实施例当中，如图1，动静荷载机构21包括固定框架211及安装在固定框架211上的作动器212，可以理解的是，作动器212位于模型箱1的上方，且作动器212的加载方向为竖向。具体地，固定框架211包括两根分别设于模型箱1两侧的定位柱及连接在两定位柱之间的横梁，作动器212即固定在横梁的下部。更进一步地，该实施例的变形测量机构还具备图像分析设备，图像分析设备和高速相机信号联通，其中，此图像分析设备内装有MATLAB程序，利用MATLAB程序对图像数据进行处理。可以理解的是，为了确保高速相机拍摄画面的清晰，高速相机的旁侧架设有LED灯作补充光源。

根据本发明的第二方面实施例，利用本发明的第一方面实施例的用于模拟潮汐环境下珊瑚礁砂承载力的试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：

a.在模型箱1内填筑珊瑚礁砂；

b.开启高速相机，设定高速相机的拍照频率；

c.开启开关阀，并启动空气泵，将储水箱内的水注入模型箱1，当珊瑚礁砂的表面有水漫出即关闭开关阀，完成珊瑚礁砂的饱和工作；

d.将承压结构22搭在珊瑚礁砂上，使动静荷载机构21与承压结构22的上部接触，打开动静荷载机构21施加荷载，并开启开关阀，利用空气泵重复抽气和充气，直至珊瑚礁砂的土体被破坏；

其中，静荷载实验时，采用慢速加载法，各级荷载待珊瑚礁砂的沉降达到稳定后再施加，具体加载时，保持加载速率为50kPa/min，根据实际地基承载力情况预估最大承载力并分级加载；而进行动荷载实验时，则采用低频循环加载的方式进行加载，具体操作时，首先利用50kpa/min的加载速率进行加载，当加载达到100kpa后，调整为施加频率为0.1HZ，动态偏移量为100kpa，每节振幅按照5—10—15—20—25kpa依次往上递增的循环荷载，每节循环20次，总循环100次。每次动态偏移量为100kpa.200kpa.300kpa，振幅按照5％递增，循环荷载加载完毕后施加下一级荷载直到地基破坏。

在本发明的一些实施例中，模型箱1的底部填筑20cm～25cm的珊瑚礁砂作垫层，垫层的表面自下而上依次分层填筑C、B和A三种不同级配的珊瑚礁砂。填筑珊瑚礁砂时，按照压实度为0.8进行分层填筑和压实。进一步地，A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的填筑高度均为10cm～15cm，且A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的上表面平行于水平面或者与水平面形成10°或20°的夹角。可以理解的是，为了使高速相机拍摄的珊瑚礁砂地基的变化更加明显，实际试验时可在珊瑚礁砂内加入彩砂。具体地，A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的级配参数如表1所示。

表1：A级配、B级配和C级配的珊瑚礁砂的级配参数

需要说明的是，正式开始试验之前，首先要对均质珊瑚礁砂地基进行承载实验，以此验证和校正实验方法。正式试验后，分析珊瑚礁砂变形的发展过程，并对比其与均质珊瑚礁砂地基的试验结果，进而能够得到水平层状地基在静力加载和动力加载(低频循环加载)两种情况下的土体失效模式和基础承载力的变化规律。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。