一种波致液化土颗粒运动试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种波致液化土颗粒运动试验装置，包括试验机构，所述试验机构包括填充有试验水的第一试验槽和填充有试验土的第二试验槽；造波机构，设于试验机构的一侧，用于制造模拟波浪；检测机构，部分设于第二试验槽内，用于检测试验土液化深度以及计算试验土运动速度。本试验装置设计的造波机构，可以实现平推或旋转摆动，以及平推和旋转摆动同步实现的三种造波模式，最大程度上模拟海浪的不规则运动，使得试验环境更加接近真实环境。本试验方法采用土颗粒和示踪颗粒混合构成的试验土，采用实时追踪示踪颗粒的位置变化图像，同时采集的位置变化图像带有刻度标记，无需后期进行尺寸测量分析，可以更加精准的分析出示踪颗粒运动速度场。

说明书

技术领域

本发明属于海床土壤运动检测技术领域，具体涉及一种波致液化土颗粒运动试验装置及试验方法。

背景技术

波浪具有周期性，是近岸地区的主要水动力荷载之一，波浪荷载作用下海床土体可能发生液化。

海床土体液化后土颗粒的运动与波浪运动之间的非线性耦合机制复杂，目前，对波浪作用下液化土颗粒的运动特性的认识还不全面，缺少可靠的试验研究装置与试验观测资料。

海床土体液化后土颗粒在水底形成高浓度的固液两相流，其中土颗粒的运动对近岸地区地形的冲淤演变规律具有重要影响。

液化后的土颗粒失去承载能力且具有一定惯性加速度，对周围的海洋工程建筑物安全具有一定威胁。

传统直接测量方法无法避免测量仪器与土体接触，测量仪器会大幅度干扰土颗粒运动，导致测量结果误差大，且无法准确跟踪土颗粒的运动位置变化，测量维度单一；同时波浪的运动模式多种多样，现有的模拟波浪无法最大程度模仿实际的海浪的运动模式，导致测量的结果参考价值较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种波致液化土颗粒运动试验装置及试验方法，旨在解决现有技术中传统直接测量方法会大幅度干扰土颗粒运动，导致测量结果误差大，无法准确跟踪土颗粒的运动位置变化，测量维度单一；无法最大程度模仿实际的海浪的运动模式，导致测量的结果参考价值较低的问题。

本发明采取以下技术方案实现：

一种波致液化土颗粒运动试验装置，包括，

试验机构，所述试验机构包括第一试验槽和第二试验槽，所述第二试验槽设置在第一试验槽底端，所述第一试验槽和第二试验槽连通，所述第一试验槽内填充有试验水，所述第二试验槽内填充有试验土；

造波机构，设于试验机构的一侧，用于制造模拟波浪，所述造波机构包括旋转运动的摆动组件和前后移动的平移组件，所述摆动组件部分穿插在第一试验槽内，所述摆动组件部分滑动设置在平移组件上；

检测机构，部分设于第二试验槽内，用于检测试验土液化深度以及计算试验土运动速度，所述检测机构包括用于采集孔隙水压力的压力检测组件、用于拍摄试验土位置的数据采集组件、用于分析试验土运动速度场的数据分析模块，所述数据采集组件包括数据采集模块、照明模块，所述压力检测组件设置在第二试验槽内，所述压力检测组件和数据采集模块均与数据分析模块电信连接。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述第一试验槽和第二试验槽均为透明长方体结构，所述第一试验槽的长度大于第二试验槽的长度，所述第二试验槽内填充的试验土的高度与第一试验槽底端平齐，所述第一试验槽远离造波机构的一侧设置有消波棉。

进一步地，所述摆动组件包括支撑框架、摆动支杆、第一驱动件、第二驱动件，所述摆动支杆上端与支撑框架铰接，所述摆动支杆下端与第一驱动件连接，使得摆动支杆下端绕摆动支杆上端在竖直面内摆动，所述第二驱动件与摆动支杆活动连接，所述第二驱动件远离摆动支杆的一侧设置有造波板。

进一步地，所述支撑框架包括中空的矩形框、支撑平台，所述矩形框竖直设置，所述支撑平台水平设置在矩形框的中部，所述第一驱动件设置在矩形框底端上，所述第二驱动件设置在支撑平台上，所述矩形框下端设置有导向块，所述导向块与平移组件滑动连接。

进一步地，所述第一驱动件包括第一驱动座、驱动电机、套筒、L型转动杆，所述第一驱动座设置在矩形框底端，所述驱动电机设置在第一驱动座的侧壁上，所述驱动电机的输出轴插入第一驱动座内，所述驱动电机的输出轴与套筒连接，所述套筒与L型转动杆连接，所述L型转动杆远离套筒的一端插入摆动支杆内。

进一步地，所述第二驱动件包括第二驱动座、转动杆、滑块、造波板，所述第二驱动座设置在支撑平台上，所述转动杆与第二驱动座转动连接，所述转动杆一端与滑块连接，所述滑块穿插在摆动支杆内，所述转动杆另一端插入第一试验槽，所述转动杆上设置有密封板，所述第一试验槽侧壁上设置有密封槽，所述密封板两端滑动设置在密封槽内，所述密封板的滑动方向与转动杆的平移方向相一致，所述转动杆与造波板连接，所述造波板位于第一试验槽内。

进一步地，所述平移组件包括平移座、推动杆、导向座、调节杆、旋转电机，所述导向块与平移座滑动连接，所述推动杆水平滑动设置在导向座内，所述推动杆一端与支撑框架连接，所述推动杆另一端与调节杆活动连接，所述调节杆远离推动杆的一端与旋转电机连接。

进一步地，所述压力检测组件包括调节轴、导向轴、装载板、套环、压力传感器，所述调节轴和导向轴水平平行设置在第二试验槽的底端，所述调节轴与第二试验槽转动连接，所述调节轴和导向轴均穿插在装载板下端，所述套环滑动设置在装载板内，所述压力传感器设置在套环内，所述压力传感器与数据分析模块电信连接。

进一步地，所述装载板内开设有安装槽，所述装载板内开设有沿安装槽排列方向设置的滑槽，所述滑槽与安装槽连通，所述滑槽上两侧开设有与滑槽连通的第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽和第二卡槽交错分布，所述装载板上设置有第一刻度标记，所述第二试验槽上端设置有第二刻度标记，所述第一刻度标记和第二刻度标记呈垂直分布。

一种波致液化土颗粒运动试验方法，包括以下步骤：

调节压力传感器的竖向间隔位置和水平位置；

填充试验土至第二试验槽内，使得试验土的高度与第一试验槽底端平齐，所述试验土由由力学性质相同的土颗粒和示踪颗粒按设定比例混合而成；

填充试验水至第一试验槽内，利用静水压和自重使土固结；

启动造波机构产生不同类型的模拟波浪；

利用压力传感器检测不同深度的水系压力值，利用数据采集模块采集示踪颗粒带有刻度标记的位置变化图像；

利用数据分析模块，根据水系压力值和示踪颗粒的位置变化图像分析土颗粒运动速度场。

本发明的有益效果：

相比现有技术而言，本发明的一种波致液化土颗粒运动试验装置，采用摆动组件和平移组件构成的造波机构，使得造波板可以实现平推或旋转摆动，以及平推和旋转摆动同步实现的三种造波模式，最大程度上模拟海浪的不规则运动，使得环境更加接近真实环境。

本方案设计的压力检测组件可以便捷调节压力传感器的位置，检测不同深度的孔隙水压力，判断试验土的液化深度，同时配合数据采集模块采集示踪颗粒的位置变化图像，采集多维度的数据进行分析，便于更精准的分析试验土在波浪下的运动规律。

本发明的一种波致液化土颗粒运动试验方法，采用土颗粒和示踪颗粒混合构成的试验土，采用实时追踪示踪颗粒的位置变化图像，同时采集的位置变化图像带有刻度标记，无需后期进行尺寸测量分析，可以更加精准的计算出示踪颗粒运动速度场，从而分析计算土颗粒运动速度场，检测结果更加准确。

附图说明

图1是本发明第一实施例一种波致液化土颗粒运动试验装置的结构示意图。

图2是本发明图1中部分结构示意图。

图3是本发明图1中摆动组件和平移组件的结构示意图。

图4是本发明图3中摆动组件的剖视图。

图5是本发明图3中底板的部分结构示意图。

图6是本发明图2中承载板和套环的结构示意图。

图7是本发明数据模块与第二试验槽的位置关系结构示意图。

图8是本发明的模块连接流程图。

图9是本发明第二实施例一种波致液化土颗粒运动试验方法的流程图。

附图标记为：试验机构10、第一试验槽11、密封套111、第二试验槽12、第二刻度标记121、消波棉13、摆动组件20、支撑框架21、矩形框211、支撑平台212、导向块213、摆动支杆22、连接槽221、铰接座23、铰接轴24、第一驱动件25、第一驱动座251、驱动电机252、套筒253、L型转动杆254、第二驱动件26、第二驱动座261、转动杆262、滑块263、连接套264、造波板265、密封板27、电动推杆28、平移组件30、平移座31、底板311、定位槽3111、侧板312、推动杆32、推动槽321、导向座33、调节杆34、旋转电机35、定位板36、压力检测组件40、调节轴41、导向轴42、装载板43、安装槽431、滑槽432、第一卡槽433、第二卡槽434、第一刻度标记435、套环44、压力传感器45、数据采集组件50、数据采集模块51、照明模块52、数据分析组件60。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图于具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

第一实施例

本发明提供了如图1-8所示的一种波致液化土颗粒运动装置，包括试验机构，用于模拟海浪冲击土壤的环境；造波机构，设于机构的一侧，用于制造模拟海浪的运动模式，检测机构，部分设于第二试验槽内，用于检测试验土液化深度以及计算试验土运动速度场。

如图1-2所示，试验机构包括第一试验槽和第二试验槽，第二试验槽设置在第一试验槽底端，第一试验槽和第二试验槽连通，第一试验槽内填充有试验水，第二试验槽内填充有试验土，试验土的高度与第一试验槽的底端平齐，避免地形对波浪的反射效应。第一试验槽的长度与第二试验槽长度比例为12：1。第一试验槽和第二试验槽均采用透明材质，便于配合检测机构采集试验土的运动图像，透明材质包括但不限于透明玻璃、透明塑料等；其中试验土由土颗粒和示踪颗粒混合而成，土颗粒和示踪颗粒的混合比例为50：1，在第一试验槽远离造波机构的一侧设置有用于消除波浪的消波棉，该消波棉呈倾斜设置。可以理解为：土颗粒和示踪颗粒的力学性质相同，且土颗粒和示踪颗粒的力学性质与海床土体液化后在水底形成的固液两相流土颗粒的力学性质相同，最大程度上保证了过程符合真实海床土体液化后形成的土颗粒。本具体实施例中土颗粒采用白色石英粉，示踪颗粒采用黑色石英粉，土颗粒和示踪颗粒的颗粒直径为0 .04mm~0.08mm的粉砂颗粒。

如图3-5所示，造波机构包括旋转运动的摆动组件和前后移动的平移组件，摆动组件部分穿插在第一试验槽内，摆动组件部分滑动设置在平移组件上。

如图3-4所示，摆动组件包括支撑框架、摆动支杆、第一驱动件、第二驱动件，支撑框架包括中空的矩形框、支撑平台，矩形框竖直设置，支撑平台水平设置在矩形框的中部，第一驱动件设置在矩形框底端上，第二驱动件设置在支撑平台上，矩形框下端设置有导向块，导向块与平移组件滑动连接。

如图3-4所示，支撑框架上端设置有铰接座，铰接座内轴承连接有铰接轴，摆动支杆上端与铰接轴连接，使得摆动支杆可以相对铰接座旋转摆动，摆动支杆内开设有用于连接第一驱动件和第二驱动件连接的连接槽，摆动支杆的连接槽下端与第一驱动件连接，使得摆动支杆下端绕摆动支杆上端在竖直面内摆动，第一驱动件包括第一驱动座、驱动电机、套筒、L型转动杆，第一驱动座设置在矩形框底端，驱动电机设置在第一驱动座的侧壁上，驱动电机的输出轴插入第一驱动座内，驱动电机的输出轴与套筒连接，套筒与L型转动杆连接，L型转动杆远离套筒的一端插入摆动支杆内。可以理解为：L型转动杆的竖直端与套筒连接，L型转动杆的水平端穿插在摆动支杆下端的连接槽内，驱动电机带动套筒旋转，套筒带动L型转动杆在竖直面内做旋转运动，L型转动杆带动摆动支杆在竖直面内摆动。

如图3-4所示，第二驱动件包括第二驱动座、转动杆、滑块、造波板，第二驱动座设置在支撑平台上，转动杆与第二驱动座转动连接，转动杆一端与滑块连接，滑块穿插在摆动支杆内，第一试验槽侧壁上开设有水平方向的移动槽，转动杆另一端插入第一试验槽的移动槽内，转动杆上设置有密封板，第一试验槽内侧壁上设置有密封套，密封板两端滑动设置在密封套内，密封板的滑动方向与转动杆的平移方向相一致，转动杆与造波板连接，造波板位于第一试验槽内。可以理解为：密封套和密封板的配合，确保密封板始终在密封套内滑动，密封板的尺寸大于移动槽的尺寸，使得转动杆在平移过程中不会出现试验水从第一试验槽的侧壁流出的现象；在摆动支杆摆动过程中使得滑块带动转动杆做旋转运动，实现造波板在竖直面内转动，此为第一种形式产生的波浪。

如图3所示，平移组件包括平移座、推动杆、导向座、调节杆、旋转电机，平移座呈L型结构，平移座包括底板和侧板，其中底板水平设置，侧板竖直设置，导向块与底板滑动连接，导向座设置在底板上，推动杆水平滑动设置在导向座内，推动杆一端与支撑框架连接，推动杆另一端与调节杆活动连接，推动杆靠近调节杆的一侧设置有推动槽，调节杆一端插入推动槽内，且可在推动槽内上下移动，调节杆远离推动杆的一端与旋转电机连接，侧板上设置有定位板，调节杆穿过定位板的侧壁并与定位板转动连接，旋转电机设置在定位板的底面上。可以理解为：通过旋转电机驱动调节杆旋转运动，带动推动杆水平运动，使得造波板实现水平平推造波，此为第二种形式产生的波浪，若同时启用平移组件和摆动组件，此为第三种形式产生的波浪。实际过程中，可以选择单独或同时开启平移组件和摆动组件。

如图3所示，进一步地，在只启用平移组件或摆动组件时，为了确保摆动组件的稳定性，摆动组件还包括设置在矩形框下表面的电动推杆，平移组件的底板上还开设有与电动推杆相对应的定位槽。可以理解为：启动电动推杆，使得电动推杆的移动端插入定位槽内，使得平移组件或摆动组件固连为一体。

如图2，6-7所示，检测机构包括用于采集孔隙水压力的压力检测组件、用于拍摄示踪颗粒位置的数据采集模块、用于分析示踪颗粒运动速度的数据分析组件，压力检测组件设置在第二试验槽内，数据采集组件包括数据采集模块、照明模块，压力检测组件和数据采集模块均与数据分析模块电信连接。数据采集模块采用高速相机，该高速相机正对于第二试验槽，照明模块为两个柔光灯，分布在数据采集模块的两侧，且照明区域对准数据采集模块的拍摄区域，数据分析模块采用智能终端，如计算机。

如图6所示，压力检测组件包括调节轴、导向轴、装载板、套环、压力传感器，调节轴和导向轴水平平行设置在第二试验槽的底端，调节轴与第二试验槽转动连接，调节轴和导向轴均穿插在装载板下端，调节轴一端穿出第二试验槽，调节轴与第二试验槽的内侧壁之间设置有防水垫圈，在调节轴上设置有用于旋转调节轴的调节旋钮，套环滑动设置在装载板内，压力传感器设置在套环内，压力传感器与数据分析模块电信连接。装载板内开设有安装槽，装载板内开设有沿安装槽排列方向设置的滑槽，滑槽与安装槽连通，滑槽上两侧开设有与滑槽连通的第一卡槽和第二卡槽，第一卡槽和第二卡槽交错分布。装载板上设置有第一刻度标记，第二试验槽上端设置有第二刻度标记，第一刻度标记和第二刻度标记呈垂直分布。可以理解为：可上下调节的滑槽便于调节压力传感器的高度位置，便于检测不同深度的孔隙水压力，便于判断试验土的液化深度，同时第一卡槽和第二卡槽交错分布，便于取出套环，以及将套环按压在不同深度位置的安装槽内。

第二实施例

如图9所示，本发明公开了一种波致液化土颗粒运动试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：调节压力传感器的竖向间隔位置和水平位置；

具体而言，在调节压力传感器的过程中，需要确保多个压力传感器之间的间隔距离相等。

S2：填充试验土至第二试验槽内，使得试验土的高度与第一试验槽底端平齐；

具体而言：试验土的高度保持与第一试验槽底端平齐，避免地形对波浪的反射效应，最大程度上模拟真实的环境，且试验土采用土颗粒和示踪颗粒的混合而成，土颗粒和示踪颗粒的混合比例为50：1，土颗粒和示踪颗粒力学性质相同，颜色具有明显差异，土颗粒和示踪颗粒分别采用白色石英粉和黑色石英粉。

S3：填充试验水至第一试验槽内，利用静水压和自重使试验土固结。

S4：启动造波机构产生不同类型的模拟波浪。

S5：利用压力传感器检测不同深度的水系压力值，利用数据采集模块采集土颗粒的位置图像。

具体而言：基于装载板上的第一刻度、以及第二试验槽上的第二刻度，因此数据采集模块采集的位置图像带有平面坐标系，便于后期进行精准分析示踪颗粒的运动变化。

S6：利用数据分析模块，根据水系压力值和示踪颗粒的位置图像变化分析土颗粒运动速度场。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。