CN112962686A - 一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，该装置包括模型吸力锚、加载及出平面调节***、测量***和离心机模型箱，所述的加载及出平面调节***的竖向导杆在与导槽接触位置固定设有导杆卡扣，导杆卡扣与顶板之间设置有滚珠，以减少摩擦；竖向导杆一侧固定有竖向导杆挡块，竖向导杆挡块与出平面调节伺服电机的导杆固定连接，最终竖向导杆的运动可通过出平面调节伺服电机进行精准控制。该装置通过竖向导杆的横向出平面运动，可以对不同加载位置和出平面加载角度进行调整，能够实现吸力锚的任意位置和任意出平面角度的加载试验测试。

Description

一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置

技术领域

本发明属于离心试验技术领域，涉及一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置。该装置通过离心机模拟原位海洋土的应力状态，通过竖向导杆的横向出平面运动，可以对不同加载位置和出平面加载角度进行调整，能够实现吸力锚的任意位置和任意出平面角度的加载试验测试。

背景技术

吸力锚作为一种重要的锚固基础类型，它是一种通过吸力贯入的方式安装在海床表面，在一定的位置处设置系泊点，通过锚链或者钢绞线与上部浮体相连，从而实现对上部浮体的系泊定位，目前该基础类型在深浅海海洋结构的系泊***占有重要的地位。

然而由于吸力锚的基础承载力与锚体的尺寸、土质条件相关、位置和作用角度有密切关系，目前对吸力锚承载力的研究主要集中在吸力锚的平面内承载力和运动。事实上，由于上部浮体的大范围横向运动，带动锚泊线一起运动，锚泊线不再跟吸力锚的中心线共线(即发生出平面运动)，此时吸力锚将受到出平面荷载的作用，承载力将会显著降低，，然而目前没有对吸力锚的出平面承载力和运动特性的试验研究，也缺少相应的试验测试装置。因此亟需开发出一套能够对吸力锚出平面承载力进行测试的试验装置。

对于吸力锚承载力的测试若采用常重力条件下进行测试，则与实际结果相差较大，因为土是一种自重相关的材料。在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，而土的力学特性随应力水平而变化，常规小比尺模型由于其自重应力远低于原型，因而不能再现原型的特性。超重力离心模型试验通过让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重损失，从而再现原型岩土体和结构特性。超重力模拟中的土体材料已能较好地反映原型土体的散粒性、应力相关性、摩擦特性、强非线性、剪胀性、多相性、应力历史相关性等特性。超重力离心模型试验对模拟以自重为主要荷载的岩土结构物性状的研究特别有效，因此获得了广泛的应用。

本发明提出一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，该装置通过竖向导杆的横向出平面运动，可以对不同加载位置和出平面加载角度进行调整，能够实现锚桩的任意位置和任意出平面角度的加载试验测试。

发明内容

本发明提出一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，用于解决在离心试验中的吸力锚任意位置和任意出平面角度下的加载测试问题。该装置通过竖向导杆的横向出平面运动，可以对不同加载位置和出平面加载角度进行调整，能够实现锚桩的任意位置和任意出平面角度的加载试验测试。

本发明采取以下技术方案：

一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，包括模型吸力锚、加载及出平面调节***、测量***和离心机模型箱；所述的离心机模型箱上部设置有顶板，其内部装有土；所述的模型吸力锚设于离心机模型箱内，模型吸力锚部分埋置在土中；所述的加载及出平面调节***用于对模型吸力锚进行加载，所述的测量***用于测试模型吸力锚在加载过程中的水平位移及倾角；

所述模型吸力锚包括钢管、侧向导槽及卸扣；钢管为钢制薄壁圆筒结构，侧向导槽沿钢管的侧壁通长布置，其上布置有锚点固定装置，锚点固定装置包含两套螺栓螺母，所述卸扣设于两套螺栓螺母之间，通过拧紧两个螺栓固定中间的卸扣，卸扣连接有钢绞线；所述锚点固定装置可以在侧向导槽内部上下运动，以实现对不同加载位置的调整；

加载及出平面调节***包括出平面调节伺服电机、竖向导杆和加载伺服电机；所述出平面调节伺服电机固定于顶板上部，顶板上开有导槽，用于限制竖向导杆的横向出平面运动；吸力锚的初始加载方向为x方向，即钢绞线与锚的中心线重合；导槽垂直于吸力锚的初始加载方向，即y方向；竖向导杆在与导槽接触位置固定设有导杆卡扣，导杆卡扣与顶板之间设置有滚珠，以减少摩擦；竖向导杆一侧固定有竖向导杆挡块，竖向导杆挡块与出平面调节伺服电机的导杆固定连接，最终竖向导杆的运动可通过出平面调节伺服电机进行精准控制；在竖向导杆内侧开有滑轮导槽，滑轮导槽内设置有控向滑轮，通过调节控向滑轮的位置进而调节钢绞线的位置，从而对加载倾角进行调整；钢绞线另一端穿过控向滑轮后连接至加载伺服电机上，加载伺服电机固定在竖向导杆上，可以随竖向导杆的横向运动而运动。

上述技术方案中，进一步地，所述测量***包括长方体箱体、4个x向激光位移传感器、4个y向位移传感器和1个双向角度传感器；所述长方体箱体固定在模型吸力锚顶部，使用高强轻质铝合金材料制作；4个x向激光位移传感器固定在离心机模型箱的侧壁上，4个x向激光位移传感器在离心机模型箱的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体上的四个标记点的水平x向位移；4个y向位移传感器固定于离心机模型箱侧壁，4个y向位移传感器在离心机模型箱的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体上的四个标记点的水平y向位移，双向角度传感器设于长方体箱体顶部中心位置，用于测量长方体箱体沿两个方向x-z和y-z的倾角，通过该测量***，可以捕捉到模型吸力锚的个自由度。所述的高强轻质铝合金材料为7075铝合金。

进一步地，所述的侧向导槽焊接在钢管的侧壁上。

进一步地，所述导杆卡扣包括分别位于顶板上端和下端的两部分，两部分与顶板接触部位均设有滚珠，且两部分均横跨导槽。

本发明具有以下优点：

本发明提出一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，用于解决在离心试验中的吸力锚任意位置和任意出平面角度下的加载测试问题。该装置通过竖向导杆的横向出平面运动，可以对不同加载位置和出平面加载角度进行调整，能够实现吸力锚的任意位置和任意出平面角度的加载试验测试。

附图说明

图1本发明的主视图；

图2本发明的俯视图；

图3本发明的模型桩细部主视图；

图4本发明的模型桩细部俯视图；

图5本发明的竖向导杆细部主视图；

其中，模型吸力锚1、加载及出平面调节***2、测量***3、离心机模型箱4、钢管5、侧向导槽6、锚点固定装置7、卸扣8、钢绞线9、顶板10、出平面调节伺服电机11、导槽12、竖向导杆13、竖向导杆挡块14、滑轮导槽15、控向滑轮16、加载伺服电机17、长方体箱体18、x向激光位移传感器19、y向位移传感器20、双向角度传感器21、导杆卡扣22、滚珠23。

具体实施方式

如图1为本发明的一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，包括模型吸力锚1、加载及出平面调节***2、测量***3和离心机模型箱4；所述的离心机模型箱4上部设置有顶板10，其内部装有土；所述的模型吸力锚1设于离心机模型箱4内，模型吸力锚1部分埋置在土中；所述的加载及出平面调节***2用于对模型吸力锚1进行加载，所述的测量***3用于测试模型吸力锚1在加载过程中的水平位移及倾角；

所述模型吸力锚1包括钢管5、侧向导槽6及卸扣8；钢管5为钢制薄壁圆筒结构，侧向导槽6沿钢管5的侧壁通长布置，其上布置有锚点固定装置7，锚点固定装置7包含两套螺栓螺母，所述卸扣8设于两套螺栓螺母之间，通过拧紧两个螺栓固定中间的卸扣8，卸扣8连接有钢绞线9；所述锚点固定装置7可以在侧向导槽6内部上下运动，以实现对不同加载位置的调整；

加载及出平面调节***2包括出平面调节伺服电机11、竖向导杆13和加载伺服电机17；所述出平面调节伺服电机11固定于顶板10上部，顶板10上开有导槽12，用于限制竖向导杆13的横向出平面运动；吸力锚的初始加载方向为x方向，即钢绞线与锚的中心线重合；导槽12垂直于吸力锚的初始加载方向，即y方向；竖向导杆13在与导槽12接触位置固定设有导杆卡扣22，导杆卡扣22与顶板10之间设置有滚珠，以减少摩擦；竖向导杆13一侧固定有竖向导杆挡块14，竖向导杆挡块14与出平面调节伺服电机11的导杆固定连接，最终竖向导杆13的运动可通过出平面调节伺服电机11进行精准控制；在竖向导杆13内侧开有滑轮导槽15，滑轮导槽15内设置有控向滑轮16，通过调节控向滑轮16的位置进而调节钢绞线9的位置，从而对加载倾角进行调整；钢绞线9另一端穿过控向滑轮16后连接至加载伺服电机17上，加载伺服电机17固定在竖向导杆13上，可以随竖向导杆13的横向运动而运动。

所述测量***3包括长方体箱体18、4个x向激光位移传感器19、4个y向位移传感器20和1个双向角度传感器21；所述长方体箱体18固定在模型吸力锚1顶部，使用高强轻质铝合金材料制作；4个x向激光位移传感器19固定在离心机模型箱4的侧壁上，4个x向激光位移传感器19在离心机模型箱4的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体18上的四个标记点的水平x向位移；4个y向位移传感器20固定于离心机模型箱4侧壁，4个y向位移传感器20在离心机模型箱4的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体18上的四个标记点的水平y向位移，双向角度传感器21设于长方体箱体18顶部中心位置，用于测量长方体箱体18沿两个方向x-z和y-z的倾角，通过该测量***，可以捕捉到模型吸力锚1的6个自由度。

所述的侧向导槽6焊接在钢管5的侧壁上。

所述导杆卡扣22包括分别位于顶板10上端和下端的两部分，两部分与顶板接触部位均设有滚珠，且两部分均横跨导槽12。

Claims (4)

1.一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，其特征在于，包括模型吸力锚(1)、加载及出平面调节***(2)、测量***(3)和离心机模型箱(4)；所述的离心机模型箱(4)上部设置有顶板(10)，其内部装有土；所述的模型吸力锚(1)设于离心机模型箱(4)内，模型吸力锚(1)部分埋置在土中；所述的加载及出平面调节***(2)用于对模型吸力锚(1)进行加载，所述的测量***(3)用于测试模型吸力锚(1)在加载过程中的水平位移及倾角；

所述模型吸力锚(1)包括钢管(5)、侧向导槽(6)及卸扣(8)；钢管(5)为钢制薄壁圆筒结构，侧向导槽(6)沿钢管(5)的侧壁通长布置，其上布置有锚点固定装置(7)，锚点固定装置(7)包含两套螺栓螺母，所述卸扣(8)设于两套螺栓螺母之间，通过拧紧两个螺栓固定中间的卸扣(8)，卸扣(8)连接有钢绞线(9)；所述锚点固定装置(7)可以在侧向导槽(6)内部上下运动，以实现对不同加载位置的调整；

加载及出平面调节***(2)包括出平面调节伺服电机(11)、竖向导杆(13)和加载伺服电机(17)；所述出平面调节伺服电机(11)固定于顶板(10)上部，顶板(10)上开有导槽(12)，用于限制竖向导杆(13)的横向出平面运动；吸力锚的初始加载方向为x方向，即钢绞线与锚的中心线重合；导槽(12)垂直于吸力锚的初始加载方向，即y方向；竖向导杆(13)在与导槽(12)接触位置固定设有导杆卡扣(22)，导杆卡扣(22)与顶板(10)之间设置有滚珠，以减少摩擦；竖向导杆(13)一侧固定有竖向导杆挡块(14)，竖向导杆挡块(14)与出平面调节伺服电机(11)的导杆固定连接，最终竖向导杆(13)的运动可通过出平面调节伺服电机(11)进行精准控制；在竖向导杆(13)内侧开有滑轮导槽(15)，滑轮导槽(15)内设置有控向滑轮(16)，通过调节控向滑轮(16)的位置进而调节钢绞线(9)的位置，从而对加载倾角进行调整；钢绞线(9)另一端穿过控向滑轮(16)后连接至加载伺服电机(17)上，加载伺服电机(17)固定在竖向导杆(13)上，可以随竖向导杆(13)的横向运动而运动。

2.根据权利要求书1所述的一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，其特征在于，所述测量***(3)包括长方体箱体(18)、4个x向激光位移传感器(19)、4个y向位移传感器(20)和1个双向角度传感器(21)；所述长方体箱体(18)固定在模型吸力锚(1)顶部，使用高强轻质铝合金材料制作，所述的高强轻质铝合金材料为7075铝合金；4个x向激光位移传感器(19)固定在离心机模型箱(4)的侧壁上，4个x向激光位移传感器(19)在离心机模型箱(4)的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体(18)上的四个标记点的水平x向位移；4个y向位移传感器(20)固定于离心机模型箱(4)侧壁，4个y向位移传感器(20)在离心机模型箱(4)的侧壁上间隔为10cm呈正方形布置且沿着锚中心线对称布置，用于测量长方体箱体(18)上的四个标记点的水平y向位移，双向角度传感器(21)设于长方体箱体(18)顶部中心位置，用于测量长方体箱体(18)沿两个方向x-z和y-z的倾角，通过该测量***，可以捕捉到模型吸力锚(1)的6个自由度。

3.根据权利要求书1所述的一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，其特征在于，所述的侧向导槽(6)焊接在钢管(5)的侧壁上。

4.根据权利要求书1所述的一种用于吸力锚出平面测试的离心机加载装置，其特征在于，所述导杆卡扣(22)包括分别位于顶板(10)上端和下端的两部分，两部分与顶板接触部位均设有滚珠，且两部分均横跨导槽(12)。

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