模擬海流載荷下管土動力相互作用的加載系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及海底管道工程、海洋土力學及海洋基礎工程技術，尤其是一種模擬海流載荷下管土動力相互作用的加載系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]海底油氣管道、海底電纜、光纜等海底管系結構作為有效的海底運輸與通訊手段，已在全球海洋工程中被廣泛應用。對于缺乏填埋、加固措施的深海管道，海底管系結構在海洋波流環(huán)境下工作，易受到循環(huán)載荷的影響而發(fā)生地基土體承載能力降低、管系結構附加嵌入等現(xiàn)象，嚴重時可能發(fā)生管系結構失穩(wěn)破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境災害。
[0003]在海洋環(huán)境中，單向海流沿側向流經(jīng)床面上非埋管道時，受到粘滯力、繞流壓力差，繞流尾渦脈動的影響，管道的側向受力可以簡化為一個與床面成一定角度、由較大的常荷載和幅值較小的正弦載荷相疊加的循環(huán)載荷。而當海底管道路徑出現(xiàn)彎曲時(常見于水下長輸管道)，季節(jié)性水溫變化、輸運物質速度波動等因素也將在管系結構側向產生循環(huán)載荷。循環(huán)載荷來源復雜，周期、幅值跨度大，對地基土體的影響也因此較為復雜；一方面，排水能力較弱的地基在高頻率大幅度的循環(huán)載荷作用下，可能由于孔壓消散不及造成土體液化而促使結構失穩(wěn)破壞；另一方面，循環(huán)載荷也可能增大海底管道埋深，從而提高管系結構側向、軸向穩(wěn)定性。因此，研宄側向周期荷載下海底管系結構與床面土體相互作用的特征和機理，對未來深海工程中確保海底管道穩(wěn)定性而言非常重要。
[0004]目前，針對海底管系結構在靜載荷下的極限承載能力的研宄已經(jīng)日趨完善，同時可生成常荷載的加載裝置也較為成熟。參見:
[0005][1]Gao, F.P., Yan, S.M., Yang, B., Luo, C.C., 2011.Steady flow-1nducedinstability of a partially embedded pipeline:pipe - soil interact1n mechanism.
[0006][23ffagner, D.A., Murff, J.D., Brennodden, H., Sveggen, 0., 1989.Pipe -soil interact1n model.Journal of Waterway, Port, Coastal, Ocean Engineering115(2)，205 - 220.
[0007]然而，在循環(huán)載荷下管土動力作用的問題尚存在較大的研宄空間；現(xiàn)在普遍使用的液壓伺服循環(huán)加載設備也存在技術復雜、研制成本高等不足。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明提供一種模擬海流載荷下管土動力相互作用的加載系統(tǒng)，用于克服現(xiàn)有加載方法的不足，實現(xiàn)簡化設備構造，并達到降低設備成本的目的。
[0009]本發(fā)明提供一種模擬海流載荷下管土動力相互作用的加載系統(tǒng)，包括循環(huán)載荷加載裝置、約束裝置以及測量裝置；其中:
[0010]循環(huán)載荷加載裝置，用于向置于床面上的管道兩端的中心軸施加循環(huán)載荷，包括:
[0011]傳動裝置，將電機輸入的勻速轉動轉換為模擬正弦的往復轉動；輸入端與電機主軸傳動連接，輸出端與位移載荷轉化裝置連接；
[0012]所述位移載荷轉化裝置，將上述往復轉動轉化為指定常荷載與模擬正弦荷載疊加的循環(huán)荷載；包括線筒、加載彈簧以及第一配重塊；所述線筒中心軸與所述傳動裝置輸出端連接；所述第一配重塊通過繩索繞設在線筒上；所述加載彈簧一端通過繩索繞設在所述線筒上，另一端連接在所述管道中心軸上；
[0013]位移修正裝置，用于根據(jù)所述管道的位移調整繩索的長度，使得循環(huán)載荷不因多周期的累積管道位移而發(fā)生衰減；包括單向軸承，所述線筒包括所述線筒中心軸和套設于所述線筒中心軸上的外筒，所述單向軸承設置在所述線筒中心軸與外筒之間；
[0014]測量裝置，用于實時測量所述管道沿床面的水平位移、垂直床面方向的嵌入深度以及所述管道以及管道周圍土體在循環(huán)載荷下孔壓；包括用于測量施加在所述管道上循環(huán)載荷拉力的拉力傳感器、用于測量所述管道沿床面水平位移的水平激光位移傳感器、用于測量所述管道垂直床面方向的嵌入深度的垂直激光位移傳感器、用于測量所述管道鄰近土體在循環(huán)載荷下孔壓變化的孔壓傳感器和用于對上述傳感器的工作進行同步觸發(fā)和采集傳輸?shù)亩嗤ǖ罃?shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)。
[0015]其中，所述傳動裝置包括第一傳動裝置和第二傳動裝置，其中，所述第一傳動裝置用于將輸入的勻速轉動轉換為往復平動；第二傳動裝置用于將輸入的往復平動轉換為往復轉動。
[0016]進一步地，所述第一傳動裝置包括曲柄盤、連桿和滑塊；
[0017]所述曲柄盤中心與所述電機主軸固定連接；
[0018]所述曲柄盤上設置有至少一個軸孔；
[0019]所述連桿一端與所述第二傳動裝置輸入端鉸接，另一端與所述軸孔鉸接；
[0020]所述滑塊固定在所述第二傳動裝置輸入端；
[0021]在固定于土槽的機架上設有水平直線導軌，所述滑塊能在所述水平直線導軌上滑動。
[0022]更進一步地，所述第二傳動裝置包括齒條和齒輪；
[0023]所述齒條一端與所述連桿一端連接，所述齒條與所述齒輪嚙合；
[0024]所述齒輪的中心軸與所述線筒中心軸傳動連接或固定連接；
[0025]所述滑塊底部具有與所述水平直線導軌配合的滑槽，所述滑塊頂部與所述齒條底部連接。
[0026]特別是，連接在所述管道的中心軸與加載彈簧之間的繩索纏繞在至少一個定滑輪上。
[0027]其中，該加載系統(tǒng)還包括:
[0028]常量載荷加載裝置，用于向所述管道兩端的中心軸施加常量載荷。
[0029]進一步地，所述常量載荷加載裝置包括第二配重塊和至少一個定滑輪，所述第二配重塊通過纏繞在所述定滑輪上的繩索連接在所述管道的中心軸上。
[0030]其中，所述加載裝置還包括約束裝置，用于限定所述管道的轉動，使得所述管道在床面上平動；
[0031]所述約束裝置包括至少一個平行四邊形框架；
[0032]所述平行四邊形框架包括兩水平邊框和兩斜邊框，所述斜邊框的兩端均鉸接在所述水平邊框上；
[0033]位于下方的所述水平邊框通過支架與所述管道固定連接，位于上方的另一所述水平邊框連接在能水平移動的小車上。
[0034]進一步地，所述土槽上設置有一位于所述管道上方的水平軌道，所述小車上設置有至少一個滾輪，所述滾輪設置在所述水平軌道上。
[0035]其中，所述拉力傳感器設置在連接所述加載彈簧與管道中心軸之間的繩索上；
[0036]所述垂直激光位移傳感器設置在所述小車上；
[0037]所述水平激光位移傳感器設置在一架體上，該架體與所述土槽固定連接；
[0038]所述孔壓傳感器設置在管道與床面接觸的部分上。
[0039]本發(fā)明提供的模擬海流載荷下管土動力相互作用的加載系統(tǒng)，通過循環(huán)載荷加載裝置可生成一循環(huán)載荷，并沿側向對模型管道加載，用以模擬波流等動力載