流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀研發(fā)與應(yīng)用?

張其一

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 山東省海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

研究簡報(bào)

流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀研發(fā)與應(yīng)用?

張其一1, 2

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 山東省海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

摘要：為研究復(fù)合加載模式下三維荷載空間內(nèi)海洋土變形機(jī)理與承載能力，自主研發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度單、雙向復(fù)雜加載路徑的流-固-土耦合靜、動(dòng)態(tài)土工試驗(yàn)儀。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度情況下靜力與動(dòng)力的復(fù)雜加載路徑試驗(yàn)，能夠模擬復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載作用。詳細(xì)的闡述了設(shè)備研發(fā)原理、多自由度控制模式與技術(shù)參數(shù)確定中的若干問題，為日后相關(guān)土工試驗(yàn)設(shè)備的研制提供了參考價(jià)值。初步試驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)設(shè)備能夠較為準(zhǔn)確地研究微觀情況下海洋土體的變形規(guī)律、破壞機(jī)理與極限承載能力；設(shè)備中的耦合加載控制方法，能夠用于研究復(fù)合加載模式下三維荷載空間內(nèi)海床土體的極限承載能力；文中給出的Plc控制模塊、采集模塊能夠較為準(zhǔn)確地提高數(shù)據(jù)的測量與采集精度。

關(guān)鍵詞：海洋土； 流-固-土耦合； 土工試驗(yàn)； 極限承載力

引用格式：張其一. 流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀研發(fā)與應(yīng)用[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016, 46(5)： 119-124.

ZHANG Qi-yi. Development and application of marine soil static and dynamic loading apparatus about coupling fluid-structure-soil with six degrees of freedom[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5)： 119-124.

巖土工程理論分析及相應(yīng)計(jì)算方法的發(fā)展離不開先進(jìn)的土工試驗(yàn)設(shè)備與現(xiàn)代測試技術(shù)。目前在流固耦合、固土耦合研究中，為了分析地基土體的變形-強(qiáng)度特性，常規(guī)的方法往往采用傾斜荷載、偏心荷載來反應(yīng)基礎(chǔ)上荷載分量的不同組合形式[1]，這種加載方式假定地基土體變形過程中基礎(chǔ)荷載分量組合形式恒定，不隨著地基土體變形而變化；實(shí)際上基底土體變形過程中，基礎(chǔ)上作用荷載分量大小、方向往往隨基底土體變形而變化，同時(shí)基礎(chǔ)上荷載分量的不同組合形式對(duì)地基土體變形和強(qiáng)度特性也具有顯著的影響[2]。顯然目前常規(guī)的流-固-土耦合試驗(yàn)方法不能準(zhǔn)確而全面地分析基礎(chǔ)與土體之間的非線性耦合關(guān)系，為了有效地研究多自由度荷載作用下地基土體變形和強(qiáng)度特性，必須開發(fā)一套完整的專門土工實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過不同的試驗(yàn)加載方式來模擬基礎(chǔ)上荷載作用效應(yīng)，從而系統(tǒng)地研究多自由度下海床土體變形與強(qiáng)度特性，為建立復(fù)合加載模式下地基土體變形規(guī)律與極限承載能力提供必要的實(shí)驗(yàn)條件。國內(nèi)外對(duì)多自由度復(fù)合加載模式下海洋巖土變形規(guī)律及其承載能力，多采用數(shù)值計(jì)算法進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)室比尺試驗(yàn)較少，目前尚缺乏合理的試驗(yàn)加載設(shè)備，既無定型產(chǎn)品，也無成熟的制作經(jīng)驗(yàn)。

在國外，牛津大學(xué)(Bienen、Byrne、Houlsby、Martin等人)設(shè)計(jì)了能夠施加豎向荷載、水平荷載和彎矩荷載的土工試驗(yàn)儀，對(duì)自升式平臺(tái)樁腿與海床土體耦合作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的試驗(yàn)研究，分別從6個(gè)自由度方面對(duì)土體變形與基礎(chǔ)荷載分量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析[3-5]。西澳大利亞大學(xué)Cassidy等人，也利用類似試驗(yàn)設(shè)備對(duì)3自由度情況下海洋土極限承載能力進(jìn)行了探索性研究，分析荷載分量之間的非線性耦合效應(yīng)[6]。在國內(nèi)，中國石油大學(xué)設(shè)計(jì)制造了簡單的自升式平臺(tái)插樁試驗(yàn)設(shè)備，加荷設(shè)備采用的是油壓液壓缸，采集系統(tǒng)只能采集單向的荷載反力與位移；試驗(yàn)儀器即不能對(duì)加載路徑與荷載歷史進(jìn)行精確控制，也未實(shí)現(xiàn)多自由耦合控制，尚處在進(jìn)一步完善階段[7]。

作者于2009年開始探討研制與開發(fā)這種多自由度荷載加載與采集設(shè)備的可能性與可行性，充分學(xué)習(xí)與吸取國內(nèi)外現(xiàn)有成果[8]，綜合考慮以往的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，通過反復(fù)論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確立了設(shè)備的機(jī)械元件、自動(dòng)化控制部件、傳感器采集系統(tǒng)以及軟件操控平臺(tái)等詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)，最終獨(dú)立研制出流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀，從目前運(yùn)轉(zhuǎn)、測試情況看，該試驗(yàn)系統(tǒng)基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，具備了較好的工作性能，并規(guī)劃與預(yù)留了后期進(jìn)一步開發(fā)的空間。在該試驗(yàn)儀器研發(fā)過程中，西澳大利亞大學(xué)和牛津大學(xué)針對(duì)復(fù)合加載模式下樁腿極限承載能力進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)研究，為本設(shè)備的研發(fā)提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，大連理工大學(xué)欒茂田教授開發(fā)的土工靜力-動(dòng)力液壓三軸-扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀，為設(shè)備自動(dòng)控制模塊的深入研發(fā)提供了理論參考。

1設(shè)備組成及其主要性能

經(jīng)過詳細(xì)分析，在流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀設(shè)計(jì)中，考慮了多種試驗(yàn)功能，主要包括：(1) 在垂直方向、水平方向、扭轉(zhuǎn)方向，獨(dú)立進(jìn)行靜力和動(dòng)力單雙向加載試驗(yàn)；(2) 在施加動(dòng)靜力荷載時(shí)，可以控制加載幅值、加載速率與加載頻率；(3) 在施加靜動(dòng)力荷載時(shí)，可以考慮不同自由度荷載間的非線性耦合關(guān)系；(4) 靜動(dòng)力加載時(shí)，可以采用荷載控制與位移控制兩種加載模式；(5) 試驗(yàn)過程中，通過加載系統(tǒng)與傳感器采集系統(tǒng)構(gòu)成雙閉環(huán)反饋控制模式，并在試驗(yàn)過程中可以進(jìn)行切換；(6) 試驗(yàn)土樣飽和度采用真空預(yù)壓法，土體表層沖刷采用流速與壓力傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

整個(gè)試驗(yàn)裝置由伺服控制加載系統(tǒng)(伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、PLC與變送儀)、水流沖刷系統(tǒng)(土槽、空壓機(jī)與真空泵、水泵)、傳感器模擬控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制與采集系統(tǒng)、圖形顯示系統(tǒng)等組成。設(shè)備配備傳感器共20路，分別用于測量豎向位移與荷載、水平方向的位移與荷載、三軸方向上的力矩與轉(zhuǎn)角、基底孔壓等20個(gè)參數(shù)。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，施加在基礎(chǔ)形心處的荷載分量如圖2所示。

圖1　流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2　六自由度荷載分量與位移分量

2技術(shù)參數(shù)確定

在調(diào)查和分析國內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論證了近海海床巖土物理力學(xué)特性，最終確立了設(shè)備所能完成的試驗(yàn)功能、模型尺寸、傳感器量程與精度、相關(guān)測量參數(shù)與范圍、荷載加載方式、絲杠與線性模組、伺服驅(qū)動(dòng)模式、信號(hào)處理與采集方式等細(xì)節(jié)問題。所確定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 機(jī)械組件：滾珠絲杠、線性模組，絲杠行程550mm，螺距2mm，模組能夠承受3 000N的荷載；(2) 驅(qū)動(dòng)組件：交流伺服電機(jī)，扭矩1.5N·m，減速器減速比20∶1，直線行進(jìn)最大速度1m/s；(3) 控制系統(tǒng)：2臺(tái)PLC控制器，5組4AD模擬量采集模塊，2組4DA數(shù)字量驅(qū)動(dòng)模塊，20路傳感器及其變送儀；(4) 人機(jī)操作界面：采用組態(tài)王編制調(diào)試平臺(tái)，采用VC6.0編制操作系統(tǒng)。在確定上述技術(shù)指標(biāo)過程中，詳細(xì)的考慮了以下因素。

2.1 比尺模型尺寸確定

在比尺模型試驗(yàn)尺寸選擇過程中，考慮了國內(nèi)外現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽纾⒈ＷC能夠較合理的反演出試驗(yàn)土樣的部分物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)較為詳細(xì)地參考了現(xiàn)有十字板剪切儀的儀器尺寸[9]，最終確立了圓形比尺模型直徑為50、75、100mm 3種情況。對(duì)于工程中的不規(guī)則基礎(chǔ)模型，本試驗(yàn)儀器采用等效面積法進(jìn)行換算。

2.2 試驗(yàn)加載路徑要求

為了能夠較為合理地反應(yīng)基礎(chǔ)與海床土體的耦合作用，對(duì)該設(shè)備的加載模式進(jìn)行了荷載、位移與速度控制，控制流程圖如圖3所示。

圖3　設(shè)備加載流程圖

2.3 控制系統(tǒng)

所研制的土工加載儀設(shè)備，控制系統(tǒng)包括六軸耦合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、伺服絲杠控制系統(tǒng)、荷載位移加載系統(tǒng)、傳感器反饋系統(tǒng)等，如圖4所示。具體的模式控制流程圖如圖5所示。

圖4　試驗(yàn)儀加載控制系統(tǒng)

圖5　模式控制流程圖

為了能夠較為合理的控制不同加載軸之間的耦合作用規(guī)律，各軸間荷載分量的施加通過本試驗(yàn)的“耦合控制模式”進(jìn)行計(jì)算后再加載，耦合控制模式如圖6所示。

圖6　ij軸耦合加載控制模式示意圖

圖6中i≠j用于表示三維載荷空間中任一加載軸。針對(duì)彈性加載系統(tǒng)，即試驗(yàn)土體處于彈性變形階段，試驗(yàn)儀多軸加載過程中所采用的耦合控制方程已經(jīng)有理論解答[10]，如公式(1)所示；對(duì)于彈塑性加載系統(tǒng)，即試驗(yàn)土體發(fā)生較大的塑性變形階段，目前采用有限元計(jì)算的數(shù)值結(jié)果來表示式(1)中的系數(shù)kij。

(1)

上式中V、Hx、Hy、Mx、My、T分別表示三維載荷空間中的豎向荷載、x軸的水平荷載、y軸的水平荷載、x軸的力矩荷載、y軸的力矩荷載與扭矩荷載；E、R分別表示試驗(yàn)土樣的彈性模量與比尺模型的半徑；kij表示荷載與位移間的函數(shù)關(guān)系；Uz、Uhx、Uhy、ωx、ωy、θ分別表示與荷載變量對(duì)應(yīng)的位移變量。

3試驗(yàn)結(jié)果

所研制的土工試驗(yàn)設(shè)備具有多種功能，適用性廣，除了能夠完成常規(guī)的比例加荷試驗(yàn)外，還可以進(jìn)行多自由度耦合加載試驗(yàn)，具備了較為完善的多參數(shù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)包括了機(jī)械部分、自動(dòng)化控制與采集、巖土物理力學(xué)特性、水流沖刷等內(nèi)容，屬于非常規(guī)、非定型設(shè)備，對(duì)于研發(fā)制作而言屬于探索性研究，目前尚缺乏制作與使用經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)該設(shè)備的操作系統(tǒng)極為復(fù)雜，開發(fā)與操作難度較大，作者對(duì)其進(jìn)行了4年構(gòu)思和2年制作。從目前的使用情況來看，雖然仍存在一些有待解決的問題，但基本上可以滿足預(yù)定試驗(yàn)要求，達(dá)到了預(yù)定研發(fā)目標(biāo)。對(duì)復(fù)合加載模式下海洋土變形規(guī)律與極限承載能力進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

采用飽和中粗砂，在各向均等固結(jié)條件下進(jìn)行了單向靜力和動(dòng)力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)加載過程中數(shù)據(jù)采集頻率為10Hz，最低加載位移能夠達(dá)到0.05mm量級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7～10所示；結(jié)果表明，利用該設(shè)備模擬自升式平臺(tái)靜力、動(dòng)力插拔裝過程中，能夠準(zhǔn)確的模擬出樁靴底部土體的壓密、剪切、回流等特性，能夠比較準(zhǔn)確的分析出樁靴周圍土體的彈塑性變形特性與樁周土體的極限承載能力。

圖7　軸向靜力加載

圖8　動(dòng)力循環(huán)加載

同時(shí)，利用該設(shè)備進(jìn)行了軸向-扭轉(zhuǎn)耦合加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。試驗(yàn)證明了該試驗(yàn)儀器能夠較為準(zhǔn)確地研究微觀情況下土體的變形規(guī)律、破壞機(jī)理與極限承載能力；本文給出的耦合加載控制模式，能夠用于研究復(fù)合加載模式下海床土體的極限承載能力。從目前運(yùn)轉(zhuǎn)情況看，該設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，能夠較好地模擬海洋環(huán)境下復(fù)雜的環(huán)境荷載作用。

圖9　超孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律

圖10　扭轉(zhuǎn)靜力加載

圖11　V-T載荷空間內(nèi)破壞包絡(luò)線

利用該設(shè)備，目前已經(jīng)針對(duì)不同海洋結(jié)構(gòu)物和多種荷載組合情況以及復(fù)雜加載模式下海床土體的變形規(guī)律、承載能力進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，較為深入的探討了多自由度復(fù)合加載模式下海床土體力學(xué)特性與極限承載能力，相關(guān)研究成果待深入分析與整理后陸續(xù)發(fā)表。

4結(jié)語

自主研發(fā)的流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀具有多種試驗(yàn)功能，在系統(tǒng)研究海洋土極限承載能力方面具有較大的優(yōu)越性，除了能夠完成普通的靜力加載外，還可以實(shí)現(xiàn)不同加載路徑的多自由度耦合試驗(yàn)，具有獨(dú)立的多通道、多參數(shù)檢測與采集系統(tǒng)，為深入研究多自由度下海洋土變形規(guī)律與承載能力提供了可靠的試驗(yàn)技術(shù)條件。初步試驗(yàn)結(jié)果表明該試驗(yàn)儀器達(dá)到了預(yù)期研發(fā)要求，但多自由度耦合控制模塊尚需日后進(jìn)一步深入完善與改進(jìn)，并進(jìn)行相關(guān)科研工作。

鑒于自主研制該設(shè)備屬于探索性和開拓性的科研工作，在多自由度加載控制方法、基本參數(shù)的確定與相關(guān)技術(shù)要求的提出中，綜合考慮了多方面的因素，希望該設(shè)備的研制經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)榻窈笸凉ぴ囼?yàn)設(shè)備的創(chuàng)新與引進(jìn)提供有益的借鑒。

致謝：感謝中國海洋大學(xué)長江學(xué)者李華軍教授、工程學(xué)院史宏達(dá)教授、黎明教授對(duì)本項(xiàng)研究工作給予的特別關(guān)心與支持。

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責(zé)任編輯陳呈超

Development and Application of Marine Soil Static and Dynamic Loading Apparatus About Coupling Fluid-Structure-Soil With Six Degrees of Freedom

ZHANG Qi-Yi1, 2

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Key Laboratory of Ocean Engineering of Shandong Province, Qingdao 266100, China)

Abstract:In order to study the deformation law and it’s bearing capacity of marine soil under combined loading in three dimensional loading space, this marine soil static and dynamic coupling fluid-structure-soil appararus mentioned in this paper is designed, which can simulate unidirectional or bidirectional loading path with six degrees of freedom in three dimensional loading space. This soil apparatus can realize complex static and dynamic loading path tests and can simulate complex ocean environmental loading interaction between the structures and fluid including wave loading, current loading and wind loading, which could be used to study the nonlinear coupling interaction among the ocean structure, the fluid loading and the soil sediment in laboratory. Some key issues related to the development principle of this soil appararus, the control modes with multiple degrees of freedom in three dimensional loading space and the determination of some technical parameters of this complicated testing system are discussed in this paper, some experience gained in the process of the development of this soil apparatus will be helpful to develop relevant soil devices in future. The preliminary experiment results show that this soil apparatus can study accurately the deformation law and failure mechanism from the microscopic point of view and simulate their bearing capacity of structure foundations on seabed; the coupling loading control modes of this soil appararus mentioned in this paper can be used to study the ultimate bearing capacity of marine soil under combined loading in three dimensional loading space; and the Plc control module, data acquisition module mentioned in this paper can accurately improve the measurement and acquisition accuracy.

Key words:marine soil; coupling fluid-structure-soil; soil tests; ultimate bearing capacity

基金項(xiàng)目：? 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50909050),山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2009FQ004)

收稿日期：2014-10-12；

修訂日期：2015-07-09

作者簡介：張其一(1977-).男，副教授。E-mail：zhangqiyi@163.com

中圖法分類號(hào)：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)05-119-06

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140209

Supported by the National Natural Science Foundation of China,Supported by the Natural Science Foundation of shandong Province.