板樁碼頭模型的創(chuàng)新設計及在實驗教學中的應用

王瑞彩，吳 騰，秦 杰

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

高校實驗教學是以實驗室為場所，以實驗儀器、實驗指導書為媒體，在教師指導下，通過學生操作儀器、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、分析討論實驗結果為主要教學形式的實踐性教學環(huán)節(jié)，是一種模擬環(huán)境下對于理論知識的應用。通過實驗教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生運用所學知識分析問題、解決問題和創(chuàng)新實踐的能力，能夠很大程度地提升教學水平和教育質(zhì)量，具有理論教學不可替代的作用。

港口水工建筑物是港口航道與海岸工程專業(yè)學生必修的專業(yè)主干課程，板樁碼頭是港口水工建筑物中一種重要的碼頭結構形式。理論課程的學習可以讓學生掌握板樁碼頭的結構形式和特點、構造要求、設計原理與設計方法，但對于運營過程中承受復雜荷載作用的板樁碼頭的受力特性，很難根據(jù)課程理論知識進行直觀的分析，存在著理論與實踐結合不緊密的現(xiàn)象。針對這一情況，我們研發(fā)并建設完成了板樁碼頭實驗教學系統(tǒng)，通過對該教學模型施加不同工況的荷載，并對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，讓學生對板樁碼頭的受力特性有直觀的認識。板樁碼頭實驗教學加深了學生對理論知識的理解和掌握，取得了良好的教學效果。

一、板樁碼頭教學模型簡介

板樁碼頭教學模型是以原型碼頭為參照，按照一定的相似比例尺縮小制作而成。教學模型采用單錨板樁的結構形式，主要包括板樁、拉桿、錨碇結構、導梁、帽梁、面板等構件。模型板樁墻是由多塊鋼筋混凝土板樁相互以凸凹榫的連接方式形成的擋土結構，板樁尖嵌固在模型槽的土體中，板樁頂由帽梁固定連接在一起。拉桿和錨碇結構設置在板樁碼頭模型內(nèi)部，拉桿一端固定在錨碇結構上，另一端貫穿板樁墻的中上部并固定在導梁上。板樁墻內(nèi)側回填土引起的側向土壓力與拉桿的拉力處于平衡狀態(tài)，共同維持板樁墻的穩(wěn)定。為了對板樁碼頭模型的受力特性有直觀的認識，能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行受力特性分析，在模型板樁墻的內(nèi)側和拉桿上分別布設了土壓力傳感器和拉力傳感器，在模型板樁墻的外部布設了位移傳感器和應變傳感器。板樁碼頭模型及傳感器布置如圖1 所示。

圖1 板樁碼頭模型及傳感器布置圖

在實驗教學模型的制作過程中，用于測定拉桿拉力的傳感器和測定板樁墻后土壓力的傳感器，在板樁碼頭面板澆筑后完全封閉在模型內(nèi)部。一旦傳感器出現(xiàn)故障無法滿足教學要求時，只能通過拆開模型并挖出內(nèi)部填土的方法進行傳感器的更換，相當于重新制作模型，工作量大，耗時長，成本高。從板樁碼頭模型投入教學工作至今，已經(jīng)經(jīng)歷了兩次拆開模型更換內(nèi)部傳感器的情況。

為解決更換故障傳感器必須拆開模型并挖出內(nèi)部填土的問題，本文以板樁碼頭教學模型為基礎，創(chuàng)新性地設計了傳感器的埋設裝置，通過這種特殊的傳感器埋設方式，可以在傳感器出現(xiàn)故障時，在不破壞教學模型的情況下實現(xiàn)隨時更換，操作便捷，且不會影響正常的教學工作，節(jié)約了教學成本。該設計方案對內(nèi)置傳感器的板樁碼頭物理模型具有重要意義。

二、傳感器埋設裝置的創(chuàng)新設計及傳感器更換方法

為解決不破壞教學模型亦可對故障傳感器進行更換的難題，分別設計了可更換模型內(nèi)部土壓力傳感器的埋設裝置及拉力傳感器的埋設裝置。

(一)土壓力傳感器埋設裝置的創(chuàng)新設計及土壓力傳感器更換方法

板樁墻后埋設的土壓力傳感器為扁平柱狀體，其正面與土體緊密接觸，背面固定在板樁墻上。本文設計的可相對固定的土壓力傳感器埋設裝置，可實現(xiàn)以下功能：當土壓力傳感器處于工作狀態(tài)時，該裝置用來固定土壓力傳感器；當土壓力傳感器出現(xiàn)故障需要更換時，在不破壞教學模型的情況下，通過拆卸該裝置，可對土壓力傳感器進行更換。

1.土壓力傳感器埋設裝置的組成和結構設計

土壓力傳感器埋設裝置主要由固定組件、固定板和安裝板組成。

(1)固定組件。固定組件是土壓力傳感器埋設裝置的核心，用來固定安裝并保護土壓力傳感器，同時實現(xiàn)板樁碼頭模型的可拆裝功能。固定組件所包含的元件有：a.固定圈體。固定圈體用來固定土壓力傳感器，圈體上設有一個缺口，供土壓力傳感器的測量導線穿出。圈體的高度小于土壓力傳感器的高度，保證土壓力傳感器的正面與模型內(nèi)部的土體能夠充分接觸，避免由于固定圈體的存在而影響土壓力測量的準確性。b.拉環(huán)。拉環(huán)是拆卸土壓力傳感器埋設裝置的輔助元件，借助拉環(huán)能夠?qū)⒐潭ńM件方便地拉出模型。c.安裝槽。安裝槽與固定圈體、拉環(huán)固定連接在一起，形成一個半封閉的空間。這個半封閉的空間一方面可用來阻擋板樁墻后的填土進入影響土壓力傳感器的拆裝，另一方面可以保護土壓力傳感器的測量導線。

固定組件及土壓力傳感器組合安裝如圖2 所示。

圖2 固定組件及土壓力傳感器組合安裝圖

(2)固定板。固定板需要滿足可拆卸式固定組件穿過并起到支撐固定組件的作用，設計時可考慮借助板樁墻體實現(xiàn)該功能。用相同尺寸的槽鋼替換教學模型中埋設的土壓力傳感器的鋼筋混凝土板樁，并在其上開設能夠與固定組件相卡合的固定組件腔，固定組件腔的數(shù)量和間距布置根據(jù)模型設計時需測量的點的位置確定。

(3)安裝板。安裝板主要用于支撐土壓力傳感器和固定組件。安裝板上還設置有土壓力傳感器測量導線穿過的通孔，便于導線穿出模型外部與量測設備連接。另外安裝板與固定板上均預有留螺栓通孔，通過螺栓通孔實現(xiàn)安裝板與固定板之間的可拆卸式固定連接。

土壓力傳感器埋設裝置如圖3 所示。

圖3 土壓力傳感器埋設裝置圖

2.土壓力傳感器更換方法

正常情況下土壓力傳感器卡固在固定組件內(nèi)，其正面緊密接觸模型內(nèi)部的土體，感知板樁墻后土壓力的大小，側面由固定組件支撐，背面由安裝板支撐。當土壓力傳感器出現(xiàn)故障需要更換時，按照以下的操作流程進行：(1)松開安裝板上的固定螺帽，將安裝板從固定板上卸下，使固定組件和舊的土壓力傳感器外露；(2)用特制的手拉勾工具鉤住固定組件的拉環(huán)，將固定組件從固定組件腔中取出；(3)將故障土壓力傳感器從固定組件中取出，換裝入新的土壓力傳感器，并將其導線從固定圈體的缺口處伸出，然后將固定組件卡入固定組件腔中；(4)將土壓力傳感器的導線從安裝板的導線孔中穿出，并將安裝板重新安裝于固定板上，旋緊固定螺帽；(5)連接土壓力傳感器的導線至實驗測量儀器上，即完成土壓力傳感器的更換工作。此時，通過對模型施加荷載，即可進行板樁碼頭模型的受力特性實驗。

(二)拉力傳感器埋設裝置的創(chuàng)新設計及傳感器更換方法

拉力傳感器為圓柱狀，通過兩端帶外螺紋的套桿與拉桿螺紋連接。本文設計的相對固定連接的拉力傳感器可拆卸裝置，可實現(xiàn)以下功能：當拉力傳感器處于工作狀態(tài)時，該裝置處于相對固定狀態(tài)，能夠進行力的傳遞，并感知拉力大小；當拉力傳感器出現(xiàn)故障需要更換時，可以在不破壞教學模型的情況下，通過拆卸該裝置對拉力傳感器進行更換。

1.拉力傳感器埋設裝置的組成和結構設計

拉力傳感器埋設裝置主要由傳感器安裝機構、固定機構、力傳遞機構、保護機構和錨碇結構組成。

(1)傳感器安裝機構。傳感器安裝機構是拉力傳感器埋設裝置的核心，是實現(xiàn)傳感器拆裝的相對固定裝置。傳感器安裝機構所包含的元件有：a.轉盤。拉力傳感器設置在模型內(nèi)部，與拉桿相對固定在一起，轉盤能夠?qū)Π惭b機構施加扭矩，方便傳感器安裝機構的拆裝。b.拉力傳感器。c.拉桿。拉桿需要同時具備傳力功能和實現(xiàn)與拉力傳感器拆裝的功能，設計了兩根鋼拉桿a 和b。拉桿a和b 的一端為帶有外螺紋的套桿，另一端為帶有內(nèi)螺紋的套筒。拉桿a 的側壁上設置了導線孔，并在側壁的適當位置預留了導線出口，便于拉力傳感器的測量導線穿出模型外部與測量設備相連。轉盤、拉桿a、拉力傳感器、拉桿b 依次螺紋連接，形成傳感器安裝機構，如圖4 所示。

圖4 拉力傳感器安裝機構

(2)固定機構。固定機構的主要作用是固定和支撐傳感器安裝機構，主要由固定板和固定組件構成。固定板需要滿足可拆卸式傳感器安裝機構穿過的要求并起到支撐作用，設計時可考慮借助板樁墻體來實現(xiàn)這一功能。在板樁墻體對應拉桿的位置處預留孔洞，供傳感器安裝機構進行拆裝作業(yè)。固定組件包括固定導梁和緊固螺帽a，固定導梁借助板樁碼頭模型的鋼導梁來實現(xiàn)。在鋼導梁上設置拉桿通孔，傳感器安裝機構穿過固定板和鋼導梁后，通過緊固螺帽a 固定在板樁碼頭模型上。

(3)力傳遞機構。力傳遞機構是將板樁墻上受到的外力傳遞給模型內(nèi)部錨碇結構的構件，包括拉桿c 和緊固螺帽b。拉桿c 需同時具備傳力功能和實現(xiàn)與傳感器安裝機構的螺桿可拆卸式連接功能，將拉桿c 的一端設計為帶內(nèi)螺紋的套筒，另一端設計為帶外螺紋的套桿的形式。帶內(nèi)螺紋的套筒端與傳感器安裝機構的拉桿b 螺紋連接，帶外螺紋的套桿端穿過錨碇結構并由緊固螺帽b 固定。力傳遞機構如圖5 所示。

圖5 力傳遞機構

(4)保護機構。保護機構是將安裝有拉力傳感器的拉桿與板樁碼頭模型內(nèi)部填土隔開的裝置，包括兩個相互嵌套的保護鋼管及與之相匹配的預埋鋼環(huán)。保護鋼管a 和b 的一端分別通過板樁墻內(nèi)側或錨碇結構上的預埋鋼環(huán)焊接固定，另一端為相互嵌套且處于非接觸的自由狀態(tài)，保證板樁墻受到外力后能夠通過拉桿將力傳遞給錨碇結構而不會受保護機構的影響。保護機構如圖6 所示。

圖6 保護機構

(5)錨碇結構。錨碇結構的主要作用是固定拉桿并將拉桿傳遞的力傳給地基，設計時考慮借助于原有教學模型的錨碇結構實現(xiàn)該功能。

拉力傳感器埋設裝置如圖7 所示。

圖7 拉力傳感器埋設裝置圖

2.拉力傳感器更換方法

正常情況下拉力傳感器通過螺紋連接在傳感器安裝機構上。當板樁墻受到外荷載作用時，依次通過板樁墻、傳感器安裝機構和力傳遞機構將外力傳給錨碇結構，傳感器安裝機構上的拉力傳感器感知力的大小。當拉力傳感器出現(xiàn)故障無法滿足教學要求時，按照以下的操作流程進行：(1)松開固定導梁上的緊固螺帽a，旋轉轉盤，使傳感器安裝機構與力傳遞機構脫離，將傳感器安裝機構從教學模型中取出；(2)將故障拉力傳感器從傳感器安裝機構的拉桿a 和b 上卸下，換裝入新的拉力傳感器并穿出導線；(3)將傳感器安裝機構依次穿過固定導梁、固定板(板樁墻體)，通過反向旋轉轉盤的方式使傳感器安裝機構與力傳遞機構螺紋連接；(4)旋緊緊固螺帽a，連接拉力傳感器的導線至實驗測量儀器上，即可實現(xiàn)拉力傳感器的更換。此時，通過對教學模型施加外荷載，即可進行模型的受力特性實驗。

可更換內(nèi)部傳感器的板樁碼頭教學模型如圖8 所示。

圖8 可更換內(nèi)部傳感器的板樁碼頭教學模型圖

三、板樁碼頭模型教學應用及教學效果

(一)板樁碼頭模型的教學應用

板樁碼頭教學模型自開發(fā)建設完成后即投入了教學工作。根據(jù)教學要求和實驗操作需要的人數(shù)，確定每個實驗小組的學生人數(shù)，一般安排5 人左右。實驗小組成員在實驗前通過預習實驗內(nèi)容，對板樁碼頭實際運營中可能受到的可變荷載及其荷載組合進行分析，設計實驗工況，并按照實驗流程進行儀器操作、加載、讀數(shù)等實驗步驟，實驗結束后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和撰寫實驗報告。

圖9 為某實驗小組對板樁碼頭教學模型分別施加了豎直荷載和兩級水平荷載的實驗結果，包括了設計荷載作用下的土壓力分布曲線、拉桿軸力變化值、板樁墻內(nèi)力變化曲線和板樁墻位移曲線。從圖中可以看出：(1)無論是板樁墻后的土壓力變化、拉桿軸力變化、板樁墻身彎矩變化還是板樁墻位移變化，均為水平荷載引起的變化遠大于豎直荷載引起的變化。(2)對于板樁墻后的土壓力來說，沿板樁墻高度方向呈現(xiàn)復雜的曲線分布，不能簡單地根據(jù)土壓力公式進行計算。對模型上部施加水平荷載后，板樁墻后上部土壓力有比較大的變化、下部土壓力幾乎沒有變化，說明板樁墻上部受力特性變化明顯；而對模型施加豎直荷載后，板樁墻后的土壓力無論是上部還是下部的變化都不明顯。(3)對于拉桿上的拉力來說，無論是水平荷載作用還是豎直荷載作用，模型內(nèi)部4 根拉桿上的軸力變化量并不相同，中間的兩根拉桿軸力變化大，兩邊的兩根拉桿軸力變化小。這主要是因為施加的水平荷載和豎直荷載都是在模型中部，模型實驗結果反映出了板樁碼頭受力后并非均勻向拉桿傳遞力，而是隨著與拉桿距離的變大傳遞的外力變小。(4)對于板樁墻身彎矩來說，板樁墻身在頂部受到帽梁固定作用和中上部的拉桿作用，相應位置處的彎矩變化比較大，板樁墻身彎矩沿板樁高度方向呈現(xiàn)復雜曲線，同時豎直荷載引起的變化遠小于水平荷載引起的變化。(5)對于板樁墻的位移來說，由于受到頂部帽梁固定作用、中上部的拉桿作用以及樁尖入土的嵌固作用，沿著板樁墻高度方向也呈現(xiàn)復雜的曲線變化。

圖9 某實驗小組數(shù)據(jù)分析

從以上實驗結果分析可以看出，板樁碼頭的受力特性復雜。通過板樁碼頭模型的受力特性實驗和數(shù)據(jù)分析，可以讓學生非常直觀地理解在外荷載作用下板樁墻后土壓力、拉桿的拉力、板樁墻身彎矩和位移的受力變化特點。這種實踐教學模式加強了學生對板樁碼頭理論知識的理解和掌握，深化了對板樁碼頭受力特性的認知。

(二)教學效果

板樁碼頭實驗教學模型自投入教學工作以來，為港口航道與海岸工程專業(yè)學生提供了實際動手操作的機會，鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力。該實驗教學模型除了為本校學生開設必修的實踐課程之外，還為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃提供了實驗平臺，也為周邊高校相關專業(yè)的學生提供了實踐教學平臺，獲得了本校學生和相關高校學生的一致好評，教學效果顯著。

四、結束語

板樁碼頭實驗教學模型是港航工程綜合實驗課程的重要實驗模型。通過該實驗教學模型，不僅能夠讓學生認識模型的各部分結構組成，更主要的是通過對實驗方案設計及對模型施加荷載實驗，能夠讓學生分析在復雜荷載作用下板樁碼頭的受力特性，加深對理論知識的理解和掌握，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力。

本文提出了可更換教學模型內(nèi)置傳感器的設計方案，通過對可拆卸式土壓力傳感器埋設裝置和拉力傳感器埋設裝置的設計，解決了傳感器出現(xiàn)故障時必須拆開模型挖出墻后填土才能進行傳感器更換的難題，實現(xiàn)了在不破壞教學模型的條件下可隨時更換故障傳感器的目標，節(jié)約了教學模型拆除換新的成本。可拆卸式傳感器埋設裝置構造簡單、拆裝便捷、操作方便，本文的教學模型設計方案已成功申請了兩項國家發(fā)明專利，具有新穎性、創(chuàng)造性和實用性，適合在高校相關專業(yè)的教學模型中推廣使用。