流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀研發與應用?

張其一

(1. 中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100; 2. 山東省海洋工程重點試驗室, 山東 青島 266100)

研究簡報

流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀研發與應用?

張其一1, 2

(1. 中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100; 2. 山東省海洋工程重點試驗室, 山東 青島 266100)

摘要：為研究復合加載模式下三維荷載空間內海洋土變形機理與承載能力，自主研發了能夠實現六自由度單、雙向復雜加載路徑的流-固-土耦合靜、動態土工試驗儀。該設備能夠實現多自由度情況下靜力與動力的復雜加載路徑試驗，能夠模擬復雜的海洋環境荷載作用。詳細的闡述了設備研發原理、多自由度控制模式與技術參數確定中的若干問題，為日后相關土工試驗設備的研制提供了參考價值。初步試驗結果表明：該試驗設備能夠較為準確地研究微觀情況下海洋土體的變形規律、破壞機理與極限承載能力；設備中的耦合加載控制方法，能夠用于研究復合加載模式下三維荷載空間內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確地提高數據的測量與采集精度。

關鍵詞：海洋土； 流-固-土耦合； 土工試驗； 極限承載力

引用格式：張其一. 流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀研發與應用[J].中國海洋大學學報(自然科學版)，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計算方法的發展離不開先進的土工試驗設備與現代測試技術。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-強度特性，常規的方法往往采用傾斜荷載、偏心荷載來反應基礎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荷載分量組合形式恒定，不隨著地基土體變形而變化；實際上基底土體變形過程中，基礎上作用荷載分量大小、方向往往隨基底土體變形而變化，同時基礎上荷載分量的不同組合形式對地基土體變形和強度特性也具有顯著的影響[2]。顯然目前常規的流-固-土耦合試驗方法不能準確而全面地分析基礎與土體之間的非線性耦合關系，為了有效地研究多自由度荷載作用下地基土體變形和強度特性，必須開發一套完整的專門土工實驗設備，通過不同的試驗加載方式來模擬基礎上荷載作用效應，從而系統地研究多自由度下海床土體變形與強度特性，為建立復合加載模式下地基土體變形規律與極限承載能力提供必要的實驗條件。國內外對多自由度復合加載模式下海洋巖土變形規律及其承載能力，多采用數值計算法進行研究，實驗室比尺試驗較少，目前尚缺乏合理的試驗加載設備，既無定型產品，也無成熟的制作經驗。

在國外，牛津大學(Bienen、Byrne、Houlsby、Martin等人)設計了能夠施加豎向荷載、水平荷載和彎矩荷載的土工試驗儀，對自升式平臺樁腿與海床土體耦合作用進行了較為詳細的試驗研究，分別從6個自由度方面對土體變形與基礎荷載分量間的對應關系進行了詳細分析[3-5]。西澳大利亞大學Cassidy等人，也利用類似試驗設備對3自由度情況下海洋土極限承載能力進行了探索性研究，分析荷載分量之間的非線性耦合效應[6]。在國內，中國石油大學設計制造了簡單的自升式平臺插樁試驗設備，加荷設備采用的是油壓液壓缸，采集系統只能采集單向的荷載反力與位移；試驗儀器即不能對加載路徑與荷載歷史進行精確控制，也未實現多自由耦合控制，尚處在進一步完善階段[7]。

作者于2009年開始探討研制與開發這種多自由度荷載加載與采集設備的可能性與可行性，充分學習與吸取國內外現有成果[8]，綜合考慮以往的經驗與教訓，通過反復論證和優化設計，最終確立了設備的機械元件、自動化控制部件、傳感器采集系統以及軟件操控平臺等詳細的技術指標，最終獨立研制出流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀，從目前運轉、測試情況看，該試驗系統基本上達到了預期的設計功能，具備了較好的工作性能，并規劃與預留了后期進一步開發的空間。在該試驗儀器研發過程中，西澳大利亞大學和牛津大學針對復合加載模式下樁腿極限承載能力進行的大量實驗研究，為本設備的研發提供了非常寶貴的經驗；同時，大連理工大學欒茂田教授開發的土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀，為設備自動控制模塊的深入研發提供了理論參考。

1設備組成及其主要性能

經過詳細分析，在流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀設計中，考慮了多種試驗功能，主要包括：(1) 在垂直方向、水平方向、扭轉方向，獨立進行靜力和動力單雙向加載試驗；(2) 在施加動靜力荷載時，可以控制加載幅值、加載速率與加載頻率；(3) 在施加靜動力荷載時，可以考慮不同自由度荷載間的非線性耦合關系；(4) 靜動力加載時，可以采用荷載控制與位移控制兩種加載模式；(5) 試驗過程中，通過加載系統與傳感器采集系統構成雙閉環反饋控制模式，并在試驗過程中可以進行切換；(6) 試驗土樣飽和度采用真空預壓法，土體表層沖刷采用流速與壓力傳感器構成的閉環控制系統。

整個試驗裝置由伺服控制加載系統(伺服電機、驅動器、PLC與變送儀)、水流沖刷系統(土槽、空壓機與真空泵、水泵)、傳感器模擬控制系統、計算機數字控制與采集系統、圖形顯示系統等組成。設備配備傳感器共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角、基底孔壓等20個參數。整個試驗系統如圖1所示，施加在基礎形心處的荷載分量如圖2所示。

圖1　流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀試驗系統

圖2　六自由度荷載分量與位移分量

2技術參數確定

在調查和分析國內外現有實驗裝置有關資料的基礎上，詳細論證了近海海床巖土物理力學特性，最終確立了設備所能完成的試驗功能、模型尺寸、傳感器量程與精度、相關測量參數與范圍、荷載加載方式、絲杠與線性模組、伺服驅動模式、信號處理與采集方式等細節問題。所確定的各項技術指標如下：(1) 機械組件：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) 驅動組件：交流伺服電機，扭矩1.5N·m，減速器減速比20∶1，直線行進最大速度1m/s；(3) 控制系統：2臺PLC控制器，5組4AD模擬量采集模塊，2組4DA數字量驅動模塊，20路傳感器及其變送儀；(4) 人機操作界面：采用組態王編制調試平臺，采用VC6.0編制操作系統。在確定上述技術指標過程中，詳細的考慮了以下因素。

2.1 比尺模型尺寸確定

在比尺模型試驗尺寸選擇過程中，考慮了國內外現有試驗模型的尺寸，并保證能夠較合理的反演出試驗土樣的部分物理力學參數，同時較為詳細地參考了現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。對于工程中的不規則基礎模型，本試驗儀器采用等效面積法進行換算。

2.2 試驗加載路徑要求

為了能夠較為合理地反應基礎與海床土體的耦合作用，對該設備的加載模式進行了荷載、位移與速度控制，控制流程圖如圖3所示。

圖3　設備加載流程圖

2.3 控制系統

所研制的土工加載儀設備，控制系統包括六軸耦合運動控制系統、PLC控制系統、伺服絲杠控制系統、荷載位移加載系統、傳感器反饋系統等，如圖4所示。具體的模式控制流程圖如圖5所示。

圖4　試驗儀加載控制系統

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律，各軸間荷載分量的施加通過本試驗的“耦合控制模式”進行計算后再加載，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。針對彈性加載系統，即試驗土體處于彈性變形階段，試驗儀多軸加載過程中所采用的耦合控制方程已經有理論解答[10]，如公式(1)所示；對于彈塑性加載系統，即試驗土體發生較大的塑性變形階段，目前采用有限元計算的數值結果來表示式(1)中的系數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關系；Uz、Uhx、Uhy、ωx、ωy、θ分別表示與荷載變量對應的位移變量。

3試驗結果

所研制的土工試驗設備具有多種功能，適用性廣，除了能夠完成常規的比例加荷試驗外，還可以進行多自由度耦合加載試驗，具備了較為完善的多參數采集系統。試驗系統包括了機械部分、自動化控制與采集、巖土物理力學特性、水流沖刷等內容，屬于非常規、非定型設備，對于研發制作而言屬于探索性研究，目前尚缺乏制作與使用經驗；同時該設備的操作系統極為復雜，開發與操作難度較大，作者對其進行了4年構思和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定試驗要求，達到了預定研發目標。對復合加載模式下海洋土變形規律與極限承載能力進行了系統的試驗研究。

采用飽和中粗砂，在各向均等固結條件下進行了單向靜力和動力加載試驗，試驗加載過程中數據采集頻率為10Hz，最低加載位移能夠達到0.05mm量級，試驗結果如圖7～10所示；結果表明，利用該設備模擬自升式平臺靜力、動力插拔裝過程中，能夠準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　動力循環加載

同時，利用該設備進行了軸向-扭轉耦合加載試驗，試驗結果如圖11所示。試驗證明了該試驗儀器能夠較為準確地研究微觀情況下土體的變形規律、破壞機理與極限承載能力；本文給出的耦合加載控制模式，能夠用于研究復合加載模式下海床土體的極限承載能力。從目前運轉情況看，該設備達到了預期的設計功能，能夠較好地模擬海洋環境下復雜的環境荷載作用。

圖9　超孔隙水壓力發展規律

圖10　扭轉靜力加載

圖11　V-T載荷空間內破壞包絡線

利用該設備，目前已經針對不同海洋結構物和多種荷載組合情況以及復雜加載模式下海床土體的變形規律、承載能力進行了大量的試驗研究，較為深入的探討了多自由度復合加載模式下海床土體力學特性與極限承載能力，相關研究成果待深入分析與整理后陸續發表。

4結語

自主研發的流-固-土多項耦合六自由度單、雙向靜動態加載儀具有多種試驗功能，在系統研究海洋土極限承載能力方面具有較大的優越性，除了能夠完成普通的靜力加載外，還可以實現不同加載路徑的多自由度耦合試驗，具有獨立的多通道、多參數檢測與采集系統，為深入研究多自由度下海洋土變形規律與承載能力提供了可靠的試驗技術條件。初步試驗結果表明該試驗儀器達到了預期研發要求，但多自由度耦合控制模塊尚需日后進一步深入完善與改進，并進行相關科研工作。

鑒于自主研制該設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、基本參數的確定與相關技術要求的提出中，綜合考慮了多方面的因素，希望該設備的研制經驗能夠為今后土工試驗設備的創新與引進提供有益的借鑒。

致謝：感謝中國海洋大學長江學者李華軍教授、工程學院史宏達教授、黎明教授對本項研究工作給予的特別關心與支持。

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責任編輯陳呈超

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

基金項目：? 國家自然科學基金項目(50909050),山東省自然科學基金項目(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：TU470

文獻標志碼：A

文章編號：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.