流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪研发与应用❋

张其一

(1. 中国海洋大学工程学院, 山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋工程重点试验室, 山东 青岛 266100)

研究简报

流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪研发与应用❋

张其一1, 2

(1. 中国海洋大学工程学院, 山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋工程重点试验室, 山东 青岛 266100)

摘要：为研究复合加载模式下三维荷载空间内海洋土变形机理与承载能力，自主研发了能够实现六自由度单、双向复杂加载路径的流-固-土耦合静、动态土工试验仪。该设备能够实现多自由度情况下静力与动力的复杂加载路径试验，能够模拟复杂的海洋环境荷载作用。详细的阐述了设备研发原理、多自由度控制模式与技术参数确定中的若干问题，为日后相关土工试验设备的研制提供了参考价值。初步试验结果表明：该试验设备能够较为准确地研究微观情况下海洋土体的变形规律、破坏机理与极限承载能力；设备中的耦合加载控制方法，能够用于研究复合加载模式下三维荷载空间内海床土体的极限承载能力；文中给出的Plc控制模块、采集模块能够较为准确地提高数据的测量与采集精度。

关键词：海洋土； 流-固-土耦合； 土工试验； 极限承载力

引用格式：张其一. 流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪研发与应用[J].中国海洋大学学报(自然科学版)，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.

岩土工程理论分析及相应计算方法的发展离不开先进的土工试验设备与现代测试技术。目前在流固耦合、固土耦合研究中，为了分析地基土体的变形-强度特性，常规的方法往往采用倾斜荷载、偏心荷载来反应基础上荷载分量的不同组合形式[1]，这种加载方式假定地基土体变形过程中基础荷载分量组合形式恒定，不随着地基土体变形而变化；实际上基底土体变形过程中，基础上作用荷载分量大小、方向往往随基底土体变形而变化，同时基础上荷载分量的不同组合形式对地基土体变形和强度特性也具有显著的影响[2]。显然目前常规的流-固-土耦合试验方法不能准确而全面地分析基础与土体之间的非线性耦合关系，为了有效地研究多自由度荷载作用下地基土体变形和强度特性，必须开发一套完整的专门土工实验设备，通过不同的试验加载方式来模拟基础上荷载作用效应，从而系统地研究多自由度下海床土体变形与强度特性，为建立复合加载模式下地基土体变形规律与极限承载能力提供必要的实验条件。国内外对多自由度复合加载模式下海洋岩土变形规律及其承载能力，多采用数值计算法进行研究，实验室比尺试验较少，目前尚缺乏合理的试验加载设备，既无定型产品，也无成熟的制作经验。

在国外，牛津大学(Bienen、Byrne、Houlsby、Martin等人)设计了能够施加竖向荷载、水平荷载和弯矩荷载的土工试验仪，对自升式平台桩腿与海床土体耦合作用进行了较为详细的试验研究，分别从6个自由度方面对土体变形与基础荷载分量间的对应关系进行了详细分析[3-5]。西澳大利亚大学Cassidy等人，也利用类似试验设备对3自由度情况下海洋土极限承载能力进行了探索性研究，分析荷载分量之间的非线性耦合效应[6]。在国内，中国石油大学设计制造了简单的自升式平台插桩试验设备，加荷设备采用的是油压液压缸，采集系统只能采集单向的荷载反力与位移；试验仪器即不能对加载路径与荷载历史进行精确控制，也未实现多自由耦合控制，尚处在进一步完善阶段[7]。

作者于2009年开始探讨研制与开发这种多自由度荷载加载与采集设备的可能性与可行性，充分学习与吸取国内外现有成果[8]，综合考虑以往的经验与教训，通过反复论证和优化设计，最终确立了设备的机械元件、自动化控制部件、传感器采集系统以及软件操控平台等详细的技术指标，最终独立研制出流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪，从目前运转、测试情况看，该试验系统基本上达到了预期的设计功能，具备了较好的工作性能，并规划与预留了后期进一步开发的空间。在该试验仪器研发过程中，西澳大利亚大学和牛津大学针对复合加载模式下桩腿极限承载能力进行的大量实验研究，为本设备的研发提供了非常宝贵的经验；同时，大连理工大学栾茂田教授开发的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪，为设备自动控制模块的深入研发提供了理论参考。

1设备组成及其主要性能

经过详细分析，在流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪设计中，考虑了多种试验功能，主要包括：(1) 在垂直方向、水平方向、扭转方向，独立进行静力和动力单双向加载试验；(2) 在施加动静力荷载时，可以控制加载幅值、加载速率与加载频率；(3) 在施加静动力荷载时，可以考虑不同自由度荷载间的非线性耦合关系；(4) 静动力加载时，可以采用荷载控制与位移控制两种加载模式；(5) 试验过程中，通过加载系统与传感器采集系统构成双闭环反馈控制模式，并在试验过程中可以进行切换；(6) 试验土样饱和度采用真空预压法，土体表层冲刷采用流速与压力传感器构成的闭环控制系统。

整个试验装置由伺服控制加载系统(伺服电机、驱动器、PLC与变送仪)、水流冲刷系统(土槽、空压机与真空泵、水泵)、传感器模拟控制系统、计算机数字控制与采集系统、图形显示系统等组成。设备配备传感器共20路，分别用于测量竖向位移与荷载、水平方向的位移与荷载、三轴方向上的力矩与转角、基底孔压等20个参数。整个试验系统如图1所示，施加在基础形心处的荷载分量如图2所示。

图1　流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪试验系统

图2　六自由度荷载分量与位移分量

2技术参数确定

在调查和分析国内外现有实验装置有关资料的基础上，详细论证了近海海床岩土物理力学特性，最终确立了设备所能完成的试验功能、模型尺寸、传感器量程与精度、相关测量参数与范围、荷载加载方式、丝杠与线性模组、伺服驱动模式、信号处理与采集方式等细节问题。所确定的各项技术指标如下：(1) 机械组件：滚珠丝杠、线性模组，丝杠行程550mm，螺距2mm，模组能够承受3 000N的荷载；(2) 驱动组件：交流伺服电机，扭矩1.5N·m，减速器减速比20∶1，直线行进最大速度1m/s；(3) 控制系统：2台PLC控制器，5组4AD模拟量采集模块，2组4DA数字量驱动模块，20路传感器及其变送仪；(4) 人机操作界面：采用组态王编制调试平台，采用VC6.0编制操作系统。在确定上述技术指标过程中，详细的考虑了以下因素。

2.1 比尺模型尺寸确定

在比尺模型试验尺寸选择过程中，考虑了国内外现有试验模型的尺寸，并保证能够较合理的反演出试验土样的部分物理力学参数，同时较为详细地参考了现有十字板剪切仪的仪器尺寸[9]，最终确立了圆形比尺模型直径为50、75、100mm 3种情况。对于工程中的不规则基础模型，本试验仪器采用等效面积法进行换算。

2.2 试验加载路径要求

为了能够较为合理地反应基础与海床土体的耦合作用，对该设备的加载模式进行了荷载、位移与速度控制，控制流程图如图3所示。

图3　设备加载流程图

2.3 控制系统

所研制的土工加载仪设备，控制系统包括六轴耦合运动控制系统、PLC控制系统、伺服丝杠控制系统、荷载位移加载系统、传感器反馈系统等，如图4所示。具体的模式控制流程图如图5所示。

图4　试验仪加载控制系统

图5　模式控制流程图

为了能够较为合理的控制不同加载轴之间的耦合作用规律，各轴间荷载分量的施加通过本试验的“耦合控制模式”进行计算后再加载，耦合控制模式如图6所示。

图6　ij轴耦合加载控制模式示意图

图6中i≠j用于表示三维载荷空间中任一加载轴。针对弹性加载系统，即试验土体处于弹性变形阶段，试验仪多轴加载过程中所采用的耦合控制方程已经有理论解答[10]，如公式(1)所示；对于弹塑性加载系统，即试验土体发生较大的塑性变形阶段，目前采用有限元计算的数值结果来表示式(1)中的系数kij。

(1)

上式中V、Hx、Hy、Mx、My、T分别表示三维载荷空间中的竖向荷载、x轴的水平荷载、y轴的水平荷载、x轴的力矩荷载、y轴的力矩荷载与扭矩荷载；E、R分别表示试验土样的弹性模量与比尺模型的半径；kij表示荷载与位移间的函数关系；Uz、Uhx、Uhy、ωx、ωy、θ分别表示与荷载变量对应的位移变量。

3试验结果

所研制的土工试验设备具有多种功能，适用性广，除了能够完成常规的比例加荷试验外，还可以进行多自由度耦合加载试验，具备了较为完善的多参数采集系统。试验系统包括了机械部分、自动化控制与采集、岩土物理力学特性、水流冲刷等内容，属于非常规、非定型设备，对于研发制作而言属于探索性研究，目前尚缺乏制作与使用经验；同时该设备的操作系统极为复杂，开发与操作难度较大，作者对其进行了4年构思和2年制作。从目前的使用情况来看，虽然仍存在一些有待解决的问题，但基本上可以满足预定试验要求，达到了预定研发目标。对复合加载模式下海洋土变形规律与极限承载能力进行了系统的试验研究。

采用饱和中粗砂，在各向均等固结条件下进行了单向静力和动力加载试验，试验加载过程中数据采集频率为10Hz，最低加载位移能够达到0.05mm量级，试验结果如图7～10所示；结果表明，利用该设备模拟自升式平台静力、动力插拔装过程中，能够准确的模拟出桩靴底部土体的压密、剪切、回流等特性，能够比较准确的分析出桩靴周围土体的弹塑性变形特性与桩周土体的极限承载能力。

图7　轴向静力加载

图8　动力循环加载

同时，利用该设备进行了轴向-扭转耦合加载试验，试验结果如图11所示。试验证明了该试验仪器能够较为准确地研究微观情况下土体的变形规律、破坏机理与极限承载能力；本文给出的耦合加载控制模式，能够用于研究复合加载模式下海床土体的极限承载能力。从目前运转情况看，该设备达到了预期的设计功能，能够较好地模拟海洋环境下复杂的环境荷载作用。

图9　超孔隙水压力发展规律

图10　扭转静力加载

图11　V-T载荷空间内破坏包络线

利用该设备，目前已经针对不同海洋结构物和多种荷载组合情况以及复杂加载模式下海床土体的变形规律、承载能力进行了大量的试验研究，较为深入的探讨了多自由度复合加载模式下海床土体力学特性与极限承载能力，相关研究成果待深入分析与整理后陆续发表。

4结语

自主研发的流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪具有多种试验功能，在系统研究海洋土极限承载能力方面具有较大的优越性，除了能够完成普通的静力加载外，还可以实现不同加载路径的多自由度耦合试验，具有独立的多通道、多参数检测与采集系统，为深入研究多自由度下海洋土变形规律与承载能力提供了可靠的试验技术条件。初步试验结果表明该试验仪器达到了预期研发要求，但多自由度耦合控制模块尚需日后进一步深入完善与改进，并进行相关科研工作。

鉴于自主研制该设备属于探索性和开拓性的科研工作，在多自由度加载控制方法、基本参数的确定与相关技术要求的提出中，综合考虑了多方面的因素，希望该设备的研制经验能够为今后土工试验设备的创新与引进提供有益的借鉴。

致谢：感谢中国海洋大学长江学者李华军教授、工程学院史宏达教授、黎明教授对本项研究工作给予的特别关心与支持。

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责任编辑陈呈超

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

基金项目：❋ 国家自然科学基金项目(50909050),山东省自然科学基金项目(ZR2009FQ004)

收稿日期：2014-10-12；

修订日期：2015-07-09

作者简介：张其一(1977-).男，副教授。E-mail：zhangqiyi@163.com

中图法分类号：TU470

文献标志码：A

文章编号：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.