【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋岩土工程室内试验，尤其涉及黏性土海床-结构物高速相互作用过程的土体速率效应研究。通过采集试验过程中导弹贯入黏性土层的速度及阻力波动，分析黏性土不排水抗剪强度受土体速率效应影响的机制。本专利技术提出了一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置与方法
技术介绍
1、黏性土的不排水抗剪强度用于描述其在饱和不排水条件下抵抗垂直于剪切面方向剪切破坏的能力，是海洋工程领域中评估黏性土海床强度的关键指标之一。在实际工程中，除海床自身特性(如组分、含水量与灵敏度等)外，外部作用对黏性土强度的影响也不可忽视。例如，动力锚安装过程中锚体以101到102s-1的超高速与黏性土海床接触并向下贯入，这一高速贯入过程会使得黏性土的不排水抗剪强度显著增加。若忽略此效应，会导致动力锚因动能不足难以达到预定深度，无法为锚链提供足够的张力，最终危害海洋结构物服役安全。
2、然而，当前常用的三轴试验法、环剪试验法、十字板剪切法等试验方法无法满足动力锚贯入过程10-50m/s范围的高速剪切试验需求，因此难以开展动力锚贯入过程结构物-黏性土海床的剪切过程研究。此外，传统试验方法测量元件精度及采集频率的不足也导致该方法难以采集准确高效的试验数据。
3、综上所述，准确评估土体速率效应对黏性土不排水抗剪强度的影响机理对动力锚高速贯入研究具有重要意义，但现有试验装置与方法难以满足研究需要。为此需要提出一种具有针对性的、准确研究土体速率效应对黏土海床不排水抗剪强度影响的研究装置与方法。
技术实现思路
1、为了弥补现有研究方法的不足，准确评估土体速率效应对黏性土不排水抗剪强度的影响机理，本专利技术首先要解决的问题是提供一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，利用导弹贯入射出不同厚度土体的速度与阻力波动，绘制贯入速度-深度曲线，进而分析土体速率效应堆贯入阻力的影响机理。为此本专利技术采用以下技术方案：
2、一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱系统，反力架系统、激发装置与数据采集模块四部分组成。其中模型箱系统由模型箱，支撑架，土样盒两部分组成；反力架系统由支架、水平固定器与激发装置固定器三部分组成；激发装置由炮钉枪、炮钉与导弹三部分组成；数据采集模块由轮辐式测力计、高速摄像机、数据采集设备与计算机四部分组成。
3、所述模型箱底面为正方形，外边长200mm，高度500mm，壁厚5mm，采用透明亚克力板材料制成。下方开孔保证试验过程中导弹能够自由穿行，使得轮辐式测力计只记录导弹贯入射出土样过程中的反力波动。
4、所述支撑架左右两半构成，托举土样盒使其置于模型箱中间，便于导弹贯入射出土样过程的数据可视化采集，中间留出直径100mm，高度200mm的圆柱形区域放置土样盒。
5、所述土样盒内径100mm，高度200mm，由透明亚克力材料制成，下方开孔并贴薄塑料膜保证导弹贯入前土样盒的防水。土样盒以底面为零点下层0-100mm范围用于放置土样，上层100-200mm范围设置为水层以还原动力锚原位贯入过程。另配4组外径100mm、内径20mm、高度20mm的同心环型空心支托用于调整土样厚度。
6、所述反力架系统采用门式框架形式，由方形空心钢管焊接而成，总高度1100mm，水平宽度360mm，空心钢管外边长40mm，上方支架外边长60mm，支架上方与两侧设滑动槽。两侧安装水平固定器限制试验过程模型箱水平位移。支架上方安装激发装置固定器用于安装激发装置，激发装置固定器底面为正方形外壁40mm、内壁36mm、总长度150mm。
7、所述激发装置由商用小型炮钉枪及炮钉改良而成。采用外径36mm、总长度120mm的炮钉枪及长度42mm的标准无帽炮钉。依据炮钉钉尖形状加工长度30mm、外径7.6mm的导弹外壳。试验过程中炮钉与导弹共同发射，炮钉枪能够为导弹提供10-40m/s的激发速度，突破现有试验方法的速度极限，解决黏性土速率效应研究难以开展的问题。
8、所述轮辐式测力计能够实时监测模型导弹入水及入土过程由于土体速率效应导致的反力波动。轮辐式测力计直径为143mm，呈同心圆环形状，试验过程中导弹可从中穿过量程为0-100n、精度0.01n，满足试验载荷与精度需求，数据输出频率为12.8khz。
9、所述高速摄像机选用10万帧级别高速黑白摄像机，用于记录导弹激发、贯入土样乃至射出土样全过程的相对位置，并配合持续时间计算得到试验全过程各阶段内导弹速度变化过程。对应数据输出频率为12.8khz，与轮辐式测力计对应。所述数据采集设备的输入频率为12.8khz，与高速摄像机及轮辐式测力计对应，用于将两者采集到的数据输入电脑，用于分析研究。
10、所述试验原理如下：保证初始导弹贯入速度、土样盒中水层高度与土样顶面高度不变，开展20mm、40mm、60mm、80mm及100mm五组不同厚度土样的贯入试验，利用高速摄像机的拍摄结果计算不同厚度土样中导弹入水、贯入与射出土样过程的速度波动，绘制完整的速度-深度曲线，并通过根据轮辐式测力计反力绘制的阻力-深度曲线以及阻力计算公式，共同分析不排水抗剪强度受土体速率效应的影响机理。
11、本专利技术另一个要解决的技术问题是结合上述试验装置，提出一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验方法。
12、一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验方法，其特征在于包括以下步骤：
13、步骤(1)土样制备：按照20mm、40mm、60mm、80mm及100mm的顺序采用高岭土依次饱和固结制样，土样内径100mm，并利用三轴试验或环剪试验测定低剪切速率下土样的初始不排水抗剪强度。
14、步骤(2)设备安装：将轮辐式测力计置于平整稳固的地面，上方放置模型箱，使模型箱底面开孔与轮辐式测力计中心孔对齐。依次在箱内放置支撑架与土样盒。土样盒底面贴塑料布防水，上方放置支托与土样，保证两者总高度为100mm，随后加水使得总高度到达180mm。在模型箱正前方放置高速摄像机与配套三脚架并调整视窗与分辨率。再依次将反力架系统放置于模型箱系统与轮辐式测力计之上，将水平固定器模型箱两侧贴合，并调整激发装置固定器使得底部圆孔与土样中心共线。
15、步骤(3)数据采集装置校准：连接轮辐式测力计与高速摄像机至控制装置并初始化数据，给模型箱系统施加小压力验证数据采集模块的灵敏度和精度。
16、步骤(4)击发装置安装：将导弹套在炮钉外侧后插入炮钉枪发射口中。并将激发装置置于激发装置固定器上，确定炮钉运动路径与土样中心、模型箱开孔共线后正式开始试验。
17、步骤(5)贯入试验：发射导弹，贯入土样并穿刺而出，试验收集数据。
18、步骤(6)重复试验：从20mm厚度土样开始，依次进行40mm、60mm、80mm及100mm的顺序重复，直至导弹无法射出或者100mm后结束，视为一组。随后调整炮钉发射速度或黏性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，包括：
2.根据权利要求1所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱系统(100)中的模型箱(101)下方开孔，保证导弹(303)贯入路径无土样外的其他遮挡；所述支撑架(102)用于放置土样盒(103)；所述土样盒(103)根据试验要求自下而上放置支托、土样及水。
3.根据权利要求1所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述支架(201)用于固定按照水平固定器(202)及激发装置固定器(203)，所述水平固定器(202)与模型箱(101)外壁相连以保证模型箱系统(100)的稳定，所述激发装置固定器(203)用于为激发装置(300)提供激发所需的反力，并保证导弹(303)运动全过程能够依次准确穿过土样盒(103)下方，模型箱(101)及轮辐式测力计(401)的中心孔，并由高速摄像机(402)拍摄。
4.根据权利要求3所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述轮辐式测力计(40
5.根据权利要求4所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(101)与土样盒(102)均采用透明亚克力材料制成，以保证高速摄像机(402)能够顺利采集贯入全过程导弹运动图像。
6.一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验方法，其应用如权利要求1-5所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于，具体步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，包括：
2.根据权利要求1所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱系统(100)中的模型箱(101)下方开孔，保证导弹(303)贯入路径无土样外的其他遮挡；所述支撑架(102)用于放置土样盒(103)；所述土样盒(103)根据试验要求自下而上放置支托、土样及水。
3.根据权利要求1所述的一种测试导弹高速贯入海床土体阻力速率效应的模型试验装置，其特征在于：所述支架(201)用于固定按照水平固定器(202)及激发装置固定器(203)，所述水平固定器(202)与模型箱(101)外壁相连以保证模型箱系统(100)的稳定，所述激发装置固定器(203)用于为激发装置(300)提供激发所需的反力，并保证导弹(303)运动全过程能够依次准确穿过土样...
【专利技术属性】
技术研发人员：王腾，贾宁，崔永强，王玉玺，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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