一种海洋地下空间模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋地下空间领域，特别涉及一种海洋地下空间模型试验装置及方法。

背景技术

与陆域地下工程相比，海洋地下空间开发面临的地质环境明显不同且应力渗流边界条件极其复杂。钻爆或者机械开挖过程中，围岩压力同时承受较高的海水渗流压力，易引起大变形、突涌水等灾害；支护结构面临着高压海水渗透腐蚀、振动作用等多重影响；主体结构则更倾向于适应预制化快速建造模式要求进行设计，而目前国内范围内还没有针对岛屿地下空间开发的模型试验装置。海洋岛屿出露海平面的土体面积极为有限，建设海洋地下空间有利于缓解用地紧张，助力海洋资源开发效率，增强岛上人员与物资抵抗台风等极端条件能力。因此，亟需开展包括开挖、支护、抗渗、防腐、监测等在内的海洋地下空间开发与施工技术研究，保障海下工程建设与运行过程中的安全稳定。

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于海洋地下工程建设过程中地下空间模型试验装置及方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种海洋地下空间模型试验装置及方法，能够根据模拟海洋地下空间的受力情况分析来推进现有技术中对海洋地下工程建设进程。

所述技术方案如下：

一种海洋地下空间模型试验装置，包括：岛体模型、钢架、柔性包裹囊、加载系统、传感器和监测控制系统，

所述钢架内围设有试验区域，所述柔性包裹囊设置在所述试验区域内，所述岛体模型密封在所述柔性包裹囊内，

所述加载系统包括与所述钢架连接的刚性加载设备和水压加载设备，所述刚性加载设备被配置为可对所述岛体模型施加刚性压力，所述水压加载设备被配置为可对所述岛体模型施加水压，

所述传感器设置有多个，且位于所述柔性包裹囊内，

所述加载系统和所述传感器与所述监测控制系统通信连接。

可选地，所述岛体模型的截面为带有斜面的梯形结构，且通过所述斜面将所述柔性包裹囊内部分隔为固体域和液体域，所述斜面与所述柔性包裹囊的内壁连接处设有橡胶密封条。

可选地，所述钢架包括顶板、底板和平行设置的两个侧板，所述顶板与所述底板平行设置，所述侧板与所述顶板和底板垂直，所述顶板、所述底板和两个所述侧板，

所述刚性加载设备包括千斤顶和刚性加载控制箱，所述千斤顶设置在所述顶板与所述岛体模型之间。

可选地，所述水压加载设备包括水力加载控制箱、动水压加载设备和静水压加载设备，所述动水压加载设备和所述静水压加载设备与所述柔性包裹囊内部连通，所述动水压加载设备用于对所述岛体模型施加动水压荷载，所述静水压加载设备用于对所述岛体模型施加静水压荷载。

可选地，所述钢架与所述柔性包裹囊之间设有第一桁架，所述千斤顶设置于靠近所述顶板一侧的所述第一桁架与所述柔性包裹囊之间。

可选地，所述试验区域两侧设有第二桁架，所述第二桁架的与所述第一桁架连接。

可选地，所述第二桁架与所述柔性包裹囊间设有封闭板，所述封闭板盖设于所述试验区域的两侧。

可选地，所述侧板远离所述试验区域一侧的板面上设置有第一支撑杆、所述第二桁架远离所述试验区域的一侧设置有第二支撑杆。

可选地，所述第二桁架与位于所述底板上的所述第一桁架铰接，所述第二支撑杆为液压支撑杆。

一种海洋地下空间模型试验方法，基于前述的一种海洋地下空间模型试验装置，包括以下步骤：

步骤一：制作所述岛体模型，布置所述岛体模型和所述传感器于所述试验区域的所述柔性包裹囊内，并密封所述柔性包裹囊；

步骤二：通过监测控制系统控制水压加载设备将柔性包裹囊内充满水体，并控制所述加载系统使所述岛体模型达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况，保持一段时间，监测数据，等待数据稳定；

步骤三：控制所述加载系统对所述岛体模型逐渐施加压力，直至所述岛体模型发生不利破坏，确定天然岛体所能承受的最大不利荷载组合；

步骤四：重复步骤一至步骤二，从所述岛体模型上挖除空间区域，并实时监测记录数据，重复步骤三，确定地下空间未支护状态下的最大不利荷载组合；

步骤五：重复步骤一至步骤二，从所述岛体模型上挖除空间区域，并实时监测记录数据，对空间区域进行锚杆和衬砌的模拟支护，重复步骤三，确定地下空间已支护状态下的最大不利荷载组合。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种海洋地下空间模型试验装置及方法，可以通过模拟海洋环境中岛体的受力情况，分批次分别对天然岛体、未支护状态下的地下空间及已支护状态下的地下空间进行最大不利荷载试验分析。使用本海洋地下空间模型试验装置及方法所得到的试验结论和数据可为海洋地下空间开发选址设计、开挖方式选择、支护工艺优化等提供参考与依据，可有效保障海洋地下工程建设与运行过程中的安全稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的整体装配示意图；

图2是本发明实施例提供的图1的A处放大示意图；

图3是本发明实施例提供的钢架主视示意图；

图4是本发明实施例提供的传感器布置位置示意图；

图5是本发明实施例提供的液压支撑杆关闭时钢架侧视截面示意图；

图6是本发明实施例提供的液压支撑杆启动时钢架侧视截面示意图；

图7是本发明实施例提供的封闭板主视示意图；

图8是本发明实施例提供的封闭板俯视截面示意图；

图9是本发明实施例提供的侧板结构示意图；

图10是本发明实施例提供的动水压加压喷头工作面示意图；

图11是本发明实施例提供的试验方法流程图。

图中：1-岛体模型；11-橡胶密封条；12-空间区域；13-斜面；2-钢架；21-顶板；22-底板；23-侧板；231-动水压加载进水通道；232-静水压加载进水通道；233-液体域水压卸载回水通道233；24-试验区域；3-柔性包裹囊；3a-固体域；3b-液体域；4-加载系统；41-刚性加载设备；411-千斤顶；412-刚性加载控制箱；42-水压加载设备；421-水力加载控制箱；422-动水压加载设备；4221-第一水泵；4222-动水压连接管；4223-动水压加压喷头；423-静水压加载设备；4231-第二水泵；4232-静水压连接管；5-传感器；6-监测控制系统；71-第一桁架；72-第二桁架；8-封闭板；81-充气孔；82-压条；91-第一支撑杆；92-第二支撑杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的整体装配示意图；图2是本发明实施例提供的图1的A处放大示意图；图3是本发明实施例提供的钢架主视示意图；图4是本发明实施例提供的传感器布置位置示意图；图5是本发明实施例提供的液压支撑杆关闭时钢架侧视截面示意图；图6是本发明实施例提供的液压支撑杆启动时钢架侧视截面示意图；图7是本发明实施例提供的封闭板主视示意图；图8是本发明实施例提供的封闭板俯视截面示意图；图9是本发明实施例提供的侧板结构示意图；图10是本发明实施例提供的动水压加压喷头工作面示意图；图11是本发明实施例提供的试验方法流程图。如图1至11所示，本发明实施例提供了一种海洋地下空间模型试验装置，包括：岛体模型1、钢架2、柔性包裹囊3、加载系统4、传感器5和监测控制系统6。

其中，钢架2内围设有试验区域24，所柔性包裹囊3设置在试验区域24内，岛体模型1密封在柔性包裹囊3内，加载系统4包括与钢架2连接的刚性加载设备41和水压加载设备42，刚性加载设备41被配置为可对岛体模型1施加刚性压力，水压加载设备42被配置为可对岛体模型1施加水压，传感器5设置有多个，且位于柔性包裹囊3内，加载系统4和传感器5与监测控制系统6通信连接。

示例性地，在本发明实施例中，根据实际海洋地下岩土体的物理力学性质制作岛体模型1，如图4所示，在制作岛体模型1的过程中将传感器5呈阵列分布放置于岛体模型1的内部，将岛体模型1放入柔性包裹囊3中，在柔性包裹囊3中也放入即将测量水体中压力的传感器5,并密封，将密封好的柔性包裹囊3放入试验区域24中，通过监测控制系统6控制水压加载设备42将柔性包裹囊3内充满水体，并控制加载系统4使岛体模型1达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况，保持一段时间，监测数据，等待数据稳定，控制加载系统4对岛体模型1逐渐施加压力，直至岛体模型1发生不利破坏，期间监测传感器5获得的数值，此时测得天然岛体所能承受的最大不利荷载组合。取出已进行试验的岛体模型1，放入新的岛体模型1进行第二次试验，重复上述步骤至使岛体模型1达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况后，从岛体模型1上挖除空间区域12并实时监测记录数据，控制加载系统4对岛体模型1逐渐施加压力，直至岛体模型1发生不利破坏，此时测得地下空间未支护状态下的最大不利荷载组合。再次取出已进行试验的岛体模型1，放入新的岛体模型1进行第三次试验，重复上述步骤至使岛体模型1达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况后，从岛体模型1上挖除空间区域12并对空间区域12进行锚杆和衬砌的模拟支护，期间实时监测记录数据，控制加载系统4对岛体模型1逐渐施加压力，直至岛体模型1发生不利破坏，此时测得地下空间已支护状态下的最大不利荷载组合。

本发明实施例提供的一种海洋地下空间模型试验装置及方法，可以通过模拟海洋环境中岛体的受力情况，分批次分别对天然岛体、未支护状态下的地下空间及已支护状态下的地下空间进行最大不利荷载的试验分析，通过试验结果的分析，可运用在实际海洋地下空间的建造过程中，通过本海洋地下空间模型试验装置及方法的试验结果和数据可以在建造过程中避免对海洋地下空间开挖的过程中发生坍塌，保障地下工程建设与运行过程中的安全稳定。

可选地，岛体模型1的截面为带有斜面13的梯形结构，且通过斜面13将柔性包裹囊3内部分隔为固体域3a和液体域3b，斜面13与柔性包裹囊3的内壁连接处设有橡胶密封条11。

示例性地，在本发明实施例中，在动水压加压喷头4223对岛体模型1的斜面13进行动水压加载的过程中，可能会有部分水压通过岛体模型1与柔性包裹囊3连接处渗透到岛体模型1的其他表面，造成对岛体模型1是施加的动水压及静水压不准确，影响试验的结果，通过在岛体模型1的斜面13与柔性包裹囊3的连接处设有橡胶密封条11，提高了本海洋地下空间模型试验装置的试验结果准确性。

可选地，钢架2包括顶板21、底板22和平行设置的两个侧板23，顶板21与底板22平行设置，侧板23与顶板21和底板22垂直，顶板21、底板22和两个侧板23，刚性加载设备41包括千斤顶411和刚性加载控制箱412，千斤顶411设置在顶板21与岛体模型1之间。

示例性地，在本发明实施例中，通过监测控制系统6来控制刚性加载控制箱412对千斤顶411传递施加压力的信号，千斤顶411对柔性包裹囊3的顶部施加刚性荷载，刚性荷载传递作用在岛体模型1的上方，对岛体模型1施加刚性荷载，千斤顶411的量程为50.0Mpa，精度为千分之一（1‰），行程为25cm。刚性加载设备41采用千斤顶411和刚性加载控制箱412，其结构简单，易于操作，提高了本海洋地下空间模型试验装置的实用性。

可选地，水压加载设备42包括水力加载控制箱421、动水压加载设备422和静水压加载设备423，动水压加载设备422和静水压加载设备423与柔性包裹囊3内部连通，动水压加载设备422用于对岛体模型1施加动水压荷载，静水压加载设备423用于对岛体模型1施加静水压荷载。

示例性地，在本发明实施例中，侧板23设有动水压加载进水通道231、静水压加载进水通道232和液体域水压卸载回水通道233，动水压加载进水通道231、静水压加载进水通道232和液体域水压卸载回水通道233可与柔性包裹囊3内部连通，动水压加载设备422包括第一水泵4221，动水压连接管4222和动水压加压喷头4223，动水压连接管4222一端与第一水泵4221连接，动水压连接管4222穿透动水压加载进水通道231与柔性包裹囊3内部连通，动水压连接管4222另一端与动水压加压喷头4223连接，动水压加压喷头4223朝向岛体模型1的斜面13设置，静水压加载设备423包括第二水泵4231和静水压连接管4232，第二水泵4231通过静水压连接管4232穿透静水压加载进水通道232与柔性包裹囊3内部相连通。静水压加载设备423量程为30.0Mpa，精度千分之一（1‰），动水压加载设备422可施加的最大动水压振幅为2.5MPa，精度千分之一（1‰），频率为1-10Hz。监测控制系统6通过控制水力加载控制箱421来控制动水压加载设备422和静水压加载设备423，通过第二水泵4231对柔性包裹囊3内部加水升压来模拟海底深度造成的水压，从而对岛体模型1提供静水压荷载，通过第一水泵4221抽水和动水压加压喷头4223对岛体模型1的斜面13进行周期性加压形成水射流来模拟海底的海浪对海洋地下的动水压冲击，从而对岛体模型1提供动水压荷载，如图10所示，动水压加压喷头4223工作面为一个长方形带有多个喷孔的结构，可以更加均匀的对岛体模型1施加动水压荷载。通过水压加载设备42采用水力加载控制箱421、动水压加载设备422和静水压加载设备423，可以同时模拟海洋环境中对海洋地下产生的动水压和静水压，其结构简单，易于操作，提高了本海洋地下空间模型试验装置的实用性。

可选地，钢架2与柔性包裹囊3之间设有第一桁架71，千斤顶411设置于靠近顶板21一侧的第一桁架71与柔性包裹囊3之间。

示例性地，在本发明实施例中，在钢架2与柔性包裹囊3之间设有第一桁架71，在千斤顶411对柔性包裹囊3施加刚性荷载的时候，为了避免顶板21在力的反作用力下发生变形，同时在施加水压荷载的时候，也可以防止施加压力过大时底板22及侧板23发生变形，由于桁架的特性，可以提供一定刚度的情况下，还可以发生一定量的形变，通过设置第一桁架71，提高了本海洋地下空间模型试验装置的使用寿命。

可选地，试验区域24两侧设有第二桁架72，第二桁架72的与第一桁架71连接。

示例性地，在本发明实施例中，在试验区域24两侧设有第二桁架72，在对岛体模型1施加刚性荷载和水压荷载的时候，减少了岛体模型1向试验区域24两侧外部变形，提高了对岛体模型1施加的刚性荷载和水压荷载的准确程度，通过在试验区域24两侧设有第二桁架72，提高了本海洋地下空间模型试验装置的试验结果准确性。

可选地，第二桁架72与柔性包裹囊3间设有封闭板8，封闭板8盖设于试验区域24的两侧。

示例性地，在本发明实施例中，封闭板8上开设有充气孔81，封闭板8配有压条82。将柔性包裹囊3一侧表面与封闭板8贴合，再将封闭板的四周用压条82压紧，通过封闭板8上的充气孔81向封闭板8与柔性包裹囊3之间充气，使得柔性包裹囊3的另一侧表面与岛体模型1紧密贴合，通过设置封闭板8，可以使柔性包裹囊3的内表面与岛体模型贴合更加紧密，从而提高了对岛体模型1施加刚性荷载和水压荷载的精准度，进一步提高了本海洋地下空间模型试验装置的试验结果准确性。

可选地，侧板23远离试验区域24一侧的板面上设置有第一支撑杆91、第二桁架72远离试验区域24的一侧设置有第二支撑杆92。

示例性地，在本发明实施例中，设置有第一支撑杆91和第二支撑杆92，可以在进行施加刚性荷载和水压荷载的时候，对装置整体提供稳定的支撑力，防止在试验过程中，因压力过大造成装置受力不均而倒塌或破坏，通过设置第一支撑杆91和第二支撑杆92提高了本海洋地下空间模型试验装置的稳定性及使用寿命。

可选地，第二桁架72与位于底板22上的第一桁架71铰接，第二支撑杆92为液压支撑杆。

示例性地，在本发明实施例中，第二支撑杆92为液压支撑杆，第二桁架72可绕底板22上的第一桁架71旋转，使试验区域24暴露在外，在试验开始阶段，控制第二支撑杆92可将第二桁架72打开，方便将柔性包裹囊3和岛体模型1放入试验区域24内，当布置好柔性包裹囊3和岛体模型1后，通过控制第二支撑杆92可将第二桁架72关闭，使第二桁架72与钢架2贴合，从而使第二桁架72恢复工作状态。通过设置第二支撑杆92为液压支撑杆，提高了本海洋地下空间模型试验装置的操作便捷性。

一种海洋地下空间模型试验方法，基于前述的一种海洋地下空间模型试验装置，包括以下步骤：

S1：制作岛体模型1，布置岛体模型1和传感器5于试验区域24的柔性包裹囊3内，并密封柔性包裹囊3。

具体地，根据实际海洋地下的成分制作岛体模型1，在制作岛体模型1的过程中将传感器5呈阵列分布放置于岛体模型1的内部，将两块封闭板8与柔性包裹囊3进行拼装组合后，将岛体模型1放入柔性包裹囊3中，在柔性包裹囊3中也放入即将测量水体中压力的传感器5,并密封，将密封好的柔性包裹囊3放入试验区域24中，操作第二支撑杆92，使第二桁架72与钢架2贴合，通过封闭板上的充气孔81充气，使得柔性包裹囊与岛体模型的表面完全贴合。

S2：通过监测控制系统6控制水压加载设备42将柔性包裹囊3内充满水体，并控制加载系统4使岛体模型1达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况，保持一段时间，监测数据，等待数据稳定。

具体地，通过监测控制系统6控制水压加载设备42来控制第一水泵4221抽水，将柔性包裹囊3内充满水体，并控制刚性加载设备41对岛体模型1施加刚性荷载，控制水压加载设备42对岛体模型1施加水压荷载，使岛体模型1达到模型试验所需的，模拟岛体天然状态下的受力情况保持一段时间，监测数据，等待数据稳定。

S3：控制加载系统4对岛体模型1逐渐施加压力，直至岛体模型1发生不利破坏，确定天然岛体所能承受的最大不利荷载组合。

具体地，控制刚性加载设备41对岛体模型1施加刚性荷载，控制水压加载设备42对岛体模型1施加水压荷载，直至岛体模型1发生不利破坏，期间监测传感器5获得的数值，此时测得天然岛体所能承受的最大不利荷载组合。

S4：重复S1至S2，从岛体模型1上挖除空间区域12，并实时监测记录数据，重复S3，确定地下空间未支护状态下的最大不利荷载组合。

具体地，操作第二支撑杆92，使第二桁架72与钢架2分离，取出试验区域24内的试验残渣，重复S1至S2，从岛体模型1上挖除空间区域12，并实时监测记录压力数据及渗水量，重复S3，测得地下空间未支护状态下的最大不利荷载组合。

S5：重复S1至S2，从岛体模型1上挖除空间区域12，并实时监测记录数据，对空间区域12进行锚杆和衬砌的模拟支护，重复S3，确定地下空间已支护状态下的最大不利荷载组合。

具体地，操作第二支撑杆92，使第二桁架72与钢架2分离，取出试验区域24内的试验残渣，重复S1至S2，从岛体模型1上挖除空间区域12，并实时监测记录压力数据及渗水量，对空间区域12进行锚杆和衬砌的模拟支护，重复S3，测得地下空间已支护状态下的最大不利荷载组合。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。