板桩码头模型的创新设计及在实验教学中的应用

王瑞彩，吴 腾，秦 杰

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

高校实验教学是以实验室为场所，以实验仪器、实验指导书为媒体，在教师指导下，通过学生操作仪器、观察现象、记录数据、分析讨论实验结果为主要教学形式的实践性教学环节，是一种模拟环境下对于理论知识的应用。通过实验教学环节，培养学生运用所学知识分析问题、解决问题和创新实践的能力，能够很大程度地提升教学水平和教育质量，具有理论教学不可替代的作用。

港口水工建筑物是港口航道与海岸工程专业学生必修的专业主干课程，板桩码头是港口水工建筑物中一种重要的码头结构形式。理论课程的学习可以让学生掌握板桩码头的结构形式和特点、构造要求、设计原理与设计方法，但对于运营过程中承受复杂荷载作用的板桩码头的受力特性，很难根据课程理论知识进行直观的分析，存在着理论与实践结合不紧密的现象。针对这一情况，我们研发并建设完成了板桩码头实验教学系统，通过对该教学模型施加不同工况的荷载，并对实验数据进行整理分析，让学生对板桩码头的受力特性有直观的认识。板桩码头实验教学加深了学生对理论知识的理解和掌握，取得了良好的教学效果。

一、板桩码头教学模型简介

板桩码头教学模型是以原型码头为参照，按照一定的相似比例尺缩小制作而成。教学模型采用单锚板桩的结构形式，主要包括板桩、拉杆、锚碇结构、导梁、帽梁、面板等构件。模型板桩墙是由多块钢筋混凝土板桩相互以凸凹榫的连接方式形成的挡土结构，板桩尖嵌固在模型槽的土体中，板桩顶由帽梁固定连接在一起。拉杆和锚碇结构设置在板桩码头模型内部，拉杆一端固定在锚碇结构上，另一端贯穿板桩墙的中上部并固定在导梁上。板桩墙内侧回填土引起的侧向土压力与拉杆的拉力处于平衡状态，共同维持板桩墙的稳定。为了对板桩码头模型的受力特性有直观的认识，能够根据实验数据进行受力特性分析，在模型板桩墙的内侧和拉杆上分别布设了土压力传感器和拉力传感器，在模型板桩墙的外部布设了位移传感器和应变传感器。板桩码头模型及传感器布置如图1 所示。

图1 板桩码头模型及传感器布置图

在实验教学模型的制作过程中，用于测定拉杆拉力的传感器和测定板桩墙后土压力的传感器，在板桩码头面板浇筑后完全封闭在模型内部。一旦传感器出现故障无法满足教学要求时，只能通过拆开模型并挖出内部填土的方法进行传感器的更换，相当于重新制作模型，工作量大，耗时长，成本高。从板桩码头模型投入教学工作至今，已经经历了两次拆开模型更换内部传感器的情况。

为解决更换故障传感器必须拆开模型并挖出内部填土的问题，本文以板桩码头教学模型为基础，创新性地设计了传感器的埋设装置，通过这种特殊的传感器埋设方式，可以在传感器出现故障时，在不破坏教学模型的情况下实现随时更换，操作便捷，且不会影响正常的教学工作，节约了教学成本。该设计方案对内置传感器的板桩码头物理模型具有重要意义。

二、传感器埋设装置的创新设计及传感器更换方法

为解决不破坏教学模型亦可对故障传感器进行更换的难题，分别设计了可更换模型内部土压力传感器的埋设装置及拉力传感器的埋设装置。

(一)土压力传感器埋设装置的创新设计及土压力传感器更换方法

板桩墙后埋设的土压力传感器为扁平柱状体，其正面与土体紧密接触，背面固定在板桩墙上。本文设计的可相对固定的土压力传感器埋设装置，可实现以下功能：当土压力传感器处于工作状态时，该装置用来固定土压力传感器；当土压力传感器出现故障需要更换时，在不破坏教学模型的情况下，通过拆卸该装置，可对土压力传感器进行更换。

1.土压力传感器埋设装置的组成和结构设计

土压力传感器埋设装置主要由固定组件、固定板和安装板组成。

(1)固定组件。固定组件是土压力传感器埋设装置的核心，用来固定安装并保护土压力传感器，同时实现板桩码头模型的可拆装功能。固定组件所包含的元件有：a.固定圈体。固定圈体用来固定土压力传感器，圈体上设有一个缺口，供土压力传感器的测量导线穿出。圈体的高度小于土压力传感器的高度，保证土压力传感器的正面与模型内部的土体能够充分接触，避免由于固定圈体的存在而影响土压力测量的准确性。b.拉环。拉环是拆卸土压力传感器埋设装置的辅助元件，借助拉环能够将固定组件方便地拉出模型。c.安装槽。安装槽与固定圈体、拉环固定连接在一起，形成一个半封闭的空间。这个半封闭的空间一方面可用来阻挡板桩墙后的填土进入影响土压力传感器的拆装，另一方面可以保护土压力传感器的测量导线。

固定组件及土压力传感器组合安装如图2 所示。

图2 固定组件及土压力传感器组合安装图

(2)固定板。固定板需要满足可拆卸式固定组件穿过并起到支撑固定组件的作用，设计时可考虑借助板桩墙体实现该功能。用相同尺寸的槽钢替换教学模型中埋设的土压力传感器的钢筋混凝土板桩，并在其上开设能够与固定组件相卡合的固定组件腔，固定组件腔的数量和间距布置根据模型设计时需测量的点的位置确定。

(3)安装板。安装板主要用于支撑土压力传感器和固定组件。安装板上还设置有土压力传感器测量导线穿过的通孔，便于导线穿出模型外部与量测设备连接。另外安装板与固定板上均预有留螺栓通孔，通过螺栓通孔实现安装板与固定板之间的可拆卸式固定连接。

土压力传感器埋设装置如图3 所示。

图3 土压力传感器埋设装置图

2.土压力传感器更换方法

正常情况下土压力传感器卡固在固定组件内，其正面紧密接触模型内部的土体，感知板桩墙后土压力的大小，侧面由固定组件支撑，背面由安装板支撑。当土压力传感器出现故障需要更换时，按照以下的操作流程进行：(1)松开安装板上的固定螺帽，将安装板从固定板上卸下，使固定组件和旧的土压力传感器外露；(2)用特制的手拉勾工具钩住固定组件的拉环，将固定组件从固定组件腔中取出；(3)将故障土压力传感器从固定组件中取出，换装入新的土压力传感器，并将其导线从固定圈体的缺口处伸出，然后将固定组件卡入固定组件腔中；(4)将土压力传感器的导线从安装板的导线孔中穿出，并将安装板重新安装于固定板上，旋紧固定螺帽；(5)连接土压力传感器的导线至实验测量仪器上，即完成土压力传感器的更换工作。此时，通过对模型施加荷载，即可进行板桩码头模型的受力特性实验。

(二)拉力传感器埋设装置的创新设计及传感器更换方法

拉力传感器为圆柱状，通过两端带外螺纹的套杆与拉杆螺纹连接。本文设计的相对固定连接的拉力传感器可拆卸装置，可实现以下功能：当拉力传感器处于工作状态时，该装置处于相对固定状态，能够进行力的传递，并感知拉力大小；当拉力传感器出现故障需要更换时，可以在不破坏教学模型的情况下，通过拆卸该装置对拉力传感器进行更换。

1.拉力传感器埋设装置的组成和结构设计

拉力传感器埋设装置主要由传感器安装机构、固定机构、力传递机构、保护机构和锚碇结构组成。

(1)传感器安装机构。传感器安装机构是拉力传感器埋设装置的核心，是实现传感器拆装的相对固定装置。传感器安装机构所包含的元件有：a.转盘。拉力传感器设置在模型内部，与拉杆相对固定在一起，转盘能够对安装机构施加扭矩，方便传感器安装机构的拆装。b.拉力传感器。c.拉杆。拉杆需要同时具备传力功能和实现与拉力传感器拆装的功能，设计了两根钢拉杆a 和b。拉杆a和b 的一端为带有外螺纹的套杆，另一端为带有内螺纹的套筒。拉杆a 的侧壁上设置了导线孔，并在侧壁的适当位置预留了导线出口，便于拉力传感器的测量导线穿出模型外部与测量设备相连。转盘、拉杆a、拉力传感器、拉杆b 依次螺纹连接，形成传感器安装机构，如图4 所示。

图4 拉力传感器安装机构

(2)固定机构。固定机构的主要作用是固定和支撑传感器安装机构，主要由固定板和固定组件构成。固定板需要满足可拆卸式传感器安装机构穿过的要求并起到支撑作用，设计时可考虑借助板桩墙体来实现这一功能。在板桩墙体对应拉杆的位置处预留孔洞，供传感器安装机构进行拆装作业。固定组件包括固定导梁和紧固螺帽a，固定导梁借助板桩码头模型的钢导梁来实现。在钢导梁上设置拉杆通孔，传感器安装机构穿过固定板和钢导梁后，通过紧固螺帽a 固定在板桩码头模型上。

(3)力传递机构。力传递机构是将板桩墙上受到的外力传递给模型内部锚碇结构的构件，包括拉杆c 和紧固螺帽b。拉杆c 需同时具备传力功能和实现与传感器安装机构的螺杆可拆卸式连接功能，将拉杆c 的一端设计为带内螺纹的套筒，另一端设计为带外螺纹的套杆的形式。带内螺纹的套筒端与传感器安装机构的拉杆b 螺纹连接，带外螺纹的套杆端穿过锚碇结构并由紧固螺帽b 固定。力传递机构如图5 所示。

图5 力传递机构

(4)保护机构。保护机构是将安装有拉力传感器的拉杆与板桩码头模型内部填土隔开的装置，包括两个相互嵌套的保护钢管及与之相匹配的预埋钢环。保护钢管a 和b 的一端分别通过板桩墙内侧或锚碇结构上的预埋钢环焊接固定，另一端为相互嵌套且处于非接触的自由状态，保证板桩墙受到外力后能够通过拉杆将力传递给锚碇结构而不会受保护机构的影响。保护机构如图6 所示。

图6 保护机构

(5)锚碇结构。锚碇结构的主要作用是固定拉杆并将拉杆传递的力传给地基，设计时考虑借助于原有教学模型的锚碇结构实现该功能。

拉力传感器埋设装置如图7 所示。

图7 拉力传感器埋设装置图

2.拉力传感器更换方法

正常情况下拉力传感器通过螺纹连接在传感器安装机构上。当板桩墙受到外荷载作用时，依次通过板桩墙、传感器安装机构和力传递机构将外力传给锚碇结构，传感器安装机构上的拉力传感器感知力的大小。当拉力传感器出现故障无法满足教学要求时，按照以下的操作流程进行：(1)松开固定导梁上的紧固螺帽a，旋转转盘，使传感器安装机构与力传递机构脱离，将传感器安装机构从教学模型中取出；(2)将故障拉力传感器从传感器安装机构的拉杆a 和b 上卸下，换装入新的拉力传感器并穿出导线；(3)将传感器安装机构依次穿过固定导梁、固定板(板桩墙体)，通过反向旋转转盘的方式使传感器安装机构与力传递机构螺纹连接；(4)旋紧紧固螺帽a，连接拉力传感器的导线至实验测量仪器上，即可实现拉力传感器的更换。此时，通过对教学模型施加外荷载，即可进行模型的受力特性实验。

可更换内部传感器的板桩码头教学模型如图8 所示。

图8 可更换内部传感器的板桩码头教学模型图

三、板桩码头模型教学应用及教学效果

(一)板桩码头模型的教学应用

板桩码头教学模型自开发建设完成后即投入了教学工作。根据教学要求和实验操作需要的人数，确定每个实验小组的学生人数，一般安排5 人左右。实验小组成员在实验前通过预习实验内容，对板桩码头实际运营中可能受到的可变荷载及其荷载组合进行分析，设计实验工况，并按照实验流程进行仪器操作、加载、读数等实验步骤，实验结束后根据实验数据进行数据处理和撰写实验报告。

图9 为某实验小组对板桩码头教学模型分别施加了竖直荷载和两级水平荷载的实验结果，包括了设计荷载作用下的土压力分布曲线、拉杆轴力变化值、板桩墙内力变化曲线和板桩墙位移曲线。从图中可以看出：(1)无论是板桩墙后的土压力变化、拉杆轴力变化、板桩墙身弯矩变化还是板桩墙位移变化，均为水平荷载引起的变化远大于竖直荷载引起的变化。(2)对于板桩墙后的土压力来说，沿板桩墙高度方向呈现复杂的曲线分布，不能简单地根据土压力公式进行计算。对模型上部施加水平荷载后，板桩墙后上部土压力有比较大的变化、下部土压力几乎没有变化，说明板桩墙上部受力特性变化明显；而对模型施加竖直荷载后，板桩墙后的土压力无论是上部还是下部的变化都不明显。(3)对于拉杆上的拉力来说，无论是水平荷载作用还是竖直荷载作用，模型内部4 根拉杆上的轴力变化量并不相同，中间的两根拉杆轴力变化大，两边的两根拉杆轴力变化小。这主要是因为施加的水平荷载和竖直荷载都是在模型中部，模型实验结果反映出了板桩码头受力后并非均匀向拉杆传递力，而是随着与拉杆距离的变大传递的外力变小。(4)对于板桩墙身弯矩来说，板桩墙身在顶部受到帽梁固定作用和中上部的拉杆作用，相应位置处的弯矩变化比较大，板桩墙身弯矩沿板桩高度方向呈现复杂曲线，同时竖直荷载引起的变化远小于水平荷载引起的变化。(5)对于板桩墙的位移来说，由于受到顶部帽梁固定作用、中上部的拉杆作用以及桩尖入土的嵌固作用，沿着板桩墙高度方向也呈现复杂的曲线变化。

图9 某实验小组数据分析

从以上实验结果分析可以看出，板桩码头的受力特性复杂。通过板桩码头模型的受力特性实验和数据分析，可以让学生非常直观地理解在外荷载作用下板桩墙后土压力、拉杆的拉力、板桩墙身弯矩和位移的受力变化特点。这种实践教学模式加强了学生对板桩码头理论知识的理解和掌握，深化了对板桩码头受力特性的认知。

(二)教学效果

板桩码头实验教学模型自投入教学工作以来，为港口航道与海岸工程专业学生提供了实际动手操作的机会，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力。该实验教学模型除了为本校学生开设必修的实践课程之外，还为大学生创新创业计划提供了实验平台，也为周边高校相关专业的学生提供了实践教学平台，获得了本校学生和相关高校学生的一致好评，教学效果显著。

四、结束语

板桩码头实验教学模型是港航工程综合实验课程的重要实验模型。通过该实验教学模型，不仅能够让学生认识模型的各部分结构组成，更主要的是通过对实验方案设计及对模型施加荷载实验，能够让学生分析在复杂荷载作用下板桩码头的受力特性，加深对理论知识的理解和掌握，培养学生的创新思维能力和实践动手能力。

本文提出了可更换教学模型内置传感器的设计方案，通过对可拆卸式土压力传感器埋设装置和拉力传感器埋设装置的设计，解决了传感器出现故障时必须拆开模型挖出墙后填土才能进行传感器更换的难题，实现了在不破坏教学模型的条件下可随时更换故障传感器的目标，节约了教学模型拆除换新的成本。可拆卸式传感器埋设装置构造简单、拆装便捷、操作方便，本文的教学模型设计方案已成功申请了两项国家发明专利，具有新颖性、创造性和实用性，适合在高校相关专业的教学模型中推广使用。