CN102944480A - 埋地管道上拔承载力测试装置及测试方法 - Google Patents

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郭成华
李璞
李江
杨汗青
王棠昱
李岳
胡道华
曾强
蒋喜
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Abstract

本发明公开了一种埋地管道上拔承载力测试装置及测试方法，能准确测试土中管道所受的上拔承载力；通过采用砝码加载，可进行长期维持加载测试，分析加载时间对承载特性的影响。尤其是软土中的埋地管道，可测试土体蠕变的影响；通过在管道模型封口钢板表面设置圆环状柔性填充材料，不但可有效减小管道模型与测试槽之间的摩擦力，减小测试误差，还能有效防止岩土体模型进入管道模型封口钢板与测试槽壁之间的缝隙中，减小边界效应的影响，保证测试在平面应变条件下进行；通过在测试槽上设置的玻璃侧面，使得管道模型以及岩土体的位移变形情况能被有效观测到，利用粒子图像测速法即可对管道、土体位移变形进行定量分析。

Description

埋地管道上拔承载力测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种埋地管道上拔承载力测试装置及测试方法。
背景技术
随着经济的快速发展，能源的开发利用越来越受到人们的重视。在能源运送中，管道运输由于其运输量大、迅速、连续、经济、平稳、安全、可靠以及占地少、投资少、费用低等特点，成为石油、天然气输送的重要方式。我国由于经济社会快速发展的需要，对能源需求量不断增加，油气管道工程建设正在不断进行。一些特殊的地质条件，尤其是深厚软土地质给管道工程建设带来了极大的困难。在高水位地区，管道经常出现上浮现象，给工程安全带来了巨大隐患，软土地区尤为严重。
在分析解决油气管道上浮问题时，两个重要的参数必须进行确定，即管道上浮力以及其上拔承载力。土体饱和后，强度会下降，特别是软土，由于其具有结构性，在施工扰动后，其强度会大大降低，甚至呈流塑状。而流塑状软土回填后，会对管道产生比水浮力更大的上浮作用力。此外，管道在上浮过程中，由于土体存在自重以及一定的强度，会对其产生向下的抵抗力，即为管道的上拔承载力。
目前，国内外关于油气管道上浮力以及上拔承载力的理论计算方法已有很多，但少有共识，而且由于各地土体性质不同，工程情况也不尽相同，很难找到适用于各种复杂条件的理论方法。而试验测试的方法由于能够针对不同土体性质、不同工程情况进行模拟分析，则相对具体可靠。因此，发明一种能测试管道上拔承载力的测试装置具有现实意义。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种埋地管道上拔承载力测试装置及测试方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种埋地管道上拔承载力测试装置，包括测试槽和设置在测试槽内的填充岩土体模型和两端密封的管道模型，所述管道模型与连接杆相连，所述连接杆穿过固定在预先开孔的槽口反力梁上的定向轴承与加载横梁相连；在加载横梁上安装有轴力计，连接钢丝绳通过安装在加载架上的定滑轮与砝码相连；在加载横梁上还设置有位移计。
本发明还提供了一种利用埋地管道上拔承载力测试装置进行测试的方法，包括如下步骤：
步骤一、在测试槽内填筑岩土体模型至设计管道模型的底标高位置，再放置管道模型；
步骤二、继续填筑岩土体模型，直至管道模型顶至岩土体模型表面竖直距离达到管道模型的设计埋深，并提升水位至设计标高；
步骤三、将轴力计安装在加载横梁上，连接钢丝绳通过安装在加载架上的定滑轮与砝码相连；然后在加载横梁上设置位移计；
步骤四、利用砝码进行分级加载，同时读取并记录位移计的读数，得到不同级荷载下管道模型的位移荷载关系，从而根据其位移荷载关系曲线确定管道模型上拔承载力。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
（1）能准确测试土中管道所受的上拔承载力。
（2）通过采用砝码加载，可进行长期维持加载测试，分析加载时间对承载特性的影响。尤其是软土中的埋地管道，可测试土体蠕变的影响。
（3）通过在管道模型封口钢板表面设置圆环状柔性填充材料，不但可有效减小管道模型与测试槽之间的摩擦力，减小测试误差，还能有效防止岩土体模型进入管道模型封口钢板与测试槽壁之间的缝隙中，减小边界效应的影响，保证测试在平面应变条件下进行。
（4）通过在测试槽上设置的玻璃侧面，使得管道模型以及岩土体的位移变形情况能被有效观测到，利用粒子图像测速法（PIV）即可对管道、土体位移变形进行定量分析。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明上拔承载力测试装置的侧视图。
图2是本发明上拔承载力测试装置的前视图。
具体实施方式
一种埋地管道上拔承载力测试装置，如图1至图2所示，包括：测试槽1、管道模型2、柔性填充材料3、连接法兰4、连接杆5、加载横梁6、定向轴承7、槽口反力梁8、轴力计9、连接螺杆10、连接螺帽11、定滑轮14、钢丝绳15、砝码16、加载架17、岩土体模型18、位移计19、管道封口钢板20、玻璃侧面21，其中：
测试槽1设置有玻璃侧面21，在测试槽1内填充岩土体模型18，埋设管道模型2，在管道模型2两端用管道模型封口钢板20密封，管道模型封口钢板20表面设置柔性填充材料3；管道模型2通过连接法兰4与连接杆5相连，连接杆5穿过固定在预先开孔的槽口反力梁8上的定向轴承7与加载横梁6相连；
所述的柔性填充材料3呈圆环状分布，外边缘与管道封口钢板20边缘一致，固定在管道模型封口钢板20上；柔性填充材料3的厚度取约0.5cm，柔性填充材料3圆环宽度取约1cm。
所述的管道模型2可配重使其自重与相同长度实际管段一致，或不配重； 
管道模型2的外径小于等于测试槽1长度的1/3，管道模型2的长度比测试槽1的宽度小约1cm。
轴力计9通过连接螺杆10，利用连接螺帽11安装在加载横梁6上，连接钢丝绳15通过安装在加载架17上的定滑轮14与砝码16相连；在加载横梁6上设置位移计19。
本发明还提供了一种埋地管道上拔承载力测试方法，包括如下步骤：
步骤一、在测试槽1内填筑岩土体模型18至设计管道模型2的底标高位置，再放置管道模型2；
步骤二、继续填筑岩土体模型18至设计标高，即管道模型2顶至岩土体模型18表面竖直距离达到管道模型2的设计埋深，并提升水位至设计标高；
步骤三、将轴力计9安装在加载横梁6上，连接钢丝绳15通过安装在加载架17上的定滑轮14与砝码16相连；然后在加载横梁6上设置位移计19；
步骤四、利用砝码16进行分级加载，同时读取并记录位移计19的读数，得到不同级荷载下管道模型2的位移荷载关系，从而根据其位移荷载关系曲线确定管道模型2上拔承载力。
此外，在获取位移荷载关系的同时，还可通过记录砝码16的加载时间进行砝码的维持加载测试，得到加载时间对承载特性的影响。

Claims (10)

1.一种埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：包括测试槽和设置在测试槽内的填充岩土体模型和两端密封的管道模型，所述管道模型与连接杆相连，所述连接杆穿过固定在预先开孔的槽口反力梁上的定向轴承与加载横梁相连；在加载横梁上安装有轴力计，连接钢丝绳通过安装在加载架上的定滑轮与砝码相连；在加载横梁上还设置有位移计。
2.根据权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：所述管道模型两端用管道模型封口钢板进行密封。
3.根据权利要求2所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：在所述管道模型封口钢板表面固定有呈圆环状分布的柔性填充材料。
4.根据权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：所述测试槽设置有玻璃侧面。
5.根据权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：所述管道模型的外径小于等于测试槽长度的1/3；所述管道模型的长度比测试槽的宽度小约1cm。
6.根据权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：所述管道模型通过连接法兰与连接杆相连。
7.根据权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置，其特征在于：所述轴力计通过连接螺杆，利用连接螺帽安装在加载横梁上。
8.一种利用权利要求1所述的埋地管道上拔承载力测试装置进行测试的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在测试槽内填筑岩土体模型至设计管道模型的底标高位置，再放置管道模型；
步骤二、继续填筑岩土体模型，直至管道模型顶至岩土体模型表面竖直距离达到管道模型的设计埋深，并提升水位至设计标高；
步骤三、将轴力计安装在加载横梁上，连接钢丝绳通过安装在加载架上的定滑轮与砝码相连；然后在加载横梁上设置位移计；
步骤四、利用砝码进行分级加载，同时读取并记录位移计的读数，得到不同级荷载下管道模型的位移荷载关系，从而根据其位移荷载关系曲线确定管道模型上拔承载力。
9.根据权利要求8所述的利用埋地管道上拔承载力测试装置进行测试的方法，其特征在于：所述管道模型两端用管道模型封口钢板进行密封。
10.根据权利要求9所述的利用埋地管道上拔承载力测试装置进行测试的方法，其特征在于：在所述管道模型封口钢板表面固定有呈圆环状分布的柔性填充材料。
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