CN105300876B - 自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置 - Google Patents

Abstract

自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置，适用于埋地管道与管道周围土体发生相对位移时的管土相互作用试验模拟研究。该装置主要由箱体、管道、反力架、传感器系统及作动器五部分组成，反力架部分直接固定于箱体上，实现箱体试验过程中的自主平衡，水平作动器加载于水平加载挡板，带动钢绞线及钢绞线一端的管道相对土体运动，竖直作动器在铺设于试验土体上方的刚性垫板上竖向加载，以模拟埋深较大情况。本装置可以考虑土质、埋深、管径、管材、含水量等多种因素对管土相互作用的影响，对更清晰地了解管土相互作用特性具有促进作用。

Description

自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置

技术领域

本发明涉及埋地管道与土体之间的相互作用试验模拟装置

背景技术

埋地管道作为供水供电供能的重要渠道之一，具有分布范围广，运输距离长的特点，管道不可避免地要穿越地质条件复杂地段，如断层、滑坡、沉陷区等。此类不良地质的发展，将引起管土之间的相对位移，管土相互作用也变得剧烈，极有可能引起管道的大变形甚至破坏，威胁到埋地管道正常运行。如今对埋地管道与土体间的相互作用试验研究并不多见，尤其是针对管土间发生较大相对位移及埋深较大的情况，研究者更愿意利用数值模拟的手段对管土相互作用进行参数研究，不可否认，数值模拟的研究方法具有一定的合理性，然而该方法在方程离散、本构关系、接触形式等关键问题上都做了相当程度的简化，结果的准确性及真实性需在试验模型中得到验证甚至修正，因此试验模拟是埋地管道与土体间的相互作用研究工作中必不可少的一环。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置。以考量各种因素对埋地管道与土体相互作用的影响，并观察管土相互作用中管周土体的变形机制，为管土相互作用的研究工作提供试验依据。

自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置，其特征在于：包括管道、管箍、水平反力架及竖向反力架、水平作动器及竖直作动器、箱体、有机玻璃观察窗口、观察窗口钢框架、钢绞线、竖向加载垫板、水平加载挡板以及传感器系统；

1)水平作动器(6)及竖直作动器(3)均安装在箱体上，与箱体形成一个整体；

2)箱体正面板开设有机玻璃观察窗口(15),有机玻璃镶嵌在观察窗口钢框架(14)上；

3)管道的布置应满足管轴至箱体左、右侧板、底板和竖向加载板的距离均不小于5倍管径的要求；

4)管箍(13)上开有螺纹孔用于接入螺丝(21)将管箍(13)固定于管道(12)外表面；

5)传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、拉线式位移计、力传感器，薄膜土压力计及应变片均布置在试验管道(12)外表面，拉线式位移计两端分别连接于水平加载挡板(7)和箱体(16)，力传感器安装在水平作动器(6)和水平加载挡板(7)之间。

进一步，侧面板外侧焊接挡土插槽(10)，插槽(10)内插入挡土木板(11)，挡土木板(11)上开有大于钢绞线(8)直径的圆孔。进一步，在背面板上开有矩形洞口，洞口外侧装有背面挡土钢板(19)。进一步，竖向作动器(3)利用螺栓杆(5)及安装垫板(4)固定于竖直反力架上。进一步，箱体上方四个角落设有吊环(18)。

试验管道(12)的管径或管材改变，以研究管径、管材对管土相互作用的影响。管道(12)外表面上布置的薄膜土压力计记录管土之间发生相对位移前后的管道周围的土压力分布情况，用于研究管周土压分布规律。管道(12)与管周土压力分布数据结合试验记录的总荷载值，用于分析不同工况下管土之间摩擦系数的取值。竖直作动器(3)用以对铺设于土体上方的竖向加载垫板(9)进行竖向加载，加载方式采用力加载；水平作动器(6)采用位移加载方式。

1)水平作动器(6)及竖直作动器(3)均安装在箱体上，与箱体形成一个整体，试验中实现自动平衡，无需利用地锚固定，同样不需要利用实验室大型荷载架或反力墙，有利于节省宝贵的实验室设备资源；

2)正面板上开设有机玻璃观察窗口(15),有机玻璃镶嵌在观察窗口钢框架(14)上，透过有机玻璃观察窗口(15)可以观察到管道周围土体的变形过程，对于埋深较大工况，可以观察到管土相互作用过程中土拱效应的形成，有利于从物理机制的角度去理解管土相互作用过程；

3)经过数值模拟计算，管道的布置应满足管轴至箱体左、右侧板、底板和竖向加载板的距离均不小于管径的5倍的要求，以避免边界效应对试验的影响；

4)管箍(13)在圆柱面中心附近向内凹陷1～2cm(与钢绞线直径接近)，呈哑铃状，钢绞线(8)环绕在凹陷处，在管箍上开有螺纹孔，可接入固定螺丝(21)便于将管箍(13)固定于管道(12)上；

5)设有传感器系统，传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、拉线式位移计、力传感器，薄膜土压力计及应变片均安装在试验管道(12)上，拉线式位移计连接于水平加载挡板(7)上，力传感器安装于水平作动器(6)和水平加载挡板(7)之间。

6)管道(12)外侧布置薄膜土压力计，可以记录管土之间发生相对位移前后的管道周围的土压力分布情况，用于管周土压分布的研究工作，此外，管周土压力分布数据结合试验记录的总荷载值，可以用作分析不同工况下管土之间摩擦系数的取值；

7)利用竖直作动器(3)对铺设于土体上方的竖向加载垫板(9)进行加载，可以模拟埋地管道埋深较大的工况，避免了模型箱尺寸过小从而不能讨论埋深较大工况的缺陷；

8)竖向作动器(3)采用水平加载时类似的连接方式，将加载挡板、钢绞线(8)及管道(12)依次连接，可以用来进行竖直方向的管土相互作用试验，模拟地面沉陷区埋地管道的受力变形情况；

9)为了避免试验中土体从侧面板竖缝(20)中挤出，在侧面板外侧焊接挡土插槽(10)，插槽(10)内插入挡土木板(11)，挡土木板(11)上开有略大于钢绞线(8)直径的圆孔，其中挡土木板(11)在插槽(10)内的位置可竖直方向进行调节。

本发明的传力装置由钢绞线(8)承担，钢绞线(8)一端连接于水平加载挡板(7)上，另一端连接于管箍(13)上。本发明试验管道(12)的管径及管材均可改变，以研究管径及管材对管土相互作用的影响。

本发明在背面板上开有矩形洞口，洞口外侧装有背面挡土钢板(19)，该挡土钢板可拆卸，方便进行下一组试验前，将箱体底部不易挖出的残余土体清除干净。

本发明试验管道(12)外侧套有管箍(13)，可以避免管道受力过于集中。

本发明竖向作动器(3)利用螺栓杆(5)及安装垫板(4)固定于竖直反力架上

本发明箱体上方四个角落里设有吊环(18)，方便试验装置的运移，箱体上部直角转折处焊有加劲肋，避免箱体强度不足破坏。

由于采用本发明的技术方案，本发明具备以下功能：装置本身配有简单的反力架装置，作动器直接安装于模型箱体上，实现整体自平衡，试验的开展无需借助地锚及大型荷载架或反力墙装置，有利于节省宝贵的实验室设备资源；利用该装置可以研究土质、埋深(包括埋深较大情况)、管径、管材、含水量等因素对管土相互作用的影响，装置中布置的传感器系统可以获取管土相互作用中管周土压力分布、管道应变情况及管周土体荷载位移曲线。对于埋深较大情况，通过有机玻璃观察窗口还可以观察到管道运动过程中土拱效应的形成过程，可为管土相互作用的研究工作提供有意义的参考依据。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的示意图一。

图2为本发明所提供的实施例的示意图二。

图3为本发明所提供的实施例的前视图。

图4为本发明所提供的实施例的后视图。

图5为本发明所提供的实施例的左视图。

图6为本发明所提供的实施例的右视图。

图7为本发明所提供的实施例的俯视图。

图8为本发明所提供的实施例的管道连接处详图。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明：自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置，参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6、附图7、附图8，包括管道(12)、管箍(13)、固定螺丝(21)、水平反力架(2)、竖直反力架(1)、水平作动器(6)、竖直作动器(3)、箱体(16)、有机玻璃观察窗口(15)、观察窗口钢框架(14)、钢绞线(8)、加劲肋(17)、挡土插槽(10)、挡土木板(11)、竖向加载垫板(9)、水平加载挡板(7)、背面挡土钢板(19)、安装垫板(4)以及螺栓杆(5)。

本发明将水平反力架(2)及竖直反力架(1)均直接焊接于箱体上，实现整个装置的自动平衡。

本发明水平作动器(6)用螺栓连接于水平反力架(2)上，通过水平加载挡板(7)及两端分别连接于水平加载挡板(7)和试验管道(12)上的钢绞线将荷载施加于试验管道上，竖直作动器(3)通过对铺设于土体上方的竖向加载垫板(9)加载，达到模拟埋深较大情况下的试验工况。

本发明可以采用竖向作动器连接竖向加载挡板及钢绞线的方式实现管道与土体发生竖向方向上的相对运动。

本发明设有有机玻璃观察窗口(15)，通过窗口可以观察到管土相对运动过程中，土体的变形情况，在埋深较大情况下，可以观察到土拱效应的形成过程。

本发明在竖缝(20)外侧焊有插槽(10)，插槽(10)内可以安装挡土木板(11)，以防止试验过程中土体挤出，其中挡土木板上开设略大于钢绞线直径的圆孔，在钢绞线穿过之前挡土木板(11)在插槽(10)内可上下活动用于保证圆孔和钢绞线在同一条水平线上。

本发明在背面板上开有矩形洞口，洞口外侧装有背面挡土钢板(19)，该挡土钢板可拆卸，方便进行下一组试验前，将箱体底部不易挖出的残余土体清除干净。

本发明试验管道(12)材料可为工程上常用的钢管、铸铁管、混凝土管、PVC管、PE管、HDPE管等，且管道(12)的管径可变化。

本发明设有传感器系统已量测管道及土体的受力变形，包括安装于试验管道(12)上的薄膜土压力计和应变片、连接于水平加载挡板(7)上的拉线式位移计及安装于水平作动器(6)和水平加载挡板之间的力传感器。

在箱体内分层铺设试验土体并夯实至预定高度，当铺设至埋地管道(12)高度时，应将管道层单独作为一层进行土体铺设，在粘贴有传感器的试验管道上铺设土体应注意不能影响到传感器的粘贴质量，传感器的所有导线均汇集到管箍(13)处，并沿着钢绞线(8)穿出箱体，管道层铺设完成后继续土体铺设，直至最后一层，继而利用水平作动器(6)对已连接好钢绞线(8)的水平加载挡板(7)进行加载，数据采集系统采集数据的同时通过有机玻璃观察窗口(15)观察土体变形情况，必要时进行拍照；对于埋深较大情况，在土体铺设完成后，需在土体表面盖上竖向加载垫板(9)，开启竖向作动器(3)进行加载，以实现大埋深工况；

本发明可通过选用不同土质、改变试验管径、选用不同试验管材、改变铺土高度或改变竖向加载量、改变土体含水率的方式以分别考量土质、管径、管材、埋深、含水量对管土相互作用的影响。

Claims (2)

1.自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置，其特征在于：包括试验管道、管箍、水平反力架、竖向反力架、水平作动器、竖直作动器、箱体、钢绞线、竖向加载垫板、水平加载挡板以及传感器系统；

箱体包括左侧板、右侧板、底板、正面板、背面板，组成一个上方开口的箱体结构；试验管道和土体放置在箱体内，竖向加载垫板（9）铺设于土体上方；

箱体正面板上设有观察窗口钢框架，有机玻璃镶嵌在观察窗口钢框架（14）内组成有机玻璃观察窗口（15）；在背面板上开有矩形洞口，矩形洞口外侧装有背面挡土钢板，该背面挡土钢板可拆卸，便于将箱体底部不易挖出的土体清除干净；右侧板的左右两侧设置有竖缝（20），为了避免试验中土体从竖缝（20）中挤出，在竖缝（20）的外侧焊接挡土插槽（10），挡土插槽（10）内插入挡土木板（11），挡土木板（11）的左右两侧分别开有略大于钢绞线（8）直径的圆孔；

试验管道的布置应满足管轴至箱体左侧板、右侧板、底板和竖向加载垫板的距离均不小于5倍管径的要求，在试验管道的两端固定有管箍，管箍（13）上开有螺纹孔用于接入螺丝，螺丝将管箍固定在试验管道的两端；在试验管道两端的管箍上分别连接钢绞线，通过右侧板上的竖缝以及挡土木板（11）的圆孔将钢绞线引出箱体，钢绞线的另一端连接于水平加载挡板（7）上，挡土木板（11）在挡土插槽（10）内的位置可在竖直方向调节以保证圆孔和钢绞线在同一条水平线上；

水平反力架及竖向反力架均焊接于箱体上，与箱体形成一个整体，实现整个试验装置的自动平衡，水平反力架焊接在箱体的右侧，竖向反力架焊接在箱体的上方；竖直作动器（3）利用螺栓杆（5）及安装垫板（4）固定于竖向反力架的横梁上，竖直作动器（3）位于竖向反力架内部，竖直作动器（3）通过对铺设于土体上方的竖向加载垫板（9）进行竖向加载；水平作动器（6）用螺栓连接于水平反力架（2）的横梁上，水平作动器（6）位于水平反力架的外部，水平加载挡板设置在水平作动器的另一端，水平作动器的动力输出作用于水平加载挡板上，通过水平加载挡板（7）及两端分别连接于水平加载挡板（7）和试验管道（12）上的钢绞线将荷载施加于试验管道上；

传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、拉线式位移计、力传感器，薄膜土压力计及应变片均布置在试验管道（12）外表面，拉线式位移计两端分别连接于水平加载挡板（7）和箱体(16)上，力传感器安装在水平作动器（6）和水平加载挡板（7）之间；

试验管道（12）外表面上布置的薄膜土压力计记录管土之间发生相对位移前后的试验管道周围的土压力分布情况，用于研究试验管道周围的土压力分布规律；

试验管道（12）周围的土压力分布数据结合试验记录的总荷载值，用于分析不同工况下管土之间摩擦系数的取值。

2.如权利要求1所述自平衡式埋地管道与土体相互作用试验装置，箱体上方四个角落设有吊环（18），以便于试验装置的运移。