CN107884015A - 一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统与方法，本系统包括试验槽、传力装置、试验管段、平土装置、加载装置和数据采集装置，竖向可升降推板与管道一体化设计，增强了待测管道的结构刚性；S型压力传感器直接与管道连接，最大化的降低了机械阻力；配有土面整平装置，既可以刮平土面，又有压实的作用，极大地缩短了试验前的准备时间，提升了试验精度和试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于侧向大位移条件下，受循环荷载的模型管段土抗力响应以及管道运动轨迹的测试方法，特别是涉及一种配有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，属于海洋工程领域。
背景技术
随着社会的发展，我国对于油气资源的需求将会持续增长。目前，由于陆上油气资源长期、大规模的开发，其勘探和开采难度不断增加，迫使人类逐渐从陆地走向海洋，从浅海走向深海。海底管道因具有运油能力大、铺设工期短、能较好地适应海洋极端环境等工程优越性，已经成为了最经济有效、安全快捷的海上油气运输方法。但随着水深的增加，海底管道总的铺设长度逐渐累加，其作业环境的复杂性也大大提高，因此，维持管道在位稳定性的成本也随之增大。对于远海深水及超深水区域中管线在位稳定性技术的研究具有重要的意义。铺设在深水区海床上的海底管道极易发生水平向整体屈曲，进而引起材料的屈服破坏。地基土对管道的约束作用是维持管道稳定性的重要因素，因此土体对浅埋管线的水平抗力发挥机制是深海管道抗屈曲设计中十分重要的课题。不仅如此，管道在服役过程中，常常因检修或事故而进行数百次开启和关闭的循环。管线在此过程中会受到循环荷载的作用，并在水平方向上发生大位移往复运动，研究显示，屈服时管道往复运动可达5-20倍管径。此外，土面的倾斜角度对表面的稳定性影响很大，土面平整情况的好坏直接影响着管土相互作用模型试验的结果。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统与方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，本系统包括试验槽、传力装置、试验管段、平土装置、加载装置和数据采集装置，在试验槽的两侧边沿上设置有水平向导轨；
所述传力装置设置于水平向导轨上，传力装置由推板、固定滑框、滑轮和可升降推板构成，推板横跨于试验槽的水平向导轨之间，在推板上设置固定滑框，可升降推板设置于固定滑框内，可升降推板的下端设置T型支撑板，T型支撑板通过设置于试验管段表面的矩形槽伸入试验管段内并夹持在内轮的两侧(这种新式的管段设计，可以很好的满足管段在竖直方向的自由度，更为真实的模拟了管线的运动轨迹，提升了试验精度)；
所述平土装置设置于推板的两侧，平土装置由两根竖杆、设置于竖杆之间压轮以及刮土板构成，压轮和刮土板通过螺钉与两根竖杆连接固定，二者可分别进行安装或拆卸，如拆卸掉刮土板，只利用压轮进行压土，或者拆卸掉压轮，只利用刮土板进行土面的平整；
所述加载装置包括丝杠支架、丝杠、联轴器、伺服电机减速器和速度控制箱，丝杠支架设置于试验槽与水平向导轨垂直的边沿中心处，在两个丝杠支架之间设置丝杠，丝杠通过设置于推板底部的传动件与推板相连，丝杠的一端连接联轴器，联轴器连接伺服电机减速器，伺服电机减速器连接速度控制箱；
所述数据采集装置包括S型压力传感器、动静态应变采集仪、计算机和摄像头，所述S型压力传感器设置于可升降推板的底部，S型压力传感器与动静态应变采集仪相连，动静态应变采集仪与计算机相连，计算机连接摄像头(数据采集装置可以根据不同的试验要求，记录相关数据，绘制相应曲线，以研究管道的运动轨迹、地基土破坏模式及土抗力的变化规律)。
在上述技术方案中，在所述试验槽两侧设置有钢化玻璃，钢化玻璃为透明并标有刻度，用以观察记录地基土的变形和管道的运动轨迹。
在上述技术方案中，所述试验管段为0.8-1.2m长的薄壁空心管体。
在上述技术方案中，所述在推板底部设置有滑块，使推板可沿水平向导轨进行滑动(推板的横向移动带动，将加载系统传递来的动力转化为水平推力并施加在试验管段，使试验管段在土体上做往复运动)。
在上述技术方案中，所述固定滑框由两个U形柱体构成，U形柱体的开口相对设置，滑轮设置于U形柱体内部，可升降推板设置于滑轮之间，可沿垂直方向进行上下运动。
在上述技术方案中，所述固定滑框的数量为2个，二者沿推板中线相对设置。
在上述技术方案中，所述平土装置的两个竖杆通过调节机构与推板相连接，以使平土装置可进行垂直方向的位置调节。
一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试方法，按照下列步骤进行：
步骤一、测定填土的物理力学性质，对于无粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角；对于粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度；
步骤二、向槽内按层填土，推动自带的土面平整装置，沿水平向导轨来回运动数次，利用刮土板和压轮对土面进行整平和压实；
步骤三、安放试验管段，根据试验要求埋设管线；
步骤四、依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪，首先对应变仪进行平衡、清零，然后打开伺服电机，设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数，管道开始运动后，应变仪采集土体侧向抗力随管道位移的实时变化数据，摄像机监测管线运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律；
步骤五、试验结束后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，并对试验数据进行整理和备份，最终所得数据都记录在计算机中，以备之后的处理与分析。
在上述技术方案中，步骤二中，对于无粘性土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直到达到预定标高；对于粘性土，同样每层都要夯实均匀，并用环刀取土样，测土的密度和含水率，将其控制在预定值，直到达到预定标高，粘土铺设完成后，还需要固结24小时使其形成均匀整体。
在上述技术方案中，步骤三中，所述管线可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的进行预设深度处理。
在上述技术方案中，步骤三中，所述管线的下部土体厚度应大于1倍管径(根据有限元的计算结果可知，管线横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于1倍管径)。
在上述技术方案中，步骤四中，所述试验加荷速率为1-10mm/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、竖向可升降推板与管道一体化设计，增强了待测管道的结构刚性，完全还原了实际工程中深海海管在竖直方向无约束的情况，使加载机构对管道运动的干扰降到了最低，从而有效模拟管线在地基土体中的水平向循环运动的过程，提升了待测试验结果的准确性。
2、S型压力传感器直接与管道连接，最大化的降低了机械阻力，有效地避免了由于机械阻力而造成土抗力测试不准的缺点。
3、数据采集系统记录下试验过程中每一时刻管线的水平位移、竖直位移以及受到的侧向抗力的变化情况，数据采集仪将各个传感器采集来的数据传输给电脑，电脑将每一时刻的数据变化情况及时而又直观的显示在试验操作人员面前，使得试验员能够实时监控试验数据，从而方便对试验及时作出调整。同时，影像采集系统记录下了管线与地基土体的作用过程以及管线运动方向前部土坝的形成过程，用以研究不同实验条件下土阻力以及管线的运动情况。四周密封的试验槽也可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。
4、由于试验对土面平整性有着较高要求，往往平整土面需要投入大量的人力物力，但平整效果却不尽如人意。本装置配有土面整平装置，既可以刮平土面，又有压实的作用，极大地缩短了试验前的准备时间，提升了试验精度和试验效率。
附图说明
图1为一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统示意图。
图2为一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统侧视图。
图3为一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统传力装置详图。
图4为一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统试验管段详图。
图5一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统平土装置详图。
图6为根据实验测试结果绘制的土抗力曲线图。
图7为根据实验测试结果绘制的管道位移路径图。
其中，1为摄像头，2为计算机，3为动静态应变采集仪，4为速度控制箱，5为试验槽，6为伺服电机减速器，7为联轴器，8为丝杠支架，9为丝杠，10为水平向导轨，11为压轮，12为刮土板，13为推板，14为试验管段，15为可升降推板，16为滑块，17为固定滑框，18为滑轮，19为T型支撑板，20为S型压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图中所示，本系统由试验槽、传力装置、试验管段、平土装置、加载装置和数据采集装置六部分构成，试验槽为长3m，宽1.1m，高1m的钢槽，其四周槽壁为标有刻度的钢化玻璃，以便于观察记录地基土的变形和管道的运动轨迹，在试验槽的两侧边沿上设置有水平向导轨；
所述传力装置设置于水平向导轨上，传力装置由推板、固定滑框、滑轮和可升降推板构成，推板横跨于试验槽的水平向导轨之间，在推板上设置固定滑框，可升降推板设置于固定滑框内，可升降推板的下端设置T型支撑板，T型支撑板通过设置于试验管段表面的矩形槽伸入试验管段内并夹持在内轮的两侧，试验管段1m长的薄壁空心管体；
所述平土装置设置于推板的两侧，平土装置由两根竖杆、设置于竖杆之间压轮以及刮土板构成，压轮和刮土板通过螺钉与两根竖杆连接固定，二者可分别进行安装或拆卸，如拆卸掉刮土板，只利用压轮进行压土，或者拆卸掉压轮，只利用刮土板进行土面的平整；
所述加载装置包括丝杠支架、丝杠、联轴器、伺服电机减速器和速度控制箱，丝杠支架设置于试验槽与水平向导轨垂直的边沿中心处，在两个丝杠支架之间设置丝杠，丝杠通过设置于推板底部的传动件与推板相连，丝杠的一端连接联轴器，联轴器连接伺服电机减速器，伺服电机减速器连接速度控制箱；
所述数据采集装置包括S型压力传感器、动静态应变采集仪、计算机和摄像头，所述S型压力传感器设置于可升降推板的底部，S型压力传感器与动静态应变采集仪相连，动静态应变采集仪与计算机相连，计算机连接摄像头(数据采集装置可以根据不同的试验要求，记录相关数据，绘制相应曲线，以研究管道的运动轨迹、地基土破坏模式及土抗力的变化规律)。
在使用上述技术方案中一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统平土装置进行试验时，按照下列步骤进行：
1、试验开始前的准备工作：首先需要测定填土的物理力学性质。对于无粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角；对于粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度。然后向槽内按层填土，并推动自带的土面平整装置，沿水平向导轨来回运动数次，利用刮土板和压轮对土面进行整平和压实。其中，对于无粘性土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直到达到预定标高；对于粘性土，同样每层都要夯实均匀，并用环刀取土样，测土的密度和含水率，将其控制在预定值，直到达到预定标高，粘土铺设完成后，还需要固结24小时使其形成均匀整体。根据有限元的计算结果可知，管线横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于1倍管径，因此管线的下部土体厚度应大于1倍管径。接着，安放试验管段，根据试验要求埋设管线，管线可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的进行预设深度处理。
2、填土及试验管段安放完成后，将加载装置、传力装置、数据采集装置按图1所示进行连接。
3、试验开始后，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。首先对应变仪进行平衡、清零，然后打开伺服电机，设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数。加荷速度可以在可1-10mm/s之间变化，水平向位移的最大值由试验槽的大小所限制。管道开始运动后，应变仪采集土体侧向抗力随管道位移的实时变化数据，摄像机监测管线运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律。
4、试验结束后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，并对试验数据进行整理和备份。最终所得数据都记录在计算机中。
5、根据测试结果进行数据的统计得到如图6的土抗力曲线图和图7的管道位移路径图，由图中可以得到通过本技术方案所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统与方法，可以测得试验管段的土抗力及管道位移路径的相关数据，可以作为管土相互作用模型建立的依据。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：本系统包括试验槽、传力装置、试验管段、平土装置、加载装置和数据采集装置，在试验槽的两侧边沿上设置有水平向导轨；
所述传力装置设置于水平向导轨上，传力装置由推板、固定滑框、滑轮和可升降推板构成，推板横跨于试验槽的水平向导轨之间，在推板上设置固定滑框，可升降推板设置于固定滑框内，可升降推板的下端设置T型支撑板，T型支撑板通过设置于试验管段表面的矩形槽伸入试验管段内并夹持在内轮的两侧；
所述平土装置设置于推板的两侧，平土装置由两根竖杆、设置于竖杆之间压轮以及刮土板构成，压轮和刮土板通过螺钉与两根竖杆连接固定，二者可分别进行安装或拆卸，如拆卸掉刮土板，只利用压轮进行压土，或者拆卸掉压轮，只利用刮土板进行土面的平整；
所述加载装置包括丝杠支架、丝杠、联轴器、伺服电机减速器和速度控制箱，丝杠支架设置于试验槽与水平向导轨垂直的边沿中心处，在两个丝杠支架之间设置丝杠，丝杠通过设置于推板底部的传动件与推板相连，丝杠的一端连接联轴器，联轴器连接伺服电机减速器，伺服电机减速器连接速度控制箱；
所述数据采集装置包括S型压力传感器、动静态应变采集仪、计算机和摄像头，所述S型压力传感器设置于可升降推板的底部，S型压力传感器与动静态应变采集仪相连，动静态应变采集仪与计算机相连，计算机连接摄像头。
2.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：在所述试验槽两侧设置有钢化玻璃，钢化玻璃为透明并标有刻度。
3.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：所述试验管段为0.8-1.2m长的薄壁空心管体。
4.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：所述在推板底部设置有滑块，使推板可沿水平向导轨进行滑动。
5.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：所述固定滑框由两个U形柱体构成，U形柱体的开口相对设置，滑轮设置于U形柱体内部，可升降推板设置于滑轮之间，可沿垂直方向进行上下运动。
6.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：所述固定滑框的数量为2个，二者沿推板中线相对设置。
7.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试系统，其特征在于：所述平土装置的两个竖杆通过调节机构与推板相连接，以使平土装置可进行垂直方向的位置调节。
8.一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试方法，按照下列步骤进行：
步骤一、测定填土的物理力学性质，对于无粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角；对于粘性土，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度；
步骤二、向槽内按层填土，推动自带的土面平整装置，沿水平向导轨来回运动数次，利用刮土板和压轮对土面进行整平和压实；
步骤三、安放试验管段，根据试验要求埋设管线；
步骤四、依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪，首先对应变仪进行平衡、清零，然后打开伺服电机，设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数，管道开始运动后，应变仪采集土体侧向抗力随管道位移的实时变化数据，摄像机监测管线运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律；
步骤五、试验结束后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，并对试验数据进行整理和备份，最终所得数据都记录在计算机中，以备之后的处理与分析。
9.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试方法，其特征在于：
步骤二中，对于无粘性土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直到达到预定标高；对于粘性土，同样每层都要夯实均匀，并用环刀取土样，测土的密度和含水率，将其控制在预定值，直到达到预定标高，粘土铺设完成后，还需要固结24小时使其形成均匀整体。
10.根据权利要求1所述的一种带有土面整平装置的侧向管土作用测试方法，其特征在于：步骤三中，所述管线可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的进行预设深度处理；所述管线的下部土体厚度应大于1倍管径。
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