CN108007788B - 不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口，矩形开口位于装置框架左右两侧，每侧各有上下设置至少三个矩形开口，管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，滑槽位于矩形开口上下端，管道支架可滑动地位于滑槽内，套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；土体沉陷控制系统包括挡土板和微型液压升降机，挡土板位于装置框架底部，挡土板固定在装置框架底端，微型液压升降机位于挡土板下端，与挡土板下端贴合接触。本发明可模拟在埋地管道不同埋深、不同直径的情况下，测量分析埋地管道受土体沉陷影响时的应变特征和破坏过程，为埋地管道破坏成因提供试验依据。

Description

不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种管道运输行业中的模拟试验装置，具体的说是一种模拟不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置。

背景技术

管土相互作用物理模型试验属于岩土工程模型试验的范畴，其理论起源于20世纪初期建立的结构模型试验，目前已逐渐发展并延伸出了管土相互作用现场模型试验、管土相互作用框架式模型试验、管土相互作用离心模型试验和管土相互作用综合模型试验等诸多研究方向。其中，管土相互作用框架式模型试验是指在通常的重力场内，通过在框架模型槽内采用满足相似判据的相似材料制作模型，在模型满足主要边界条件相似的情况下测量其变形和各力学特性参数。该试验既能直观地观察到滑体在滑动过程中的运动特征，也能定量的获得管道与土体的应力、应变、位移等参数，可从定性和定量的角度阐明管土相互作用的机制。

在管土相互作用框架式模型试验情况下，管土相互作用一般是在外力条件下发生的现象。外力作用的主要方式有：机械震动或爆破形式模拟的地震波；降雨模拟器模拟降雨条件下的渗流作用；人工堆载的方式在物理模型顶端提供土体的重力；

其中，在埋地管道位置的控制和土体沉陷两个方面还存在如下局限或缺陷：

(1)现有位置控制系统无法达到精确控制效果，且结构复杂、成本高、操作繁琐，难以满足快速、精确的管道位置控制的要求。

(2)土体内部应力、应变复杂，溶洞、土体液化、地震等造成土体沉陷过程的模拟难度大。

发明内容

为了克服已有技术无法模拟土体沉陷情况下不同埋深的埋地管道所受影响的不足,本发明提供了一种不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，利用这种装置，可模拟在埋地管道不同埋深、不同直径的情况下，测量分析埋地管道受土体沉陷影响时的应变特征和破坏过程，为埋地管道破坏成因提供试验依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，包括装置框架、土体沉陷控制系统、移动装置；所述装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口，所述矩形开口位于装置框架左右两侧，每侧各有上下设置至少三个矩形开口，所述管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，所述滑槽位于矩形开口上下端，所述管道支架可滑动地位于滑槽内，所述套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；

所述土体沉陷控制系统包括挡土板和微型液压升降机，所述挡土板位于装置框架底部，挡土板固定在装置框架底端，所述微型液压升降机位于挡土板下端，与挡土板下端贴合接触，控制挡土板上下移动的速率。

进一步，所述管道支架下端与轴承相切，所述管道支架通过轴承与滑槽连接。

再进一步，所述试验装置还包括位置控制系统，所述位置控制系统包括卡锁，所述管道支架上端设有等距圆孔，所述等距圆孔为控制位置的尺寸孔所述卡锁可插入管道滑动平台上端滑槽中间留置的圆孔中，连接尺寸孔，起到固定管道支架和控制管道位置的作用。

更进一步，所述试验装置还包括移动装置，所述移动装置包括滑轮支撑杆、轮刹和滑轮，固定板上设有四个圆孔，所述支撑杆被螺母固定在装置框架底端四个角端，所述滑轮位于滑轮支撑杆底部，所述轮刹位于支撑杆下端和滑轮的上端。

所述装置框架上安装手推杆。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)该试验装置可应用于管土相互作用框架式模型试验，通过装置底部挡土板的卸除来模拟土体沉陷，引起管土相互作用；

(2)该试验装置结构简单，易于操作，可在深基坑物理模型顶端放置轻质板，在轻质板上叠加适量砝码，以达到试验对荷载的要求；

(3)该试验装置位置控制系统构造简易，在一定程度上可精准控制管道的位置；

(4)该试验装置不但可以开展不同埋深情况下的管土相互作用研究，也能研究不同直径情况下的管土相互作用；

(5)该试验装置可以模拟不同埋置率(埋深与管径之比)情况下的管土相互作用研究；

(6)该试验装置构件强度高、刚度大，构件偶尔出现破坏的可能性非常小，即便出现破损，也易于修理或更换；

(7)该试验装置的滑轮支撑杆的设计，便于微型液压升降机与装置底部的衔接，避免土体出现堆积、停滞等影响试验结果的现象；

(8)该试验装置可作为岩土工程模型试验的参考对象，成本低，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。

图2为图1装置的主视图。

图3为图1装置的俯视图。

图4为图1装置的仰视图。

图5为试验装置管道滑动平台构造图。

图6为试验装置管道位置控制系统构造图。

图7为管道支架的构造图。

图8为移动系统的构造图。

图中：1—装置框架，2—手推杆，3—管道支架，4—埋地管道，5—卡锁，6—套筒，7—螺母，8—支撑杆，9—轮刹，10—滑轮，11—轴承，12—挡土板，13—尺寸孔，14—上端滑槽，15—下端滑槽，16—轴承孔，17、18—螺孔，19—圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，包括装置框架、位置控制系统、土体沉陷控制系统、移动装置；所述装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口，所述矩形开口位于装置框架左右两侧，每侧各有上下设置至少三个矩形开口；所述管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，所述下端滑槽内部设有两个轴承，所述手推杆设在装置后端；所述位置控制系统包括卡锁，所述管道支架置于管道滑动平台中，管道支架下端与轴承相切，管道支架上端设有等距圆孔，作为控制位置的尺寸孔，所述套筒紧密嵌入管道支架中间留置的圆环中，所述卡锁可插入管道滑动平台上端滑槽中间留置的圆孔中，连接尺寸孔，起到固定管道支架和控制管道位置的作用；所述土体沉陷控制系统包括挡土板、微型液压升降机，所述挡土板的数量有三块，位于装置框架底部，使用螺母将挡土板固定在装置框架底端，所述微型液压升降机位于挡土板下端，与挡土板下端贴合接触，控制挡土板上下移动的速率；所述移动装置滑轮支撑杆、轮刹、滑轮，固定板上设有四个圆孔，所述支撑杆被螺母固定在装置框架底端四个角端，所述滑轮位于滑轮支撑杆底部，所述轮刹位于支撑杆下端，滑轮的上端。

所述管道滑动平台各有三个位于装置框架前端和后端，且每两个管道滑动平台位于同一水平面，当然，所述管道滑动平台也可以是其他数量。

所述滑槽上下端距离接近管道支架的高度，保证管道支架只能沿两侧滑动。

所述滑轮支撑杆长度为500mm，支撑杆通过四颗螺母与装置主体固定。

所述轮刹按下后，可固定滑轮，使滑轮无法滑动，起到固定整个试验装置的作用。

所述滑轮外胎采用橡胶材料或其他具备较大摩擦性材料制造。

所述套筒具有多种型号，外径与管道支架中间留置的圆环相等，内径随埋地管道直径的变化而变化，起到固定埋地管道的作用。

所述卡锁可通过滑槽上端留置的圆孔，插入管道支架上端留置的圆孔(尺寸孔)，用以控制管道支架的位置，间接控制埋地管道的位置。

所述管道支架上端留置的圆孔间距20mm，数量为15。

所述挡土板分别位于装置底部两侧和中间，扩大管道与沉陷区距离，充分利用装置的空间。

所述微型液压升降机在未启用之前，顶部托盘距离装置顶端应大于200mm，保证土体沉陷过程中不会出现土体堆积停滞等现象。

本实施例的不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，包括装置框架、位置控制系统、土体沉陷控制系统、移动装置，具体来说如下。

为充分利用试验装置的空间，装置框架1设计三层管道滑动平台，三层管道滑动平台相距300mm，宽度为400mm，可保证埋地管道4在试验装置内具备足够的移动空间，能够实现土体沉陷区域与埋地管道相对位置最大化。

管道支架3安装在管道滑动平台中，被上端滑槽14和下端滑槽15限制自由度，通过轴承11的滑动作用，可沿着滑槽14、15实现左右水平滑动。管道支架3中间设有直径为140mm的圆环，套筒6可嵌入圆环中，套筒6具有多种型号，每种型号的外径都为140mm，内径接近埋地管道4的外径，便于埋地管道4的插入。以上操作完成后，可以实现埋地管道在管道滑动平台中滑动。管道支架3上部设有15个圆孔，间距为20mm，可作为尺寸孔13，上端滑槽中间位置设有圆孔19，卡锁5可通过圆孔19，插入尺寸孔13中，实现固定埋地管道，并较精准地确定埋地管道的位置，避免肉眼定位管道的弊端，缩小误差，让实验结果更具说服力。

如何模拟土体自然沉陷也是本装置已解决的难点之一。为了更加真实模拟地下溶洞、土体液化、地震等因素造成土体沉陷，并考虑到沉陷区域与埋地管道4的相对距离最大化，装置框架1底部边缘两侧和中间设有矩形出土口，暂时使用挡土板12挡住出土口，用螺母7固定挡土板12。试验开始前，采用微型液压升降机托住挡土板12，拧开螺母7，操控微型液压升降机便可控制挡土板12下降的速率，装置框架1内的土体会随着挡土板12下降速率的不同而发生不同程度的沉陷。

考虑到装置的移动、微型液压升降机的安置空间、出土空间等问题，本发明采用支撑杆8和滑轮10搭配的滑动装置，支撑杆上端设有四个螺孔18，使用螺母7将支撑杆固定在装置框架上1上，支撑杆下端设有滑轮10，滑轮上方安装轮刹9，按下轮刹9，可固定滑轮10，间接固定试验装置。

将本发明应用于管土相互作用框架式模型试验的大致过程为：

第一部分、前期准备

1、针对研究需求，依据相似原理，拟定概化后的管土相似模型；以相似材料试验结果为标准，配制土体相似材料；

2、采购管道、应变片传感器、应变片等材料。

第二部分、装置的调节与固定

3、管道支架3安装在管道滑动平台中，套筒6嵌入管道支架3留置的圆环中；

4、将植入应变片的埋地管道4安装入相应型号的套筒6中，确定埋地管道4的位置后，用卡锁5插入圆孔19和尺寸孔13中，固定埋地管道4；

5、没有安装埋地管道4的管道滑动平台暂时安装长宽厚规格与管道支架相同的挡土板；

6、支撑杆8通过四个螺母7分别安装在装置框架1的四角，支撑杆8底部安装滑轮10和轮刹9，按下轮刹，固定试验装置。

7、三块挡土板12暂时全部安装，拧紧螺母7，固定挡土板12。

8、微型液压升降机置于装置框架1底端，细微控制微型液压升降机抬高托盘，托盘恰好接触挡土板底端，切勿扰动整个试验装置，同时保证托盘与挡土板12底端紧密贴合。

9、将配制好的土体分层(厚度50mm)填入试验装置中，每填入一层，使用标配的夯板轻微夯实土体，直到土体厚度满足试验要求。

第三部分、试验监测

10、埋地管道4内部植入的应变片连接应变片传感器，主要收集管道变形数据。

11、确定沉陷区域后，扭开相应位置挡土板12的螺母7，控制微型液压升降机以试验要求的速率下降，引起土体发生沉陷，从而引发管土相互作用。

12、出土可以转移回收再次利用，避免堆积阻碍土体沉陷，在转移过程中切勿触碰试验装置，以免扰动试验结果。

13、记录管道位置，收集应变片传感器数据，留作分析。

第四部分、试验结束

14、卸掉装置底部所剩下的两块挡土板12，方便清理装置框架1内的残余土体。

15、拆卸埋地管道4、套筒6、管道支架3，清洗装置的每个零部件，使用干燥抹布擦干，保持装置整洁。

16、将试验装置推到适宜环境存放，有条件的情况下，宜抹油防锈。

本发明的核心在于位置控制系统和土体沉陷控制系统的设置，使得埋地管道4与土体沉陷区域位于相对不同位置，除了研究不同埋深对管土相互作用的影响，也可以研究埋地管道4与土体沉陷区域相对位置对管土相互作用的影响，实现装置多功能化。因模拟土体不同沉陷速率具有较大难度，所需成本较高，故采用微型液压升降机，可达到试验要求。

Claims (4)

1.一种不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，其特征在于：包括装置框架、土体沉陷控制系统、移动装置；所述装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口，所述矩形开口位于装置框架左右两侧，每侧各有上下设置至少三个矩形开口，所述管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，所述滑槽位于矩形开口上下端，所述管道支架可滑动地位于滑槽内，所述套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；

所述土体沉陷控制系统包括挡土板和微型液压升降机，所述挡土板位于装置框架底部，挡土板固定在装置框架底端，所述微型液压升降机位于挡土板下端，与挡土板下端贴合接触，控制挡土板上下移动的速率；所述试验装置还包括位置控制系统，所述位置控制系统包括卡锁，所述管道支架上端设有等距圆孔，所述等距圆孔为控制位置的尺寸孔，所述卡锁可插入管道滑动平台上端滑槽中间留置的圆孔中，连接尺寸孔，起到固定管道支架和控制管道位置的作用。

2.如权利要求1所述的不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，其特征在于：所述管道支架下端与轴承相切，所述管道支架通过轴承与滑槽连接。

3.如权利要求1或2所述的不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括移动装置，所述移动装置包括滑轮支撑杆、轮刹和滑轮，固定板上设有四个圆孔，所述支撑杆被螺母固定在装置框架底端四个角端，所述滑轮位于滑轮支撑杆底部，所述轮刹位于支撑杆下端和滑轮的上端。

4.如权利要求3所述的不同埋深情况下的管土相互作用物理模型试验装置，其特征在于：所述装置框架上安装手推杆。