CN109613211B - 沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，包括模型箱主体、导向控制圆盘、模型管线、刚性连接杆、光滑滑轨、定位基座、电动机牵引装置、非轴向力传感器和位移传感器，模型箱主体内的土样采用落雨法制备，控制电动机牵引装置实现对砂土中预埋管线的多个定向牵引，通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃对试样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移场及速度场的发展情况。本发明具有操作简便、功能多样、测试精度高的优点。

Description

沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程物理实验模拟技术领域，尤其是涉及一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统。

背景技术

海洋石油工业一直以来占有十分重要的地位，而作为高效、安全的运输设备，海底管线有着广泛的应用。据不完全统计，管线输送的油气物资量占据全球运输总量的三分之二。由于波浪、海流、腐蚀等外界因素的存在，海底管线的安全及持续工作的稳定性受到不利影响，因此通常采用挖沟埋设的方式将其铺设于距离地面表层浅层范围内。

为使运输通畅快速，原油在运输时处于高温高压状态，海底管线的运营使用温度普遍超过一百摄氏度，而管线在工作时海底的温度仅有四摄氏度左右，大幅度的温度变化产生温度应力，热效应产生的温度应力会使管线相对土体产生运动，进而产生土体与管线间的相互作用力。

在能源产业持续发展的行业背景下，定量描叙地埋管线与周边土体发生相对运动时的管土相互作用，并探究沿不同方向发生相对运动的规律与异同，是土力学近海工程研究的重要内容，也是指导工程设计建设的客观需要。目前预埋管线与周围土体相互作用的研究仍是热门领域之一，但研究普遍针对管线朝某一方向运动，如沿管线径向竖直向上或水平移动，对管线的运动方向研究过于单一，对管土发生不同方向相对运动的相互作用认识极为有限，且土体中既埋管线沿各向运动的模型试验系统也几乎从未见到。

此外，传统的管土相互作用试验在研究管土相互作用时存在几个明显的问题，包括：模型试验系统不能很好地模拟平面应变条件，并且不能直观地观察管土发生相对移动时的土体变形（Trautmann等，1985），加载介质直接伸入土体当中，干扰土体正常运动，（Bransby MF等，2009），管土相互运动方向单一，研究情况过于局限，未有效减小管线与模型箱的摩擦（Byrne BW等，2013）。

以上是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种便于观察、试验精度高的沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，包括：

模型箱主体，包括前后面板、两侧板和底板，其前后面板采用透明有机玻璃；

导向控制圆盘，其安装于模型箱主体的背部，即安装于模型箱的后板；导向控制圆盘中间设有一狭长矩形孔，所述导向控制圆盘的周边均布设螺栓安装孔；

模型管线，其位于模型箱主体内，通过刚性连接杆与定位基座相连；

刚性连接杆，其两侧分别与模型管线和定位基座相连，中间连接非轴向传感器，并穿过导向控制圆盘的狭长矩形孔；

光滑滑轨，其安装在导向控制圆盘的后侧，位于狭长矩形孔两侧，并与狭长矩形孔的长边方向平行；滑轨的光滑度使其上的定位基座顺利滑动并传递荷载；

定位基座，其设置在光滑滑轨上，所述定位基座靠箱体内侧面中心设有螺纹圆孔以安装刚性连接杆；

电动机牵引装置，其安装在所述导向控制圆盘的后侧，位于所述光滑滑轨之间，牵引杆连接在定位基座的螺纹圆孔上，且牵引方向与光滑滑轨铺设方向平行；

非轴向力传感器，其安装在所述刚性连接杆的中部，安装轴向与刚性连接杆轴向方向相同，测量力的方向与管线牵引方向相同，测量牵引管线施加的荷载；

位移传感器，其安装在电动机牵引装置旁，一端固定在导向控制圆盘上，另一端与定位基座相连，测量牵引管线施加的位移；

所述模型箱主体内的土样采用落雨法制备，试样的相对密度通过落雨法下落高度控制，控制电动机牵引装置实现对砂土中预埋管线的多个定向牵引，通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃对试样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移场及速度场的发展情况。

所述模型管线的材料为硬质塑料，模型管线的两端粘有橡胶薄膜，并在薄膜处涂布润滑油，使模型管线与模型箱前后面板光滑接触。

所述模型管线靠近模型箱后面板一侧设有螺纹孔，以连接刚性连接杆。所述模型管线圆曲面侧设一圆柱孔，以便插入杠杆使模型管线与刚性连接杆紧密相接。

所述定位基座朝向电动机牵引装置侧设一螺纹圆孔以安装牵引杆，与电动机牵引装置相连。

本发明的优越功效在于：

1）实验模型箱采用扁平设计模拟平面应变条件，两侧及底部采用普通钢制材料，前后面板为有机玻璃面板，透过有机玻璃直接观察模型箱内管线土体相互作用位移情况，配合PIV图像监测处理系统，量化记录土体位移场及速度场的变化情况；

2）模型箱背部安装导向控制圆盘，导向控制圆盘中间设有一狭长矩形孔，起到管线牵引导向作用，狭长矩形孔上下两侧设置滑动轨道，轨道上安装一个定位基座，基座内侧面有螺纹孔，并通过刚性连接杆与箱体内部的管线连接。通过对定位基座进行位移加载，可在不额外扰动土体的情况下定向牵引模型管线；

3）在导向控制圆盘周边围绕圆心每隔15度设置一个螺栓安装孔，共设置24个，在安装时可选择使圆盘绕其圆心以15度为单位旋转，实质上是滑动轨道及狭长矩形孔实现旋转，形成沿不同方向牵引模型管线的效果；

4）狭长矩形孔的尺寸的选择使模型管线在运动过程中始终遮挡住狭长矩形孔，在利用孔洞实现定向牵引的同时，又保证不会有砂土从孔洞中漏出；

5） 模型管线两侧紧密粘贴橡胶薄膜，并在橡胶薄膜上涂抹润滑油，起到减小管线与模型箱的摩擦作用；

6） 实现在砂土埋置条件下沿着不同方向牵引管线的功能，同时保证没有外界条件对砂土产生额外干扰；

7） 通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，并可利用有机玻璃观测窗和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土体位移场和速度场的发展情况，具有操作简便、功能多样、测试精度高的优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的前视图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明轴侧图；

图中标号说明：

1－模型箱主体； 2－导向控制圆盘；

3－模型管线； 4－刚性连接杆；

5－光滑滑轨； 6－定位基座；

7－电动机牵引装置； 8－非轴向力传感器；

9－位移传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1示出了本发明实施例的前视图，图2示出了本发明实施例的后视图，图3示出了本发明实施例的俯视图，图4示出了本发明实施例的轴侧图。如图1-图4所示，本发明提供了一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，包括：

模型箱主体1，包括前后面板、两侧板和底板，其前后面板采用透明有机玻璃，便于观察实验过程中土体位移及速度场发展情况，左右两侧板及底板采用钢材，焊接连接成密闭整体；

导向控制圆盘2通过配套的24个螺孔及螺栓与模型箱主体1的后面板连接；所述导向控制圆盘2的材料为有机玻璃；导向控制圆盘2中间设有一狭长矩形孔；

模型管线3安置在模型箱主体1的内部，通过刚性连接杆4与定位基座6相连；所述模型管线3的材料为硬质塑料；

刚性连接杆4分为两段，其两侧分别与模型管线3和定位基座6相连，中间连接非轴向传感器8，并穿过导向控制圆盘2的狭长矩形孔，具有较大刚度，在承受荷载时基本不发生挠曲变形；

光滑滑轨5，其安装在导向控制圆盘2的后侧中部，位于狭长矩形孔的上下两侧，导轨方向与狭长矩形孔的长边方向平行；滑轨的光滑度使其上的定位基座6顺利滑动并传递荷载；

定位基座6，其设置在光滑滑轨5上，所述定位基座6靠箱体内侧面中心设有螺纹圆孔以安装刚性连接杆4；所述定位基座6朝向电动机牵引装置7侧设一螺纹圆孔以安装牵引杆，与电动机牵引装置7相连。

电动机牵引装置7，其安装在所述导向控制圆盘2的后侧，位于所述光滑滑轨5之间，牵引杆连接在定位基座6的螺纹圆孔上，且牵引方向与光滑滑轨5铺设方向平行；电动机牵引装置7要求体积小巧重量轻盈；

非轴向力传感器8，其安装在所述刚性连接杆4的中部，安装轴向与刚性连接杆4轴向方向相同，测量力的方向与管线牵引方向相同，测量牵引管线施加的荷载；

位移传感器9，其安装在电动机牵引装置7旁，一端固定在导向控制圆盘2上，另一端与定位基座6相连，测量牵引管线施加的位移。

所述模型管线的材料为硬质塑料，模型管线的两端粘有橡胶薄膜，并在薄膜处涂布润滑油，使模型管线与模型箱前后面板光滑接触。

所述模型管线靠近模型箱后面板一侧设有螺纹孔，以连接刚性连接杆。所述模型管线圆曲面侧设一圆柱孔，以便插入杠杆使模型管线与刚性连接杆紧密相接。

本发明实施例中，所述模型箱主体1的前后有机玻璃面板的壁厚均为20mm，模型箱主体1的两侧面板与底板厚度为10mm。模型箱的内部尺寸长1000mm，宽80mm，高750mm。导向控制圆盘2的直径为520mm，其上狭长矩形孔的尺寸为50mm*20mm，导向控制圆板配套螺栓长度为15mm；光滑滑轨5长度为100mm，定位基座6尺寸为110mm*110mm，模型管线3直径为90mm，刚性连接杆4的直径为20mm，长度为40mm。

本发明实验系统的工作过程：将导向控制圆盘2根据需求方向安装在模型箱主体1的后面板上，用导向控制圆盘2配套螺栓固定牢固，在模型管线3两侧面的橡胶薄膜上涂抹好润滑油，将模型管线3安装在模型箱主体1内部，把模型管线3与刚性连接杆4相连，再将非轴向力传感器8安装在刚性连接杆4上，此时光滑滑轨5与电动机牵引装置7均已安装在导向控制圆盘2后侧，将定位基座6安装在光滑滑轨5上，在内侧面通过刚性连接杆4与模型管线3相连接，在侧面与电动机牵引装置7的牵引杆相连接，位移传感器9安装在电动机牵引装置7旁，一端固定在导向控制圆盘2上，另一端与定位基座6相连。所述模型箱主体内的土样采用落雨法制备，试样的相对密度通过落雨法下落高度控制，控制电动机牵引装置7实现对砂土中预埋管线的定向牵引，通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃对试样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移场及速度场的发展情况。完成一组实验后，拆卸模型实验系统，在前述步骤基本相同的情况下，调整导向控制圆盘2的方向，实现砂土中预埋管线的各向牵引效果。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内之内。

Claims (3)

1.一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，其特征在于，包括：

模型箱主体，其前后面板采用透明有机玻璃；

导向控制圆盘，其安装于模型箱主体的背部，导向控制圆盘中间设有一狭长矩形孔，所述导向控制圆盘的周边均布设螺栓安装孔；

模型管线，其位于模型箱主体内，通过刚性连接杆与定位基座相连；

刚性连接杆，其两侧分别与模型管线和定位基座相连，中间连接非轴向传感器，并穿过导向控制圆盘的狭长矩形孔；

光滑滑轨，其安装在导向控制圆盘的后侧，位于狭长矩形孔两侧，并与狭长矩形孔的长边方向平行；

定位基座，其设置在光滑滑轨上，所述定位基座靠箱体内侧面中心设有螺纹圆孔以安装刚性连接杆；

电动机牵引装置，其安装在所述导向控制圆盘的后侧，位于所述光滑滑轨之间，牵引杆连接在定位基座的螺纹圆孔上，且牵引方向与光滑滑轨铺设方向平行；

非轴向力传感器，其安装在所述刚性连接杆的中部，安装轴向与刚性连接杆轴向方向相同，测量力的方向与管线牵引方向相同，测量牵引管线施加的荷载；

位移传感器，其安装在电动机牵引装置旁，一端固定在导向控制圆盘上，另一端与定位基座相连，测量牵引管线施加的位移；

所述模型箱主体内的土样采用落雨法制备，试样的相对密度通过落雨法下落高度控制，控制电动机牵引装置实现对砂土中预埋管线的多个定向牵引，通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃对试样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移场及速度场的发展情况。

2.根据权利要求1所述的沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，其特征在于：所述模型管线两端粘有橡胶薄膜，并在薄膜处涂布润滑油。

3.根据权利要求1所述的沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，其特征在于：所述定位基座朝向电动机牵引装置侧设一螺纹圆孔以安装牵引杆。

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