CN109752255A - 一种交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，包括箱体，箱体内设置有试验管道，箱体内部试验管道周围由土体填充，试验管道两端连接有变径板，变径板通过变径板螺栓固定在箱体上，箱体上连接有反力架，反力架上设置有至少一个作动器，作动器与液压系统连接，试验管道上布置有传感器系统，箱体侧面上设有导线集成出口，传感器系统与导线束连接，导线束从导线集成出口穿出，箱体内的土体中埋有注浆口，注浆口位于箱体的上表面处，注浆口通过注浆管连接微型高聚物注浆系统。试验时可自行平衡稳定，无需借助地锚、大型荷载架、反力墙等装置，大大精简了试验所需设备，节省试验资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种交通荷载作用下的管道力学试验装置，具体涉及交通荷载作用下埋地管道力学响应试验模拟研究的实验装置。
背景技术
城市地下管网是现代城市不可或缺的基础设施，随着城市的不断发展，其建设规模不断扩大，截至2016年，我国大中城市各类管道总长度已经超过223.88万公里，然而，随着各类管道使用寿命的增加，管道系统恶化，脱空、泄漏等病害诱发的路面塌陷事故频繁发生。因此，揭示正常管道和有缺陷管道在外荷载作用下的受力机理和致灾形式，针对管道缺陷探索经济有效的修复技术是目前亟待解决的问题之一，交通荷载作为市政管网上方最主要和作用最频繁的荷载，是造成管网病害的主因之一，然而，国内外学者围绕交通荷载作用下埋地管道力学响应的研究却并不突出，现有文献更偏重于利用数值仿真的手段对交通荷载作用下埋地管道力学响应进行研究，且大多将交通荷载简化为简单的均布荷载，不可否认，在试验设备难以满足条件的情况下，数值模拟可在一定程度上做出定性分析，但该方法忽略了交通荷载本身的随机性，且对离散方程、土体及管道材料本构、管土界面接触等做了大量假设，其模拟结果的可靠性需要现场试验的验证和修正。因此，现场试验是研究交通荷载作用下管道力学响应必不可少的一环。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种本发明一种交通荷载作用下的管道力学试验装置，其应用于交通荷载作用下埋地管道脱空高聚物修复前后力学响应试验，以适应交通荷载作用下正常、脱空和高聚物修复管道力学响应试验模拟的研究。
本发明的技术方案具体为：
一种交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，包括箱体，箱体内设置有试验管道，箱体内部试验管道周围由土体填充，试验管道两端连接有变径板，变径板通过变径板螺栓固定在箱体上，箱体上连接有反力架，反力架上设置有至少一个作动器，作动器与液压系统连接，试验管道上布置有传感器系统，箱体侧面上设有导线集成出口，传感器系统与导线束连接，导线束从导线集成出口穿出，箱体内的土体中埋有注浆口，注浆口位于箱体的上表面处，注浆口通过注浆管连接微型高聚物注浆系统。
所述箱体的两侧沿上开设有反力架卡槽，反力架上固定有反力架移动轮，反力架移动轮配合在反力架卡槽中，反力架移动轮通过反力架螺栓固定在箱体上。
所述反力架上开设有作动器卡槽，作动器上固定有作动器移动轮，作动器移动轮配合在作动器卡槽中，作动器移动轮通过作动器螺栓固定在反力架上，作动器下方设置有荷载加载盘，荷载加载盘为圆盘状。
所述箱体下底板沿长度方向设有两排箱体移动轮和卡扣，箱体移动轮通过卡扣锁定在箱体两侧，箱体上方四个角处设置有吊环。
所述变径板由直径大小不同的圆环组成，箱体的两侧面上开设有圆孔，试验管道的端部穿过圆孔后与变径板的圆环配合。
所述箱体中部设置有抽屉式脱空箱，抽屉式脱空箱贯穿箱体并嵌在箱体上，抽屉式脱空箱位于试验管道下方。
所述微型高聚物注浆系统包括进气主气管、气动泵、料筒、控制台、加热保温料管和高压发泡枪，进气主气管通过气管与气动泵连通，气动泵设置有料筒上，料筒通过输料管连通加热保温料管，输料管与加热保温料管之间设置有控制台，加热保温料管的末端连接高压发泡枪，高压发泡枪通过注浆管与注浆口连通。
所述传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、力传感器、点式光纤、分布式光纤及调制解调器，薄膜土压力计、应变片、点式光纤和分布式光纤均与导线束连接，导线束从导线集成出口穿出后连接调制解调器，薄膜土压力计等间距设置在试验管道外表面，应变片点阵列分布在试验管道外表面上，点式光纤沿环向螺旋缠绕在试验管道外表面，分布式光纤沿纵向平行分布在试验管道的外表面上，力传感器设置在作动器与荷载加载盘之间，力传感器与调制解调器连接。
所述箱体中试验管道为至少两根拼接在一起的管道，沿着管道间的承接口环向布置有应变片和点式光纤。
所述试验管道为素混凝土管、钢筋混凝土管、PCCP管、HDPE管、PE管、PVC管、球磨铸铁管和钢管中的一种。
相对于现有技术，本发明的装置本身配有可移动式反力架，作动器安装在反力架上，试验时可自行平衡稳定，无需借助地锚、大型荷载架、反力墙等装置，大大精简了试验所需设备，节省试验资源。利用本发明可以研究管径、土质、管材、脱空、高聚物修复、荷载作用位置、偏心荷载等因素对管道力学响应的影响，试验管道上布置的传感器系统可以获取试验管道周围土压力分布、管道轴向和环向应变、管道横截面径缩、管道轴向沉降、脱空处管节剪切位移和相对转角等数据，可为交通荷载作用下正常和脱空埋地管道受力机理研究和高聚物修复管底脱空效果评价提供可靠的参考依据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为图1的主视结构示意图。
图3为图1的俯视结构示意图。
图4为图1的左视结构示意图。
图5为本发明中试验管道与变径板的连接结构示意图。
图6为本发明中抽屉式脱空箱的结构示意图。
图7为本发明中微型高聚物注浆系统的结构示意图。
图中：1箱体、2反力架、3作动器、4吊环、5作动器移动轮、6试验管道、7变径板、8荷载加载盘、9导线集成出口、10导线束、11抽屉式脱空箱、12变径板螺栓、13作动器螺栓、14卡扣、15箱体移动轮、16反力架移动轮、17作动器卡槽、18反力架螺栓、19注浆口、20反力架卡槽、21液压系统、22调制解调器、23输料管、24进气主气管、25气动泵、26料筒、27控制台、28加热保温料管、29高压发泡枪。
具体实施方式
如图1-4中所示，一种交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，包括箱体1，箱体1内设置有试验管道6，箱体1内部试验管道6周围由土体填充，试验管道6两端连接有变径板7，变径板7通过变径板螺栓12固定在箱体1上，箱体1上连接有反力架2，反力架2上设置有至少两个作动器3，作动器3与液压系统21连接，试验管道6上布置有传感器系统，箱体1侧面上设有导线集成出口9，传感器系统与导线束10连接，导线束10从导线集成出口9穿出，箱体1内的土体中埋有注浆口19，注浆口19位于箱体1的上表面处，注浆口19通过注浆管连接微型高聚物注浆系统。
箱体1的两侧沿上开设有反力架卡槽20，反力架2上固定有反力架移动轮16，反力架移动轮16配合在反力架卡槽20中，反力架移动轮16通过反力架螺栓18固定在箱体1上，通过调节反力架螺栓18使反力架移动轮16沿着反力架卡槽20往复运动，使反力架不在试验管道的正上方，实现对试验管道施加不同程度的偏心荷载，本发明将移动式的反力架2和箱体1组合在一起，无需地锚，反力墙等其他设备，可实现装置的自动平衡。
反力架2上开设有作动器卡槽17，作动器3上固定有作动器移动轮5，作动器移动轮5配合在作动器卡槽17中，作动器移动轮5通过作动器螺栓13固定在反力架2上，作动器设置有至少一个，通过调节作动器螺栓，能够改变作动器在反力架上的位置，实现不同作用位置力的加载，作动器3下方设置有荷载加载盘8，荷载加载盘8为圆盘状，作动器3与液压系统21连接，通过液压系统21能够控制一个或一排作动器3实现任意单个位置的加载和移动荷载的加载，液压系统21可提供多种类型的交通荷载，包括静载、正弦波、三角波、方波、梯形波、脉冲荷载，通过荷载加载盘8传递到土体表面。
荷载加载盘8形状为圆形，半径为30cm，作动器3用于对试验管道上方的荷载加载盘进行竖向力的加载，本发明的传力装置由液压系统21提供，通过连接作动器3，将荷载通过荷载加载盘8传递到土体表面，进而传递到试验管道上。
箱体1下底板沿长度方向设有两排箱轮15和卡扣14，箱体移动轮15通过卡扣14锁定在箱体1两侧，通过卡扣方便试验期间对装置所处位置进行微调，箱体1上方四个角处设置有吊环4，方便试验装置的运移，箱体上部直角转折处做了加强，避免箱体1因强度不足而破坏。
如图5中所示，变径板7由直径大小不同的圆环组成，箱体1的两侧面上开设有圆孔，试验管道6的端部穿过圆孔后与变径板7的圆环配合，通过变径板7能够变换不同直径、不同管材的试验管道，可实现对不同管径的试验，使装置利用率最大化，研究交通荷载作用下管径和管材对管道力学特性的影响。
箱体1中部设置有抽屉式脱空箱11，抽屉式脱空箱11贯穿箱体1并嵌在箱体1上，抽屉式脱空箱11像抽屉一样嵌在箱体中，抽屉式脱空箱11位于试验管道6下方，通过千斤顶顶出抽屉式脱空箱11，土体下陷，使得试验管道下方出现空腔，通过不同长度和高度的抽屉式脱空箱11能够模拟不同长度和深度的管底脱空，对抽屉式脱空箱11的端部做了加强处理，以满足千斤顶顶推时箱体不发生变形。
如图7中所示，微型高聚物注浆系统包括进气主气管24、气动泵25、料筒26、控制台27、加热保温料管28和高压发泡枪29，进气主气管24通过气管与气动泵25连通，气动泵25设置有料筒26上，料筒26通过输料管23连通加热保温料管28，输料管23与加热保温料管28之间设置有控制台27，加热保温料管28的末端连接高压发泡枪29，高压发泡枪29通过注浆管与注浆口19连通，料筒中的高聚物浆液经输料管23输送至加热保温料管28，加热完毕经高压发泡枪29注射进注浆管，注浆管与注浆口19连接，高聚物浆液通过注浆口注入到箱体中，对土体的脱空区域进行修复，可模拟高聚物修复脱空后的管道。
传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、力传感器、点式光纤、分布式光纤及调制解调器22，薄膜土压力计、应变片、点式光纤和分布式光纤均设置在试验管道6外表面，将布设在管道外表面的各类传感器导线与导线束10连接，导线束10从导线集成出口9穿出后连接调制解调器22进行数据的采集和分析，薄膜土压力计按一定间距布置在试验管道6的管顶、管底和管侧，可以监测交通荷载施加期间管土界面土压力分布情况，用于研究管周土压力分布规律，应变片点阵列分布在试验管道6外表面上，点式光纤与分布式光纤均为带状结构，点式光纤沿环向螺旋缠绕在试验管道6外表面，箱体中试验管道为至少两根拼接在一起，应变片和点式光纤沿环向布置在试验管道6的承插口处，分布式光纤沿纵向平行分布在试验管道6的外表面上，优选的，分布式光纤的长度与试验管道的长度一致，沿着试验管道6的外表面布置一根根的分布式光纤，试验管道外表面沿纵向布置的分布式光纤和沿承插口环向布置的点式光纤可用于测量交通荷载施加期间管身受力和变形分布规律及承插口环向应变分布规律，力传感器设置在作动器3与荷载加载盘8之间，力传感器与调制解调器22连接。
试验管道6为素混凝土管、钢筋混凝土管、PCCP管、HDPE管、PE管、PVC管、球磨铸铁管和钢管中的一种，管径可变化。
本发明的使用过程如下，在箱体1内分层填筑试验土体，并按规定夯实至指定高度，当填筑接近试验管道底所在平面时，应根据不同管材埋设规范有针对性的铺设垫层，垫层铺设完毕后继续填筑至管顶一定高度，试验管道两侧和管顶一定高度范围内按规定压实度分层压实。在填筑过程中对粘贴在试验管道2外表面的各类传感器和导线要做好保护工作，将所有导线按类别、工况编号，集成，最后通过导线集成出口9引出，试验管道层铺设完毕后继续后续土体的填筑压实，直至最后一层，继而利用作动器3通过荷载加载盘8施加荷载，传感器系统对数据进行同步采集，模拟管底脱空时，可利用千斤顶顶出不同长度和高度的抽屉式脱空箱11，以研究不同脱空长度和深度对管道力学响应的影响。利用铁锹等工具将脱空部位掉落的土清理干净，待土体掉落稳定后，将抽屉式脱空箱重新安装，微型高聚物注浆系统通过注浆管与注浆口向箱体1中注入高聚物浆液对脱空区域进行修复，最后分析正常和脱空管道受交通荷载作用下的力学响应，并对比正常、脱空和高聚物修复管道，对高聚物修复效果做出评价。
本发明能够通过更换填土类型、改变压实度、调节变径板、顶推不同长度抽屉式脱空箱、滚动反力架和作动器、改变填土高度、改变含水率的方式考量土质、压实度、管径、脱空长度、交通荷载作用位置、埋深、含水量对埋地管道力学响应的影响，为交通荷载作用下正常和脱空埋地管道受力机理研究和高聚物修复管底脱空效果评价提供可靠的数据依据。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：包括箱体（1），箱体（1）内设置有试验管道（6），箱体（1）内部试验管道（6）周围由土体填充，试验管道（6）两端连接有变径板（7），变径板（7）通过变径板螺栓（12）固定在箱体（1）上，箱体（1）上连接有反力架（2），反力架（2）上设置有至少一个作动器（3），作动器（3）与液压系统（21）连接，试验管道（6）上布置有传感器系统，箱体（1）侧面上设有导线集成出口（9），传感器系统与导线束（10）连接，导线束（10）从导线集成出口（9）穿出，箱体（1）内的土体中埋有注浆口（19），注浆口（19）位于箱体（1）的上表面处，注浆口（19）通过注浆管连接微型高聚物注浆系统。
2.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述箱体（1）的两侧沿上开设有反力架卡槽（20），反力架（2）上固定有反力架移动轮（16），反力架移动轮（16）配合在反力架卡槽（20）中，反力架移动轮（16）通过反力架螺栓（18）固定在箱体（1）上。
3.如权利要求1或2所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述反力架（2）上开设有作动器卡槽（17），作动器（3）上固定有作动器移动轮（5），作动器移动轮（5）配合在作动器卡槽（17）中，作动器移动轮（5）通过作动器螺栓（13）固定在反力架（2）上，作动器（3）下方设置有荷载加载盘（8），荷载加载盘（8）为圆盘状。
4.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述箱体（1）下底板沿长度方向设有两排箱体移动轮（15）和卡扣（14），箱体移动轮（15）通过卡扣（14）锁定在箱体（1）两侧，箱体（1）上方四个角处设置有吊环（4）。
5.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述变径板（7）由直径大小不同的圆环组成，箱体（1）的两侧面上开设有圆孔，试验管道（6）的端部穿过圆孔后与变径板（7）的圆环配合。
6.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述箱体（1）中部设置有抽屉式脱空箱（11），抽屉式脱空箱（11）贯穿箱体（1）并嵌在箱体（1）上，抽屉式脱空箱（11）位于试验管道（6）下方。
7.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述微型高聚物注浆系统包括进气主气管（24）、气动泵（25）、料筒（26）、控制台（27）、加热保温料管（28）和高压发泡枪（29），进气主气管（24）通过气管与气动泵（25）连通，气动泵（25）设置有料筒（26）上，料筒（26）通过输料管（23）连通加热保温料管（28），输料管（23）与加热保温料管（28）之间设置有控制台（27），加热保温料管（28）的末端连接高压发泡枪（29），高压发泡枪（29）通过注浆管与注浆口（19）连通。
8.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述传感器系统包括薄膜土压力计、应变片、力传感器、点式光纤、分布式光纤及调制解调器（22），薄膜土压力计、应变片、点式光纤和分布式光纤均与导线束（10）连接，导线束（10）从导线集成出口（9）穿出后连接调制解调器（22），薄膜土压力计等间距设置在试验管道（6）外表面，应变片点阵列分布在试验管道（6）外表面上，点式光纤沿环向螺旋缠绕在试验管道（6）外表面，分布式光纤沿纵向平行分布在试验管道（6）的外表面上，力传感器设置在作动器（3）与荷载加载盘（8）之间，力传感器与调制解调器（22）连接。
9.如权利要求8所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述箱体中试验管道为至少两根拼接在一起的管道，沿着管道间的承接口环向布置有应变片和点式光纤。
10.如权利要求1所述的交通荷载作用下埋地管道力学响应试验装置，其特征在于：所述试验管道（6）为素混凝土管、钢筋混凝土管、PCCP管、HDPE管、PE管、PVC管、球磨铸铁管和钢管中的一种。
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