CN114993839A - 一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置及试验方法，包括试验模型箱、支撑台、试验土体、试验管道、管道两端卡锁紧固件、地层沉降及塌陷模拟装置以及试验监测系统；地层沉降及塌陷模拟装置包括箱体活动底板、千斤顶、弹簧式位移计；试验测试系统包括拉绳式位移计、应变片、土压力盒、数据采集仪。将试验模型箱搭建好并用千斤顶支撑好可活动钢底板；将试验土体全部装填至箱体内并压实；土体开挖，在预设埋深处敷设并固定贴好位移计及应变片的管道；土压力盒的安装与土体回填；通过千斤顶实现试验土体的沉降或塌陷操作，当管道和土体变形数据基本稳定时，保存数据。

Description

一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及地层沉降或塌陷对管道影响的管土相互作用试验领域，具体是一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，可用于分析地层沉降或塌陷对管土相互作用的影响。

背景技术

地下管线可以用来运输水、油、气，也可以应用在通信、供电及排水等方面，分别担负信息传递、能源输送、排涝减灾等功能，对工业生产、城镇生活具有重要的作用。我国地域辽阔、地形复杂，地下管线常需要穿越不同的地质区域，受地质条件的影响较大，难免受到地质灾害的威胁与危害，地质灾害一旦发生，管土相互作用十分显著，极易导致管道弯曲变形、甚至断裂，从而对社会、环境、财产及人身安全造成重大影响。

地层沉降与地层塌陷是引起地下管线变形破坏的两种常见的地质灾害，因此，掌握地层沉降与塌陷导致管线破坏的机理对研究地下管线的安全性及可靠性具有重要意义，试验分析法是研究管土相互作用的主要方法之一，已有的管线试验中，大多是模拟单一类型的地质灾害对管道的影响，比如沉降、塌陷、断层等，试验装置利用率较低，因而需要一种能够模拟不同地质灾害下的管线模拟试验装置。

发明内容

本发明旨在提供一种可以实现分析地层沉降和地层塌陷对管土相互作用影响的一体化试验装置和方法。该试验装置既可以用于研究地层沉降对管道变形受力的影响规律，又可以研究地层塌陷对管道的影响，节省试验时间和用地空间、节约试验成本、实用性强、性价比高、可靠性好、可控制性和可重复性强。

本发明采用的技术方案如下：

一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，包括试验模型箱、试验土体、试验管道、卡锁紧固件、千斤顶、弹簧式位移计和活动钢底板，所述试验模型箱内部填充有试验土体，所述试验模型箱侧壁固定连接有卡锁紧固件，所述试验管道穿过试验土体和试验模型箱延伸至试验模型箱外侧，所述试验管道两端通过卡锁紧固件与试验模型箱固定，所述试验模型箱下部固定连接有活动钢底板，所述活动钢底板位于试验模型箱底部中段，所述活动钢底板下端固定连接有用于带动活动钢底板移动的千斤顶，所述千斤顶关于活动钢底板的水平中心线对称分布，所述活动钢底板下端设置有用于监测土体沉降量的弹簧式位移计，所述弹簧式位移计位于活动钢底板底部中段。

进一步的，所述试验模型箱下端设置有用于支撑试验模型箱的支撑台，所述试验模型箱内部包括有用于观察内部情况的钢化玻璃板和用于支撑保护的钢侧板，所述试验模型箱前后两面采用钢化玻璃板，所述试验模型箱底面及左右两侧面采用钢侧板。

进一步的，所述试验模型箱的前后侧钢化玻璃板上设有用于测量土体敷设高度与监测土体位移的标记点。

进一步的，所述试验管道外侧固定连接有用于监测监测管道应变的应变片，所述试验土体内部设置有用于监测土体压力的土压力盒，所述土压力盒位于试验管道周围，所述试验模型箱内部固定连接有用于监测监测管道位移的拉绳式位移计，所述试验土体内部设置有用于观测土层沉降情况的白色滑石粉。

进一步的，所述应变片在试验管道外侧设置有多组，所述试验管道外侧外侧多组应变片沿着试验管道的轴线方向布置，每组包括三个，贴在管道上部、下部和一个侧部。

进一步的，所述拉绳式位移计在试验模型箱内侧壁分布有多组，所述试验模型箱外侧多个拉绳式位移计沿着试验管道的轴线方向布置。

进一步的，所述土压力盒在试验管道周围分布有多组，所述试验管道周围多组土压力盒沿着试验管道的轴线方向布置，每组包括三个，埋设在管道上、下、侧面的土体中。

进一步的，一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：按要求在试验管道上标注出应变片的布置位置，同时标注好试验管道的变形沉降的测点位置，贴上应变片后，调试静态电阻应变仪和程序，以检查线路是否畅通，应变片是否可以正常工作；

步骤2：在试验模型箱两端开孔，在开孔出安装卡锁紧固件，试验模型箱中间底板设置活动钢底板，活动钢底板下方布置千斤顶用于支撑活动钢底板与实现土体的下沉；

步骤3：在活动钢底板下布置弹簧式位移计以控制并监测土体下沉量，在试验管道标记好的变形沉降位置处安装拉绳位移传感器以监测试验管道在试验中的沉降情况，位移传感器安装好之后连接到数据采集仪，检查线路是否畅通；

步骤4：沉降试验时，在试验模型箱底部敷上一个柔性垫，在柔性垫的上方分层均匀敷设试验土体，塌陷试验不需要敷设柔性垫，直接在活动钢板上方分层均匀敷设试验土体，每层土体敷设好之后采用抹平铲抹平并拍打密实；

步骤5：将装填好的试验土体开挖至试验管道埋深处，将贴好应变片及位移计的试验管道安置于土体上方，同时安装在试验管道周围埋设土压力盒，随后进行沙土回填，静置、压实；

步骤6：通过降低千斤顶高度实现土体下沉，通过撤走千斤顶及活动底板实现土体塌陷，同时进行数据监测及采集，直到管道和土体变形基本稳定时，保存数据。

进一步的，所述应变片安装前进行管道除锈以增强管体表面和应变片的结合力，所述应变片牢固地粘贴在事先打磨好的管道表面处，且应变片做防水处理。

进一步的，所述步骤试验前计算每阶段千斤顶的下沉高度，并制备对应长度的支撑用垫块，及时对沉降阶段中千斤顶上的活动钢底板进行支撑。

本发明针对埋地管道，提供了一种可以分析地层沉降及地层塌陷对管土相互作用影响的一体化试验装置，并在此基础上给出试验方法，可以模拟在地层沉降或地层塌陷条件下管道的真实变形及受力情况，从而为管道的安全运行提供真实的数据和试验积累，与现有技术相比，其特点是：

①本发明利用可活动钢底板和千斤顶既可以模拟地层沉降的地质条件，又可以模拟地层塌陷的地质条件，从而得到管道在多种地质条件下的受力情况和变形情况，节省试验时间和用地空间、节约试验成本、实用性强、性价比高；

②采用透明钢化玻璃板并设置标记点，结合数据采集仪进行应力、应变及位移的数据记录，可以精确获得土体及管道的位移场、管道的受力场；

③本发明在试验模型箱两端设置卡锁紧固件，从而约束管道两端，符合埋地管道的特征，可以提高试验的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的管道横截面示意图。

其中：1、试验模型箱；2、试验土体；3、试验管道；4、卡锁紧固件；5、支撑台；6、千斤顶；7、弹簧式位移计；8、活动钢底板；9、应变片；10、钢化玻璃板；11、钢侧板；12、拉绳式位移计；13、土压力盒。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

目前，地层沉降与地层塌陷是引起地下管线变形破坏的两种常见的地质灾害，因此，掌握地层沉降与塌陷导致管线破坏的机理对研究地下管线的安全性及可靠性具有重要意义，试验分析法是研究管土相互作用的主要方法之一，已有的管线试验中，大多是模拟单一类型的地质灾害对管道的影响，比如沉降、塌陷、断层等，本发明针对其试验装置利用率较低的问题，设计了一种能够模拟不同地质灾害下的管线模拟试验装置。

参见图1，本实施例公开的用于分析地层沉降和地层塌陷对管土相互作用影响的一体化试验装置，包括试验模型箱1、试验土体2、贯穿试验箱体的试验管道3、管道两端卡锁紧固件4、支撑台5、地层沉降及塌陷模拟装置以及试验监测系统。

其中，试验模型箱1为一个矩形箱体结构，其置于支撑台5上，试验模型箱1内部装填试验土体2，试验模型箱1的左右两端开孔，试验管道3穿过试验土体2，并被设置在箱体两端的卡锁紧固件4固定，以实现约束试验管道3的目的，试验模型箱1由透明钢化玻璃板10、钢侧板11、活动钢底板8和支撑台5制成，试验模型箱1前后侧面采用透明钢化玻璃板10，左右侧面采用钢侧板11，底板中间位置镶嵌可活动钢底板8，可活动钢底板8可以相对于钢地板上下移动，试验模型箱1的两个侧面作为观测面采用透明钢化玻璃板10，由此可以观察发生地层沉降或塌陷时的管土变形情况；

进一步本实施例中的地层沉降及塌陷模拟装置包括箱体活动钢底板8、千斤顶6、弹簧式位移计7，箱体活动钢底板8镶嵌在箱体底板的中间，用于实现土体的沉降和塌陷，千斤顶6布置在箱体活动钢底板8下方两侧，每侧设置多个，用于支撑钢底板与实现土体的下沉，需要说明的是，千斤顶6需要控制装置统一控制其升降，弹簧式位移计7布置在活动钢底板8下方，以监测土体沉降量，且弹簧式位移计7包括多个，多个弹簧式位移计7分为多行多列分布在活动钢底板8下方；

进一步本实施例中的，试验监测系统包括拉绳式位移计12、应变片9、土压力盒13、数据采集仪、滑石粉，拉绳式位移计12安装在试验管道3标记好的变形沉降位置处以监测管道位移，如图1所示，拉绳式位移计12沿着试验管道3的轴线方向设置多个，应变片9包括多组，多组应变片9沿着试验管道3的轴线方向均匀设置，每组应变片9包括三个，三个应变片9沿试验管道3换向粘贴分别位于试验管道3上部、下部和一个侧部(具体参见图2)，以监测管道的三个方向上的应变，白色滑石粉撒在预设试验管道3埋深处的土层中，用以观测土层沉降情况，土压力盒13也包括多组，多组土压力盒13沿试验管道3轴线等间距布置，每组包括三个土压力盒13，分别安装在管道周围的上、下、其中一个侧面位置，以监测土体压力(具体参见图2)，从图2可以看出，土压力盒13在管道侧面的位置与应变片9在管道侧面的位置相对，数据采集仪通过导线与底板下方弹簧式位移计7、管道表面应变片9、拉绳式位移计12及土压力盒13相连以获取各项数据；

本实施例中，试验模型箱1的前后侧透明钢化玻璃板10上按一定间隔均匀进行标注，用来测量试验土体2的敷设高度与监测土体位移。

本实施例提供的用于上述分析地层沉降和地层塌陷对管土相互作用影响的一体化试验装置的试验方法，包括步骤如下：

①试验设备的准备及检验：试验前检查试验用到的装备及材料是否准备完全，并检验其完好性，保证监测设备等可以正常使用；

②管道应力应变测量位置标注以及应变片9安装：试验前，按要求在试验管道3上标注出应变片9的布置位置，一组环向贴三个应变片9，分别位于试验管道3上部、下部和侧部，同时标注好试验管道3的变形沉降的测点位置，在贴应变片9之前，需要用砂纸轻微打磨试验管道3接触面位置，打磨角为45°左右，以便增强试验管道3表面和应变片9的结合力，随后对打磨处擦拭，去除接触面的铁锈和脏污，把强力胶水涂在应变片9上后，粘贴在事先打磨好的试验管道3表面处，并按压应变片9至粘贴牢固，同样的方法把焊有导线的端子紧贴在应变片9的下侧，随后通过焊锡把应变片9的三个引脚线和端子连接，连接完毕之后用欧姆表对其测试，看线路是否通畅，应变片9是否可以正常工作，另外应变片9需要做防水处理以有效保护其完好性，用704硅胶涂在应变片9及端子上侧，为了减缓埋设过程中的冲击力，再用涂有环氧树脂的纱布缠绕在贴有应变片9的管段上，以免土体对其摩擦而破坏，最后用防水胶带把小段导线缠在试验管道3上，防止拉断导线；

③箱体的搭建：试验模型箱1两端开孔，用于试验管道3穿过，箱体两端设置卡锁紧固件4以约束试验管道3，试验模型箱1中间底板设置为多块可活动钢底板8，每块活动钢底板8下方布置两个千斤顶6用于支撑，试验开始前先把千斤顶6升高，试验过程中通过调节千斤顶6高度来实现土体的沉降，通过撤走千斤顶6及活动钢底板8实现土体的塌陷；

④位移测量及位移计的安装：在可活动钢底板8下布置位移计以控制并监测试验土体2的下沉量，在试验管道3标记好的5处变形沉降位置处安装拉绳式位移计12以监测试验管道3在试验中的沉降情况，拉绳式位移计12安装好之后连接到数据采集仪，检查线路是否畅通；

⑤土体的装填与土压力盒13的安装：沉降试验时装填试验土体2之前先在试验模型箱1底部敷上一个柔性垫，在柔性垫的上方分层均匀敷设土体，塌陷试验不需要敷设柔性垫，直接在活动钢板上方分层均匀敷设土体，土体采用分层敷设的方法，按箱体钢化玻璃板10上标注好的标记来测量每层土体的敷设高度，土壤要求均匀敷设，每层土敷设好之后采用抹平铲抹平并拍打密实，之后撒上白色滑石粉，用以观测土壤在沉降过程中的变形情况，土压力盒13埋设于土压力变化的部位即压力曲线变化处，用于监测界面土压力，土压力盒13在试验管道3周围沿试验管道3等间距布置，每处分别在管周上、下、中部位置各安装一个土压力盒13，土压力盒13水平埋设间距原则上为盒体间距的3倍以上，垂直间距与水平间距同土压力盒13的受压面须面对欲测量的土体，埋设时承受土压力盒13的土面须严格整平，回填的土料应与周围土料相同(去除石料)，小心用人工分层夯实，试验土体2全部敷设好之后，表层用抹平铲修整，用水平尺进行检验保证土体水平，用环刀取土，共取六组土样备用，测量试验土体2的性质参数；

⑥敷设管道：将装填好的试验土体2开挖至试验管道3埋深处，将贴好应变片9及拉绳式位移计12的试验管道3安置于试验土体2上方，同时安装土压力盒13，随后进行回填、表面平整、静置压实，方法同⑤；

⑦试验土体2沉降或塌陷操作：通过降低千斤顶6高度实现试验土体2的下沉，通过撤走千斤顶6及活动钢底板8实现土体塌陷，试验前对活动钢底板8下的千斤顶6进行编号，然后根据试验要求操作每个千斤顶6在各沉降阶段中的下降值，试验土体2沉降时，缓慢打开沉降区活动钢底板8下面的千斤顶6的回油阀，千斤顶6在上覆试验土体2重力作用下开始下沉，当弹簧式位移计7监测值达到规定值时拧紧回油阀，试验土体2停止沉降，试验过程中，使用数据采集仪监测记录底板下方弹簧式位移计7数据，试验管道3沉降数据，试验管道3受力变化数据，待每一阶段数据稳定后，通过钢化玻璃板10观测土层中滑石粉的变化，记录土层沉降数据，并将上述数据分类保存。

以上仅为本发明的较佳可行实施方式，并不用以局限本发明，本发明还可以有其它实施方式。凡运用本发明说明书内容所作的等同替换、等效变换和润饰改进，均包含于本发明专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，包括试验模型箱(1)、试验土体(2)、试验管道(3)、卡锁紧固件(4)、千斤顶(6)、弹簧式位移计(7)和活动钢底板(8)，其特征在于：所述试验模型箱(1)内部填充有试验土体(2)，所述试验模型箱(1)侧壁固定连接有卡锁紧固件(4)，所述试验管道(3)穿过试验土体(2)和试验模型箱(1)延伸至试验模型箱(1)外侧，所述试验管道(3)两端通过卡锁紧固件(4)与试验模型箱(1)固定，所述试验模型箱(1)下部固定连接有活动钢底板(8)，所述活动钢底板(8)位于试验模型箱(1)底部中段，所述活动钢底板(8)下端固定连接有用于带动活动钢底板(8)移动的千斤顶(6)，所述千斤顶(6)关于活动钢底板(8)的水平中心线对称分布，所述活动钢底板(8)下端设置有用于监测土体沉降量的弹簧式位移计(7)，所述弹簧式位移计(7)位于活动钢底板(8)底部中段。

2.如权利要求1所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述试验模型箱(1)下端设置有用于支撑试验模型箱(1)的支撑台(5)，所述试验模型箱(1)内部包括有用于观察内部情况的钢化玻璃板(10)和用于支撑保护的钢侧板(11)，所述试验模型箱(1)前后两面采用钢化玻璃板(10)，所述试验模型箱(1)底面及左右两侧面采用钢侧板(11)。

3.如权利要求2所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述试验模型箱(1)的前后侧钢化玻璃板(10)上设有用于测量土体敷设高度与监测土体位移的标记点。

4.如权利要求1所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述试验管道(3)外侧固定连接有用于监测监测管道应变的应变片(9)，所述试验土体(2)内部设置有用于监测土体压力的土压力盒(13)，所述土压力盒(13)位于试验管道(3)周围，所述试验模型箱(1)内部固定连接有用于监测监测管道位移的拉绳式位移计(12)，所述试验土体(2)内部设置有用于观测土层沉降情况的白色滑石粉。

5.如权利要求4所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述应变片(9)在试验管道(3)外侧设置有多组，所述试验管道(3)外侧外侧多组应变片(9)沿着试验管道的轴线方向布置，每组包括三个，贴在管道上部、下部和一个侧部。

6.如权利要求4所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述拉绳式位移计(12)在试验模型箱(1)内侧壁分布有多组，所述试验模型箱(1)外侧多个拉绳式位移计(12)沿着试验管道(3)的轴线方向布置。

7.如权利要求4所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置，其特征在于：所述土压力盒(13)在试验管道(3)周围分布有多组，所述试验管道(3)周围多组土压力盒(13)沿着试验管道(3)的轴线方向布置，每组包括三个，埋设在管道上、下、侧面的土体中。

8.一种如权利要求1-7任一所述的沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：按要求在试验管道(3)上标注出应变片(9)的布置位置，同时标注好试验管道(3)的变形沉降的测点位置，贴上应变片(9)后，调试静态电阻应变仪和程序，以检查线路是否畅通，应变片是否可以正常工作；

步骤2：在试验模型箱(1)两端开孔，在开孔出安装卡锁紧固件(4)，试验模型箱(1)中间底板设置活动钢底板(8)，活动钢底板(8)下方布置千斤顶(6)用于支撑活动钢底板(8)与实现土体的下沉；

步骤3：在活动钢底板(8)下布置弹簧式位移计(7)以控制并监测土体下沉量，在试验管道(3)标记好的变形沉降位置处安装拉绳位移传感器以监测试验管道在试验中的沉降情况，位移传感器安装好之后连接到数据采集仪，检查线路是否畅通；

步骤4：沉降试验时，在试验模型箱(1)底部敷上一个柔性垫，在柔性垫的上方分层均匀敷设试验土体(2)，塌陷试验不需要敷设柔性垫，直接在活动钢板上方分层均匀敷设试验土体(2)，每层土体敷设好之后采用抹平铲抹平并拍打密实；

步骤：将装填好的试验土体(2)开挖至试验管道(3)埋深处，将贴好应变片(9)及位移计的试验管道(3)安置于土体上方，同时安装在试验管道周围埋设土压力盒(13)，随后进行沙土回填，静置、压实；

步骤6：通过降低千斤(6)顶高度实现土体下沉，通过撤走千斤顶(6)及活动底板实现土体塌陷，同时进行数据监测及采集，直到管道和土体变形基本稳定时，保存数据。

9.如权利要求8所述的一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置的试验方法，其特征在于：所述应变片(9)安装前进行管道除锈以增强管体表面和应变片的结合力，所述应变片(9)牢固地粘贴在事先打磨好的管道表面处，且应变片(9)做防水处理。

10.如权利要求8所述一种沉降塌陷一体化的管土相互作用试验装置的试验方法，其特征在于：所述步骤4试验前计算每阶段千斤顶(6)的下沉高度，并制备对应长度的支撑用垫块，及时对沉降阶段中千斤顶(6)上的活动钢底板(8)进行支撑。

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