CN115032367B - 一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于埋地管道灾病监测与管道安全评估领域,提出一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,包括土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测。本发明通过规范化进行土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测,可以提高本发明中的试验与模拟的可重复性,提高本发明试验方法的模拟结果的稳定性和可靠性,进而有利于预测出比较稳定的实际塌陷灾害情况。本发明设计合理、可重复性较好、模拟可靠性较高且适用性较强,适合大规模推广广。
Description
技术领域
本发明属于埋地管道灾病监测与管道安全评估领域,尤其涉及一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法。
背景技术
埋地管道则主要用于输送水、油、气等重要民生与战略资源,是为城市机体输送养料的“血管”。埋地管道一旦发生破损,将直接威胁城市的正常运行,产生严重的生命财产损失和资源浪费。根据现有研究和长期广泛的实践应用,地壳运动、地下水流等因素引起的沉降、塌陷是导致埋地管道破坏的重要原因。
目前,国内外埋地管道塌陷灾害模拟方法主要存在以下三种不足:首先,塌陷区域与塌陷体的形状的相关性太高,导致不同研究的土体沉降特征不同,其研究结果不具备普遍性;其次,塌陷体的收缩与土体沉降行为在物理表现上缺乏一致性,导致无法认为塌陷体的收缩体积等于土体的沉降量;最后,管道的底部与土体的脱空区域缺少有效的监测手段,导致对管道在土压力作用下的变形特征分析缺乏有效依据。
发明内容
本发明针对上述的埋地管道塌陷灾害模拟方法所存在的技术问题,提出一种设计合理、可重复性较好、模拟可靠性较高且适用性较强的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案为,本发明提供的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,包括土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测。
作为优选,所述土地塌陷试验准备包括以下步骤:
1.1、气囊的选取和布置,选择直径为20cm、长度为40cm、最大内压为0.04MPa的气囊;根据预设的塌陷区域长度选择适当数量的气囊排列布置在管道下方且与管道共同设置在一个土箱中;
1.2、土体回填,先向气囊底部附近填充土体实现对气囊的定位,再继续填充直到土体与管顶平齐;
1.3、传感器的布置,在土箱内部固定带有斜度的刚块,在钢块上固定光纤光栅传感器的导线,将光纤光栅传感器悬挂在气囊上部,光纤光栅传感器的信号端连接有位于图像外部的读数器,最后用土体填实;
1.4、埋地管道的端部处理,即用柔性材料对管道两端进行封口;
1.5、土体填实与平整,当土体填埋至管道顶部高度时,对土体表面进行夯实,夯实后进行平整处理;再填埋至预设埋深,并将土体表面刮平,用水准尺校正土体表面平整度。
作为优选,所述塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟包括以下步骤:
2.1、气囊中气体释放,打开中间气囊的排气阀门并由土体压力催动气囊内部的气体排出,然后再同时释放两侧气囊的气体,临近塌陷区域的土体变形甚至脱落,直到土体停止沉降;
2.2、气体释放量计量,将气囊的排气阀门关闭,并开挖取出气囊,将排气阀门连接的排气管插入倒扣在水槽中的量筒里,人为排出剩余气体,通过从量筒上读出剩余气体的体积,得出气囊在埋设时的释放量;
2.3、土体塌陷与管道变形参数的采集,使用FBG采集土体塌陷量,建立FBG应变和土体塌陷导致的FBG传感器曲率变化关系。
作为优选,所述气囊的轴向长度大于管道直径的2倍。
作为优选,所述气囊中设置有多个轴向长度不同的胶皮隔膜,多个所述胶皮隔膜沿气囊长度方向分布并将气囊分为几个相通的气室。
作为优选,所述胶皮隔膜为环形结构且其断面为外翻的弧形面。
作为优选,步骤1.4中的柔性材料为胶带。
作为优选,所述管道底部与土体的脱空区域的准备与监测包括:
3.1、在步骤1.1中预先在管道底部底粘贴内窥镜和计量块,计量块作为参照物分布在内窥镜的视野可见侧;
3.2、在步骤2.2中气囊气体在大气压和土压力的共同作用下排放的同时,管道下部的土体中形成塌陷区域,该塌陷区域的变化信息由内窥镜采集,内窥镜的图像采集信息反馈给与其电性连接的电脑终端,电脑终端形成数据化的塌陷模型。
作为优选,所述试验分析与预测包括统计与整理步骤2.2、2.3和3.2的数据、数表和图像,根据数据、数表和图像分析土箱管道下部土体塌陷灾害的物理特点并预测实际埋地管道下部土体塌陷灾害特点。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果在于:
1、本发明提供的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,通过规范化进行土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测,可以提高本发明中的试验与模拟的可重复性,提高本发明试验方法模拟结果的稳定性和可靠性,进而有利于预测出比较稳定的实际塌陷灾害情况。本发明设计合理、可重复性较好、模拟可靠性较高且适用性较强,适合大规模推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的土地塌陷试验准备中气囊、土体、管道、光纤光栅传感器和导线的工作图;
图2为实施例提供的气囊与胶皮隔膜在充气状态下与光纤光栅传感器的结构示意图;
图3为实施例提供的气囊与胶皮隔膜在放气状态下以及气体释放量计算时的工作图;
图4为实施例提供的管道底部与土体的脱空区域的准备与监测中内窥镜、计量块和电脑终端的工作图;
以上各图中,1、土箱;2、管道;3、气囊;31、胶皮隔膜;4、量筒;
5、水槽;6、计量块;7、内窥镜;8、电脑终端;9、光纤光栅传感器;
10、导线;11、土体。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便,下文如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例,如图1、图2、图3和图4所示,本发明提供的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,包括土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测。
具体地,所述土地塌陷模拟包括以下步骤:
1.1、气囊的选取和布置,选择直径为20cm、长度为40cm、最大内压为0.04MPa的气囊3;根据预设的塌陷区域长度选择适当数量的气囊3排列布置在管道3下方且与管道3共同设置在一个土箱1中。气囊3的长度方向与图像的长度方向平行,该气囊3可以满足在40kPa土压力工况下保持其初始形状不变的要求,基本满足试验室覆土高度的需求,同时造成10-20cm的悬空量,在气囊3的排气口开启后,气囊3可以在收缩的过程中保证比较规律的形变,即压扁收缩过程,如图3所示。具体压扁收缩引起的塌陷区域形状要根据实际气囊3特点进行单独测量以标定初始塌陷数据,而适当数量的气囊3有利于模拟出理想的塌陷区域,这样可以降低管径对塌陷行为的影响,同时也便于实现对管道变型的研究;
关于土箱1,土箱1侧壁贴PVC光滑材料层,并涂抹润滑剂,忽略侧壁摩阻力的影响;而且也使用刚度足够大的土箱1,忽略箱壁变形对试验结果的影响;
1.2、土体回填,先向气囊3底部附近填充土体实现对气囊3的定位,防止土体11填埋过程中气囊3偏离预设位置,再继续填充直到土体11与管顶平齐;
1.3、传感器的布置,在土箱1内部两侧壁固定一对带有斜度的刚块,该斜度满足光纤光栅传感器9布置的曲线路径要求,光纤光栅传感器9的信号端连接有位于图像外部的读数器,然后在钢块上固定光纤光栅传感器的导线10,将导线10绕过管道底部并令光纤光栅传感器9悬于在气囊3上部,最后用土体填实;
1.4、埋地管道的端部处理,即用柔性材料对管道两端进行封口,防止土体进入管道2而对管道变型造成影响;
1.5、土体填实与平整,当土体填埋至管道顶部高度时,对土体表面进行夯实,夯实后进行平整处理;再填埋至预设埋深,并将土体表面刮平,用水准尺校正土体表面平整度。
为了提高本发明对塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟的可靠性,将其具体步骤设计为:
2.1、气囊中气体释放,打开中间气囊3的排气阀门并由土体压力催动气囊3内部的气体排出,5s之后再同时释放中间气囊3两侧的气囊3气体,随之临近塌陷区域的土体变形甚至脱落,直到土体停止沉降;由于土体存在土供效应,脱落土体覆盖塌陷区域厚度不会超过10cm;
2.2、气体释放量计量,待土体停止沉降后,将气囊3的排气阀门关闭,并开挖取出气囊3,将排气阀门连接的排气管插入倒扣在水槽5中的量筒4里,人为排出剩余气体,剩余气体进入量筒4中并令相应体积的水从量筒中排出,通过从量筒4上读出剩余气体的体积,用原气囊3充气体积减去剩余气体的体积得出气囊3在埋设时的释放量;
2.3、土体塌陷与管道变形参数的采集,待塌陷区域的管道接触反力消失,塌陷区域的管道在土压力作用下发生变形,应变直接影响光纤光栅的波长漂移,所以该变形可以通过FBG监测光纤光栅传感器即FBG检测到,这样就使用FBG采集土体塌陷量,并且建立FBG应变和土体塌陷导致的FBG传感器曲率变化关系。
为了提高塌陷区域的理想化,本发明除了提供适当数量的气囊3外,令气囊3的轴向长度大于管道直径的2倍。
进一步地,所述气囊3中设置有多个轴向长度不同的胶皮隔膜31,多个所述胶皮隔膜31沿气囊3长度方向分布并将气囊3分为几个相通的气室,这样可以提高气囊3被标定塌陷区域有规律地塌陷,而且所产生塌陷体能够表征沉降的土体是否与其保持一定的一致性。
为了提高胶皮隔膜对气囊3的缓冲保护性能,本发明中的胶皮隔膜为环形结构且其断面为外翻的弧形面。
为了提高试验效率,本发明在步骤1.4中的柔性材料为胶带,采用胶带对管道端部可以快速进行封堵,其实用性较好,能够实现快包快拆且成本较低。
为了提高试验结果的可靠性,本发明在管道底部与土体的脱空区域进行脱空监测准备与实施监测,具体地,包括:
3.1、在步骤1.1中预先在管道底部底粘贴内窥镜7和计量块6,计量块6作为参照物分布在内窥镜7的视野可见侧;
3.2、在步骤2.2中气囊3气体在大气压和土压力的共同作用下排放的同时,管道2下部的土体中形成塌陷区域,该塌陷区域的变化信息由内窥镜7采集,内窥镜7的图像采集信息反馈给与其电性连接的电脑终端8,电脑终端8形成数据化的塌陷模型。
最后,试验分析与预测包括统计与整理步骤2.2、2.3和3.2的数据、数表和图像,根据数据、数表和图像分析土箱1管道下部土体塌陷灾害的物理特点并预测实际埋地管道下部土体塌陷灾害特点。
这样的话,本发明通过合理布置气囊3、土体、管道、光纤光栅传感器和导线可以做好土地塌陷试验准备;采用合理的放气方式来模拟塌陷并用光纤光栅传感器反应塌陷情况,可以提高塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟的可靠性;并且利用内窥镜、计量块和电脑终点可以直观反馈管道底部与土体的脱空区域的情况,从而为试验分析与预测提供了参考性较强的数据、数表和图像信息。因此,本发明具有设计合理和可重复性较好的优点,能够充分且有效地应用于模拟埋地管下部土体塌陷灾害,有利于进一步分析一系列相关的课题与研究。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域,但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,其特征在于,包括土地塌陷试验准备、塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟、管道底部与土体的脱空区域的准备与监测和试验分析与预测;
所述土地塌陷试验准备包括以下步骤:
1.1、气囊的选取和布置;选择直径为20cm、长度为40cm、最大内压为0.04MPa的气囊;根据预设的塌陷区域长度选择适当数量的气囊排列布置在管道下方且与管道共同设置在一个土箱中;
1.2、土体回填;先向气囊底部附近填充土体实现对气囊的定位,再继续填充直到土体与管顶平齐;
1.3、传感器的布置;在土箱内部固定带有斜度的刚块,在钢块上固定光纤光栅传感器的导线,将光纤光栅传感器悬挂在气囊上部,光纤光栅传感器的信号端连接有位于图像外部的读数器,最后用土体填实;
1.4、埋地管道的端部处理;即用柔性材料对管道两端进行封口;
1.5、土体填实与平整;当土体填埋至管道顶部高度时,对土体表面进行夯实,夯实后进行平整处理;再填埋至预设埋深,并将土体表面刮平,用水准尺校正土体表面平整度;
所述气囊的轴向长度大于管道直径的2倍,所述气囊中设置有多个轴向长度不同的胶皮隔膜,多个所述胶皮隔膜沿气囊长度方向分布并将气囊分为几个相通的气室,所述胶皮隔膜为环形结构且其断面为外翻的弧形面;
所述管道底部与土体的脱空区域的准备与监测包括:
3.1、在步骤1.1中预先在管道底部底粘贴内窥镜和计量块,计量块作为参照物分布在内窥镜的视野可见侧;
3.2、在塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟中气囊气体在大气压和土压力的共同作用下排放的同时,管道下部的土体中形成塌陷区域,该塌陷区域的变化信息由内窥镜采集,内窥镜的图像采集信息反馈给与其电性连接的电脑终端,电脑终端形成数据化的塌陷模型。
2.根据权利要求1所述的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,其特征在于,所述塌陷体的收缩与土体沉降行为的一致性模拟包括以下步骤:
2.1、气囊中气体释放;打开中间气囊的排气阀门并由土体压力催动气囊内部的气体排出,然后再同时释放两侧气囊的气体,临近塌陷区域的土体变形甚至脱落,直到土体停止沉降;
2.2、气体释放量计量;将气囊的排气阀门关闭,并开挖取出气囊,将排气阀门连接的排气管插入倒扣在水槽中的量筒里,人为排出剩余气体,通过从量筒上读出剩余气体的体积,得出气囊在埋设时的释放量;
2.3、土体塌陷与管道变形参数的采集;使用FBG采集土体塌陷量,建立FBG应变和土体塌陷导致的FBG传感器曲率变化关系。
3.根据权利要求2所述的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,其特征在于,步骤1.4中的柔性材料为胶带。
4.根据权利要求3所述的一种实现埋地管道下部土体塌陷灾害模拟的试验方法,其特征在于,所述试验分析与预测包括统计与整理步骤2.2、2.3和3.2的数据、数表和图像,根据数据、数表和图像分析土箱管道下部土体塌陷灾害的物理特点并预测实际埋地管道下部土体塌陷灾害特点。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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