CN202916109U - 一种多功能管土作用模拟实验装置 - Google Patents

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张鹏
马保松
兰海涛
曾聪
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Abstract

本实用新型涉及一种多功能管土作用模拟实验装置，包括容纳实验回填土体和安装实验管道的土箱，和埋设于箱体内土体中的传感器；其特征在于：沿管道铺设方向相对的土箱两侧壁之间夹置两端盖，两侧壁和两端盖均由多个箱壁模块拼装而成，各端盖上开设管道安装洞口，且各管道安装洞口上连接变径法兰；土箱盖板上设置加载框架，底板下设置底座；两侧壁和土箱盖板内壁上均设置加压气囊。能够克服普通管道模拟实验土箱结构尺寸固定、无法重复利用、功能单一的缺点，可用于管道的安装、运行以及修复过程的实验模拟。

Description

一种多功能管土作用模拟实验装置
技术领域
本实用新型属于地下管道工程技术领域，具体涉及一种管道与土体相互作用模拟实验的多功能实验装置。
背景技术
地下管道工程涉及到的管道与土体相互作用机理十分复杂，并且施工断面又处于一定深度的地层之内，具有不可见性，加之地层的复杂性，管道铺设过程中容易发生孔壁坍塌、地表沉降等事故，给施工带来很大风险。随着国内经济的发展，基础设施建设以及能源安全工程中都涉及大量的地下管道工程，急需专门的管土模拟实验平台来对实际工程进行预先模拟、技术指导、施工方案的优化以及风险评估等。
将管道和土体按一定比例缩小到实验箱内的管土模拟实验土箱是一种科学有效的研究方法。国外有关科研机构设计有一些管土模拟实验土箱，但普遍存在结构固定和功能单一的缺点，实验土箱往往只为完成特定的模拟实验专门设计，可重复利用性差，导致实验土箱的成本较高；而国内的相关实验平台大多为盾构实验平台，没有专门的管土模拟实验平台。
 实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种多功能管土作用模拟实验装置，克服普通管道模拟实验土箱结构尺寸固定、无法重复利用、功能单一的缺点，可用于管道的安装、运行以及修复过程的实验模拟。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是：
一种多功能管土作用模拟实验装置，包括容纳实验回填土体和安装实验管道的土箱，和埋设于箱体内土体中的传感器；其特征在于：沿管道铺设方向相对的土箱两侧壁之间夹置两端盖，两侧壁和两端盖均由多个箱壁模块拼装而成，各端盖上开设管道安装洞口，且各管道安装洞口上连接变径法兰；土箱盖板上设置加载框架，底板下设置底座；两侧壁和土箱盖板内壁上均设置加压气囊。
按上述技术方案，底座由一层H型钢支撑柱和位于H型钢支撑柱下的混凝土基础构成；所述加载框架固定在土箱盖板上，由上下叠置固定的上层盖板和中间钢板焊接构成；中间钢板和上层盖板之间以及中间钢板与土箱盖板之间均焊接一层H型钢；由上层盖板往下，箱体两端处的长加载钢筋依次穿过上层盖板、中间钢板、土箱盖板和各箱壁模块并固定在底座混凝土基础上，两端长加载钢筋之间的短加载钢筋依次穿过上层盖板、中间钢板并固定在土箱盖板上方的螺栓上；侧壁加载钢筋串接多个箱壁模块后伸出土箱盖板并固定在对应的螺栓上。 
按上述技术方案，箱壁模块由两层构成，包括内层主钢板和外侧钢板。
按上述技术方案，所述加压气囊为橡胶加压气囊，土箱盖板内壁加压气囊最大设计压力1000kPa，两侧壁加压气囊的设计压力为800kPa。
按上述技术方案，所述传感器埋设在土体需要测量的位置；或者设置管道上。
本实用新型的土箱以模拟管土实验为目的，吸收国内外现有土箱的优点，创新地采用模块化的设计思路，克服了普通管道模拟实验土箱结构尺寸固定、功能单一的缺点，其有益之处在于三个方面：
（1）土箱尺寸的模块化设计，土箱由箱壁模块通过螺栓连接拼装而成，先设计较小尺寸的箱壁拼装单元，然后再将小单元拼接成所需尺寸的整体箱壁，通过改变箱壁拼装单元的数量就可以改变土箱的整体尺寸。如果箱壁某个部位失效，只需更换失效部位的箱壁单元，而不必像整体式箱壁那样更换掉整块箱壁，使得系统的维护成本大大降低。
（2）土箱功能的模块化设计，设计一系列变径法兰，通过在管道安装箱壁连接不同的变径法兰，便可以满足不同直径和数目的管道的测试实验。还可以将后续设计的功能模块安装在原有的土箱主体上，使其具有新的功能，不断实现功能的升级。
（3）土箱加载装置为橡胶气囊双向加压，设计最大压力为1000kPa，可模拟100m水柱压力或是50m厚土层压力，可满足大部分管道上覆压力的要求。加载装置特点为：在土箱上部和一对侧壁安装加压气囊，可对土体实现双向加压，由于地下管道的受力状态通常看做平面应变状态，该双向加压气囊可较好的模拟，并且气囊加载与液压加载方式相比，压力分布更加均匀，更接近实际地层压力的分布。
本实用新型可用于管道的安装（直埋式或非开挖）、运行以及修复过程的实验模拟，利用预先埋设在土体中的各种传感器获得模拟实验中土体以及管道的应力、应变和位移等参数，从而研究管道和土体各参数之间的相互关系。是一种管道施工中模拟管道和土体相互作用的实验平台，同时还具有检测管道接头密封和模拟土体冻结实验的功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
图1为根据本实用新型实施的土箱结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为图1的A-A视图。
图4为图3的B-B视图。
图5为图3的局部C放大图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细的描述。根据本实用新型实施的一种多功能管土作用模拟实验装置如图1-5所示，包括土箱和埋设于箱体内土体中的传感器（未图示）；土箱箱体用来容纳实验回填土体和安装实验管道；沿管道铺设方向相对的土箱两侧壁10之间夹置两端盖8，两侧壁10和两端盖8均由多个箱壁模块拼装而成，各端盖8上开设管道安装洞口，且各管道安装洞口上连接变径法兰；土箱盖板5上设置加载框架，底板下设置底座；两侧壁10和土箱盖板5内壁上均设置加压气囊9。
本实施例的土箱内壁长度为4m，高度为2m，宽度为2m；箱壁模块尺寸为：长度497.5mm，高度497.5mm，宽度200mm；箱壁模块可拆卸，还可以根据实际实验需要增减箱壁模块的个数来改变土箱的尺寸；底座由一层H型钢支撑柱7和位于H型钢支撑柱7下的混凝土基础构成；所述加载框架固定在土箱盖板5上，由上下叠置固定的上层盖板2和中间钢板焊接构成；中间钢板和上层盖板之间以及中间钢板与土箱盖板之间均焊接一层H型钢（3,4）；由上层盖板往下，箱体两端处的长加载钢筋1依次穿过上层盖板2、中间钢板、土箱盖板5和各箱壁模块并固定在底座混凝土基础上，两端长加载钢筋之间的短加载钢筋依次穿过上层盖板2、中间钢板并固定在土箱盖板5上方的螺栓上；侧壁加载钢筋串接多个箱壁模块后伸出土箱盖板5并固定在对应的螺栓上。 各加载钢筋对箱壁起到加固作用，以保证箱壁不较大的发生变形。
如图5所示，箱壁模块由两层构成，贴着加压气囊9的内层主钢板11厚度为40mm，外侧为10mm厚钢板，既可以加强箱壁整体的刚度，又可以在各模块加筋结构四边设置螺栓孔，实现与其他拼装单元的拼接。橡胶型加压气囊中，顶壁加压气囊9的最大设计压力1000kPa，左右侧壁加压气囊9的设计压力为800kPa。
其工作原理为：首先根据具体实验的相似比例确定土箱的整体尺寸和实验管道的直径；然后将箱壁拼装单元用螺栓连接，拼装成所选尺寸的土箱侧壁，在管道安装洞口侧连接与管道直径相匹配的变径法兰，用来安装固定实验管道；接着在土箱内回填实验土体，回填过程要保证土体压实，尽可能与现场土体参数一致，并在设计的位置预先埋设压力、位移等传感器；根据实际管道工程的施工方法（直埋式或非开挖方式），模拟实际施工工艺过程安装实验管道；最后根据实际管道所在的位置，调节上部和两侧的加压气囊的压力，模拟管道受到的土体的应力状态，加载的反力作用在盖板H型钢上，通过加载钢筋传递给基础中的锚栓，最后作用于钢筋混凝土基础上。
实施例1：采用本装置进行水平定向钻施工模拟实验
（1）通过地质勘查，获取实际水平定向钻施工区域的地层样品，对于土质地层，经过一系列土工实验，得到现场地层土体的各种参数性质，如密度、含水量、孔隙度、颗粒的级配曲线、抗剪强度、压缩模量等。
（2）在实验室条件下将粘土、砂和水按一定比例拌合，使其密度、含水量和颗粒级配等性能参数尽可能接近现场实际土体，条件允许的情况下可直接采用现场土体。
（3）按照一定的相似比例确定模拟实验土箱的尺寸和模拟施工管道的直径以及钻孔直径，以此来组装拼接实验土箱，对箱壁进行密封和接触面处理，以减小土体与箱壁的边界摩擦，使土体上部载荷可以有效地作用在管道上。
（4）然后将配置土或现场土回填到实验土箱中，回填时要确保土体压实，使其压实后的密度与现场实际土体密度相同。
（5）在回填土体的过程中，根据具体实验的目的要求，在土体所要测量的位置埋设应力、应变和位移传感器，以此来测量施工前后土体的应力、应变以及位移参数；对于直接埋设的管道，也可以在管道上设置相应的传感器，监测施工前后管道的应力、应变以及位移参数。
（6）土体回填以及传感器埋设完毕后，根据是否需要对土体上部加载选择是否安装上部加载气囊，若实验土体上部不需要加载，则直接进入下一步；若实验需要模拟一定土层的压力，安装好加载气囊后，将土箱盖板通过加载钢筋与基础连接，使加载反力作用于基础上，根据实际需要设置气囊的加载压力，最大可达1000kPa，大约相当于50m左右上覆土层的压力。
（7）土体回填好之后，加载静置一段时间，使土体完成初始沉降，减小因初始沉降而对实验结果造成的影响。
（8）将各传感器的电信号经过仪器转化为数字信号，储存到计算机中，读取管道施工土体的应力、应变和位移初始值。
（9）按照实际水平定向钻的施工工艺，在土箱侧壁钻孔以及回拖安装管道，监测施工过程中土体的应力、应变和位移。
（10）监测施工结束后一段时间土体的应力、应变和位移，也可以根据实际需要通过取土器取出土箱内的土体，进行土工实验获取其参数。
（11）根据施工前后土体的应力、应变和位移参数的变化，以及土体本身性质的变化得出有关结论。
除此之外，该管道测试实验土箱模拟系统还可以用于测试管道接头的密封性，检测顶管施工中洞口的止水密封装置以及土体冻结实验和管幕施工中土体冻结密封的是实验研究等方面，使用范围还可不断扩大。

Claims (5)

1.一种多功能管土作用模拟实验装置，包括容纳实验回填土体和安装实验管道的土箱，和埋设于箱体内土体中的传感器；其特征在于：沿管道铺设方向相对的土箱两侧壁之间夹置两端盖，两侧壁和两端盖均由多个箱壁模块拼装而成，各端盖上开设管道安装洞口，且各管道安装洞口上连接变径法兰；土箱盖板上设置加载框架，底板下设置底座；两侧壁和土箱盖板内壁上均设置加压气囊。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于底座由一层H型钢支撑柱和位于H型钢支撑柱下的混凝土基础构成；所述加载框架固定在土箱盖板上，由上下叠置固定的上层盖板和中间钢板焊接构成；中间钢板和上层盖板之间以及中间钢板与土箱盖板之间均焊接一层H型钢；由上层盖板往下，箱体两端处的长加载钢筋依次穿过上层盖板、中间钢板、土箱盖板和各箱壁模块并固定在底座混凝土基础上，两端长加载钢筋之间的短加载钢筋依次穿过上层盖板、中间钢板并固定在土箱盖板上方的螺栓上；侧壁加载钢筋串接多个箱壁模块后伸出土箱盖板并固定在对应的螺栓上。
3.根据权利要求1或2所述的实验装置，其特征在于箱壁模块由两层构成，包括内层主钢板和外侧钢板。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于所述加压气囊为橡胶加压气囊，土箱盖板内壁加压气囊最大设计压力1000kPa，两侧壁加压气囊的设计压力为800kPa。
5.根据权利要求1或2或4所述的实验装置，其特征在于所述传感器埋设在土体需要测量的位置；或者设置管道上。
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