CN203025036U - 跨断层埋地管线原位试验量测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种跨断层埋地管线原位试验量测系统，该量测系统包括：加载控制量测装置（1）用以控制加载位错量以及垂直运动装置（13）和水平运动装置（14）的水平加载状态；应变量测装置（2）用于测量试验管线（16）的法向、切向应变反应；位移量测装置（3）用于在地表上侧观测断层作用下埋地管线的竖向和水平方向的位移反应；内压量测装置（4）用于控制试验管线（16）内的介质工作压力；主机（5）用于对加载控制量测装置（1）、应变量测装置（2）、位移量测装置（3）和内压控制装置（4）的数据整理分析后得出验证结果。本实用新型提出的新型埋地管线原位试验断层反应和加载控制量测系统，试验接近实际，分析结果可靠有效。

Description

跨断层埋地管线原位试验量测系统

技术领域

 本实用新型涉及一种跨断层埋地管线原位试验量测系统，更具体地说是涉及一种在原位试验场地进行埋地管线断层反应的试验量测和加载控制系统，主要用于观测和监测跨断层埋地管线原位试验的过程和反应。

背景技术

埋地管线在现代化生产、生活中占有重要的位置，是重要的城市生命线工程。埋地管线系统是典型的线、网工程，不可避免地需穿越一些抗震不利或者危险的地域，跨越断层就是埋地管线不得不面临和需要解决的关键工程问题之一。跨断层埋地管线受力性能及破坏机理需要可靠准确的实际破坏数据作为研究基础，数据获取最可靠、最直接的方法即实际地震观测或者试验，而试验是实际工程应用中最行之有效的方法。现国内外采用试验手段研究跨越断层埋地管线的受力特性及其破坏机理时大多为模型试验，在实验室中进行。模型试验不可避免地带来尺寸效应、边界条件误差等问题，不能很好地反映跨越断层埋地管线的断层响应特性。原位试验可以较好地克服模型试验的不足，但在原位场地对断层加载进行实施和控制较难实现，对管线的断层反应进行地下观测及数据采集也存在一定的困难。

发明内容

本实用新型针对上述问题，提供了一种用于在原位场地模拟断层运动的跨断层埋地管线断层反应的量测系统，其目的在于：① 准确、有效地控制和实施断层原位试验的分级加载条件；② 解决由于覆盖土层影响，从而跨断层埋地管线原位试验断层反应难以观测的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的量测系统包括：

加载控制量测装置，用以控制加载位错量以及垂直运动装置和水平运动装置的水平加载状态，并于量测后对应输出量测数据至主机；

应变量测装置，用于测量试验管线的法向、切向应变反应，并于量测后对应输出量测数据至主机；

位移量测装置，用于在地表上侧观测断层作用下埋地管线的竖向和水平方向的位移反应，并于量测后对应输出量测数据至主机；

内压量测装置，用于控制试验管线内的介质工作压力，并于量测后对应输出量测数据至主机；

主机，用于对加载控制量测装置、应变量测装置、位移量测装置和内压控制装置输送来的数据进行整理分析后得出验证结果。

所述的试验管线采用热熔法连接构成。

所述的加载控制量测装置包括垂直加载控制装置、水平加载控制装置和数据采集装置，垂直加载控制装置的垂直加载位错分量、压力状态和水平加载控制装置的水平加载位错分量、压力状态通过数据采集装置输出至主机。

所述的垂直加载控制装置包括垂直加载位移计和垂直加载压力传感器，该垂直加载位移计布置在垂直运动装置的底端部外侧，垂直加载压力传感器布置在垂直运动装置的加载点位置；水平加载控制装置包括水平加载位移计和水平加载土压力盒，水平加载位移计布置在水平运动装置的外侧，水平加载土压力盒位于水平运动装置的内侧并位于试验管线的上侧和下侧；上述的垂直运动装置和水平运动装置位于反力装置的内部且水平运动装置放置于垂直运动装置的底板上侧。

所述的数据采集装置包括人工数据采集仪、数据自动采集分析系统和土压力专用数据采集仪，所述的人工数据采集仪通过数据线与垂直加载控制装置中的垂直加载位移计相连，数据自动采集分析系统分别通过数据线与垂直加载控制装置中的垂直加载压力传感器和水平加载控制装置中的水平加载位移计相连，土压力专用数据采集仪通过数据线与水平加载控制装置中的水平加载土压力盒相连。

所述的应变量测装置包括电阻应变片和数据自动采集静态采集仪，电阻应变片的实时数据通过数据自动采集静态采集仪采集后输送至主机。

所述的位移量测装置包括位移指示机构和位移量测设备，该位移指示机构包括套箍、位移指示针、连接螺栓，竖直向上布置的位移指示针下端固定在套箍上，套箍通过连接螺栓固定在试验管线上；所述的位移量测设备包括经纬仪和水准仪，经纬仪和水准仪分别将位移指示针在竖向和水平方向的位移反应记录后输送至主机。

所述位移指示针的外侧设有保护套管。

所述的内压量测装置包括管压观测仪，管压观测仪设置在试验管线的介质入口处。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型基于跨断层埋地管线原位试验，提出了一套新型的埋地管线原位试验断层反应量测系统和加载控制量测系统，该加载控制量测系统可以准确有效的实现试验设计所规定的每级加载位错量并且保证加载运动装置无倾斜地水平运动，该量测系统可以真实、准确地对原位试验管线的断层反应进行观测和控制；该量测系统考虑试验管线的工作状态状态以及试验管线接头等实际存在因素的影响，并对管线的工作状态进行控制更接近试验管线的实际受力状态，观测分析结果更为可靠有效，可广泛适用于埋地管线断层反应受力性能及破坏机理的试验量测。

附图说明

附图1为本实用新型的量测系统原理示意图；

附图2为本实用新型所采用的试验装置结构示意图；

附图3为本实用新型的试验管线应变量测示意图；

附图4为本实用新型的试验管线电阻应变片布置情况截面示意图；

附图5为本实用新型的试验管线位移量测系统布置示意图；

附图6为本实用新型的试验管线位移指示机构结构示意图；

附图7为本实用新型的试验管线内压量测装置布置示意图；

附图8为本实用新型的加载控制量测装置布置示意图之一；

附图9为本实用新型的加载控制量测装置布置示意图之二。

其中：1—加载控制量测装置；2—应变量测装置；3—位移量测装置；4—内压量测装置；5—主机；6—垂直加载控制装置；7—水平加载控制装置；8—数据采集装置；9—垂直加载位移计；10—垂直加载压力传感器；11—水平加载位移计；12—水平加载土压力盒；13—垂直运动装置；14—水平运动装置；15—反力装置；16—试验管线；17—人工数据采集仪；18—数据自动采集分析系统；19—土压力专用数据采集仪；20—电阻应变片；21—数据自动采集静态采集仪；22—位移指示机构；23—位移量测设备；24—套箍；25—位移指示针；26—连接螺栓；27—经纬仪；28—水准仪；29—保护套管；30—管压观测仪。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-9所示：一种跨断层埋地管线原位试验量测系统，该量测系统包括：加载控制量测装置1，用以控制加载位错量以及垂直运动装置13和水平运动装置14的水平加载状态，并于量测后对应输出量测数据至主机5；应变量测装置2，用于测量试验管线16的法向、切向应变反应，并于量测后对应输出量测数据至主机5；位移量测装置3，用于在地表上侧观测断层作用下埋地管线的竖向和水平方向的位移反应，并于量测后对应输出量测数据至主机5；内压量测装置4，用于控制试验管线16内的介质工作压力，并于量测后对应输出量测数据至主机5；主机5，用于对加载控制量测装置1、应变量测装置2、位移量测装置3和内压控制装置4输送来的数据进行整理分析后得出验证结果。

上述加载控制量测装置1包括垂直加载控制装置6、水平加载控制装置7和数据采集装置8，垂直加载控制装置6的垂直加载位错分量、压力状态和水平加载控制装置7的水平加载位错分量、压力状态通过数据采集装置8输出至主机5。其中垂直加载控制装置6包括垂直加载位移计9和垂直加载压力传感器10，该垂直加载位移计9布置在垂直运动装置13的底端部外侧用以控制原位试验断层每级加载位错的垂直分量，垂直加载压力传感器10布置在垂直运动装置13的加载点位置，每一加载点相应地布置一个垂直加载压力传感器10，试验中通过控制各个垂直加载压力传感器10的各加载步增量相同实现垂直运动装置13的无倾斜水平加载；水平加载控制装置7包括水平加载位移计11和水平加载土压力盒12，水平加载位移计11布置在水平运动装置14的外侧用以控制原位试验断层每级加载位错的水平分量，2个水平加载土压力盒12皆位于水平运动装置14的内侧并对称设置在试验管线16的上侧和下侧；上述水平运动装置14主要提供原位模拟试验中人工断层的水平运动分量，垂直运动装置13主要提供原位模拟试验中人工断层的竖向运动分量，垂直运动装置13和水平运动装置14位于反力装置15的内部且水平运动装置14放置于垂直运动装置13的底板上侧，反力装置15主要为断层加载的原位试验反力台座，在原位试验现场采用钢筋混凝土结构整体浇注成型。另外数据采集装置8包括人工数据采集仪17、数据自动采集分析系统18和土压力专用数据采集仪19，其中数据自动采集分析系统18采用四分之一桥路数据自动采集分析系统，上述的人工数据采集仪17通过数据线与垂直加载控制装置6中的垂直加载位移计9相连，数据自动采集分析系统18分别通过数据线与垂直加载控制装置6中的垂直加载压力传感器10和水平加载控制装置7中的水平加载位移计11相连，土压力专用数据采集仪19通过数据线与水平加载控制装置7中的水平加载土压力盒12相连。

上述应变量测装置2包括电阻应变片20和数据自动采集静态采集仪21，电阻应变片20的实时数据通过数据自动采集静态采集仪21采集后输送至主机5，安装时依据试验设计在采用热熔法连接构成的试验管线16的相应位置处粘贴电阻应变片20并进行检测，检测完好后将电阻应变片20分别与数据线进行连接并在电阻应变片20外围设置保护装置进行防潮、防撞处理。

上述的位移量测装置3包括位移指示机构22和位移量测设备23，该位移指示机构22包括套箍24、位移指示针25、连接螺栓26，竖直向上布置的位移指示针25下端固定在套箍24上，套箍24通过连接螺栓26固定在试验管线16上，位移指示机构22的套箍24布置在电阻应变片20的附近并紧贴电阻应变片20的保护装置所在处，位移指示针25的外侧设置一定直径的PVC保护套管29用以避免加载过程中由于土体挤压引起的位移指示针25变形，保护套管29的半径应不小于断层的水平位错量，位移指示针25的端头突出原位试验场地地表，试验中利用位移量测设备23即经纬仪27和水准仪28观测突出地表的位移指示针25用以表述埋地管线的断层位移反应，即经纬仪27和水准仪28分别将位移指示针25在竖向和水平方向的位移反应记录后输送至主机5。

上述内压量测装置4包括管压观测仪30，试验管线16的介质入口处位于试验管线16的远端并与原位试验现场的介质源相连通，试验管线16的介质出口处位于试验管线16的加载端并通过管路连接至试验场地外侧，试验管线16的介质入口处设置管压观测仪30用以控制原位试验埋地管线的工作压力，试验管线16的介质出入口处设置控制阀门。

实施例1

本实施例选定的试验场地在南京，并采用模拟南京市城市供水管网来进行试验量测系统的验证。该试验的具体步骤如下：

a、选定试验场地并浇筑反力装置15，然后将垂直运动装置13和水平运动装置14架设在反力装置15内，同时将垂直加载位移计9和水平加载位移计10放置在垂直运动装置13和水平运动装置14内试验设计设定的位置处；

b、试验管线16选用南京市城市供水常用的HDPE管，通过电热熔连接的方法连接试验管线16，然后将电阻应变片20和位移指示机构22依据试验设计布置要求错位设置在试验管线16上，其中试验管线16的每一应变量测截面上布置四个测点，即每一应变量测截面上贴有四个电阻应变片20，电阻应变片20的外侧设有防护装置对其进行防潮、防撞包裹处理，考虑到断层作用下试验管线的实际受力情况，在断层引起的土体破裂带附近沿试验管线长度方向电阻应变片20布置截面的间距取为500 mm，远离断层区域则沿试验管线长度方向电阻应变片20布置截面的间距增大至1000 mm，同时考虑到热熔接头的初装应力效应，热熔接头左右两侧的电阻应变片20布置截面的间距取为500 mm，另外管线位移指示针25竖直向上设置且在管线位移指示针25的外侧设有直径为100 mm、长度为1000 mm的PVC保护套管29以防止指针受到周围土体的挤压而产生变形，试验中管线位移指示针25位于PVC保护套管29的圆心位置；

c、分别通过数据线将电阻应变片20分别连接至一台60接口和两台20接口的数据自动采集静态应变仪21，垂直加载位移计9通过数据线连接至人工数据采集仪17，垂直加载压力传感器10和水平加载位移计11通过数据线连接至四分之一桥路的数据自动采集分析系统18，水平加载土压力盒12通过数据线连接至土压力专用数据采集仪19；

d、根据南京市供水用HDPE管施工规范开挖管沟，管沟采用人工直臂开挖，沟底至地表距离取为1200 mm，接着将试验管线16的两端部采用钢法兰进行密封后外接出水管和入水管，另外在试验管线16的入水口位置设置管压观测仪30用以随时观测试验中试验管线16内水压的变化，在试验管线16的出入水口处设置阀门用以控制管线内压的大小，沟底回填平整之后现场吊装就位试验管线16，其中试验管线16的一端设置与水平运动装置14上作为试验管线16的加载端部约束条件；

e、回填并分层夯实试验管线16上部的回填土，且回填过程中稳定保护套管29位置以使得位移指示针25尽量位于保护套管29的圆心位置，同时要求回填土的压实率不得小于80%，另外采用经纬仪27和水准仪28相结合的方法量测伸出地表的位移指示针25的平面坐标和竖向高程用以描述埋地管线的断层位移反应；

f、对仪器和加载系统进行调试并打开入水管处阀门对试验管线16进行注水以检验仪器设备能否正常运行，并通过管线观测仪30实时观测管线内压，该原位试验HDPE供水水压大小为施工现场放入生活用水标准水压；

g、检验正常后进行正式加载，试验过程采用位移控制的方式进行，共分8级进行加载，加载步骤如表1所示，且断层加载位错控制以竖向加载位移作为试验的主要控制条件，同时按照先施加断层水平位错再施加垂直位错的方式来完成各级加载，每级加载完成2分钟后采集试验数据，其中每级加载后试验管线16上的位置指示针25的水平位移和竖向位移采用经纬仪27和水准仪28测量后利用差值法计算得出，达到试验设计的断层极限位错量后即停止加载完成数据采集，最后对采集的数据进行整理分析后得出验证结果。验证结果显示，该试验方法成功地对服役状态下跨逆断层城市供水HDPE管线进行了试验研究，对跨断层埋地管线的受力性能及破坏机理进行了试验验证。

表1  南京市供水管跨断层埋地管线试验的加载步骤。

本实用新型选定试验场地并浇筑反力装置15，通过垂直运动装置13和水平运动装置14的设置作为断层发震基岩及土体远端边界条件，实现了人工断层的竖向位错分量和水平位错分类量，具有无预加断缝，无土体边界且断裂真实的特点；实用新型考虑试验管线16的接头、负载状态等实际存在因素的影响，更接近试验管线16的实际受力状态，分析结果更为可靠有效；该实用新型利用埋地管线应变量测装置2和位移量测装置3对原位试验管线的断层反应进行量测，实现了通过地上测量观测埋地管线断层反应的手段，并通过管线工作内压量测装置4观测原位试验中试验管线16的内压，考虑了试验管线16的实际工作状态更接近实际管线的受力状态；该实用新型利用原位试验加载控制量测装置1对试验加载过程进行量测和控制，实现了原位试验的加载过程检测和控制，该实用新型可广泛适用于埋地管线断层反应的原位试验量测和监测研究。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的量测系统包括：

加载控制量测装置（1），用以控制加载位错量以及垂直运动装置（13）和水平运动装置（14）的水平加载状态，并于量测后对应输出量测数据至主机（5）；

应变量测装置（2），用于测量试验管线（16）的法向、切向应变反应，并于量测后对应输出量测数据至主机（5）；

位移量测装置（3），用于在地表上侧观测断层作用下埋地管线的竖向和水平方向的位移反应，并于量测后对应输出量测数据至主机（5）；

内压量测装置（4），用于控制试验管线（16）内的介质工作压力，并于量测后对应输出量测数据至主机（5）；

主机（5），用于对加载控制量测装置（1）、应变量测装置（2）、位移量测装置（3）和内压控制装置（4）输送来的数据进行整理分析后得出验证结果。

2.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的试验管线（16）采用热熔法连接构成。

3.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的加载控制量测装置（1）包括垂直加载控制装置（6）、水平加载控制装置（7）和数据采集装置（8），垂直加载控制装置（6）的垂直加载位错分量、压力状态和水平加载控制装置（7）的水平加载位错分量、压力状态通过数据采集装置（8）输出至主机（5）。

4.根据权利要求3所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的垂直加载控制装置（6）包括垂直加载位移计（9）和垂直加载压力传感器（10），该垂直加载位移计（9）布置在垂直运动装置（13）的底端部外侧，垂直加载压力传感器（10）布置在垂直运动装置（13）的加载点位置；水平加载控制装置（7）包括水平加载位移计（11）和水平加载土压力盒（12），水平加载位移计（11）布置在水平运动装置（14）的外侧，水平加载土压力盒（12）位于水平运动装置（14）的内侧并位于试验管线（16）的上侧和下侧；上述的垂直运动装置（13）和水平运动装置（14）位于反力装置（15）的内部且水平运动装置（14）放置于垂直运动装置（13）的底板上侧。

5.根据权利要求3所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的数据采集装置（8）包括人工数据采集仪（17）、数据自动采集分析系统（18）和土压力专用数据采集仪（19），所述的人工数据采集仪（17）通过数据线与垂直加载控制装置（6）中的垂直加载位移计（9）相连，数据自动采集分析系统（18）分别通过数据线与垂直加载控制装置（6）中的垂直加载压力传感器（10）和水平加载控制装置（7）中的水平加载位移计（11）相连，土压力专用数据采集仪（19）通过数据线与水平加载控制装置（7）中的水平加载土压力盒（12）相连。

6.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的应变量测装置（2）包括电阻应变片（20）和数据自动采集静态采集仪（21），电阻应变片（20）的实时数据通过数据自动采集静态采集仪（21）采集后输送至主机（5）。

7.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的位移量测装置（3）包括位移指示机构（22）和位移量测设备（23），该位移指示机构（22）包括套箍（24）、位移指示针（25）、连接螺栓（26），竖直向上布置的位移指示针（25）下端固定在套箍（24）上，套箍（24）通过连接螺栓（26）固定在试验管线（16）上；所述的位移量测设备（23）包括经纬仪（27）和水准仪（28），经纬仪（27）和水准仪（28）分别将位移指示针（25）在竖向和水平方向的位移反应记录后输送至主机（5）。

8.根据权利要求7所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述位移指示针（25）的外侧设有保护套管（29）。

9.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验量测系统，其特征在于所述的内压量测装置（4）包括管压观测仪（30），管压观测仪（30）设置在试验管线（16）的介质入口处。

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