CN208109830U - 一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台，包括容纳试验管件和土体的静态试验箱、动态试验箱、正向拉力系统和数据采集系统，在静态试验箱和动态试验箱的侧面开设有通过孔，试验管件依次穿过两个试验箱的通过孔，正向拉力系统包括正向拉力伸缩器和拉力器支撑架，用于对动态试验箱施加与试验管件拉力；静态试验箱和动态试验箱相互靠近的两个侧面所开设的通过孔的孔径尺寸均较大，相互距离较远的两个侧面所开设的通过孔的尺寸与试验管件的尺寸相配合；所述的数据采集系统包括水平位移测量仪、摄像头和轴力监测器。本实用新型可以实现对埋地管道断层载荷的施加，模拟管道在极限载荷状态下的变形及管土相互作用力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台，可以实现埋地管道在发生断层情况时受力状态及变形形式的分析，模拟埋地管道服役期间受到的严苛环境条件，为埋地管道运行时的极限承载力进行校核，同时能够对不同断层形式下管道整体的失效模态进行探索。
背景技术
管道作为油气运输中最快捷、经济、有效的运输方式，其在服役中的结构稳定性及安全运作方式逐渐受到工程界的广泛关注。根据2015年的新一轮全国油气资源评价结果，我国油气资源潜力将主要分布在四川盆地、滇东黔西盆地及准噶尔盆地等。随着一带一路中亚天然气管线项目的推进，越来越多新型长距离埋地管线将不可避免地穿越我国西部地区的地震断层。该地区活动断层数量多、规模大且活动能力较强，一旦发生将会对管线造成不可估量的损失。
埋地管道服役期间主要受地震载荷的作用，地震对其产生破坏形式主要有两种：一是永久性地面位移包括断层错动和滑坡等；二是地震波动效应。相比较来说，永久性地面位移虽然影响范围较小，但由于地壳岩层破裂后产生较大的相对位移，导致穿越其中的管道发生破裂或断裂，危害性极大。因此，建造模拟断层下管土相互作用的实验测试平台，可以对埋地管件施加断层载荷，模拟其变形时的受力状态及类型，同时能够对不同断层下管道整体的失效模态进行探索。埋地管道在安装前，必须进行管道材料性能和局部稳定性的试验，保证管件在安装服役期间的结构安全。现今国内外在断层下管土相互作用实验测试平台设计方面存在的不足之处主要有：
1.国内外管土相互作用测试装置一般只适用于普通的管土相互作用方式研究，无法模拟发生断层时，管土之间的相对运动及相应的变形情况。
2.功能较为单一，主要测量管件发生运动时，周围土体的受力特点和管件表面的应变。测试管件一般较短，不能够精确模拟管件整体的位移形式及失效模态。
3.测量较大距离的管土耦合作用时，没有提供管件两端的固定方式及两端轴力施加的测量方式。
国内已有试验装置(如专利申请号：CN201510752854.X)，模拟埋地管道与周围土体发生相对位移时的管土相互作用，但只适用于较短管件，无法模拟长跨度管件在断层下的整体失稳情况。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可以实现对埋地管道断层载荷的施加，模拟管道在极限载荷状态下的变形及管土相互作用力的实验测试平台，为埋地管道的极限承载能力进行校核，同时能够对断层作用下的管土相互作用的管道失效模态进行探索。技术方案如下：
一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台，包括容纳试验管件和土体的静态试验箱、动态试验箱、正向拉力系统和数据采集系统，在静态试验箱和动态试验箱的侧面开设有通过孔，试验管件依次穿过两个试验箱的通过孔，其特征在于，正向拉力系统包括正向拉力伸缩器和拉力器支撑架，用于对动态试验箱施加与试验管件拉力；静态试验箱和动态试验箱相互靠近的两个侧面所开设的通过孔的孔径尺寸均较大，相互距离较远的两个侧面所开设的通过孔的尺寸与试验管件的尺寸相配合；在静态试验箱的正面开设有钢绞线通过孔，所述的数据采集系统包括水平位移测量仪、摄像头和轴力监测器，所述的水平位移测量仪包括钢绞线，平衡重锤，导向滑轮和滑轮支撑架，钢绞线一端固定在试验管件上，另一端穿过箱体的钢绞线通过孔、导向滑轮与平衡重锤连接，摄像头通过监测平衡重锤的移动距离获得钢管在土体内的位移；轴力监测器用于监测试验管件变形引起的轴力。
优选地，动态试验箱置于导轨之上，正向拉力伸缩器通过液压油缸拉动动态试验箱使箱体沿导轨进行移动。
所述的数据采集系统包括布置在试验管件外表面的应变传感器，用于监测试验管件表面的应变。
所述的数据采集系统包括布置在试验管件周边土体内的孔压传感器，用于监测管件周围土体压力的变化。
本实用新型针对埋地管道，提供了一种断层作用下管土相互作用实验测试平台，可以实现对管件施加断层载荷，模拟其在真实极限情况下的变形情况，从而对埋地管道设计提供真实的数据和试验积累，有针对性地对断层下管土相互作用实现进一步的设计，同时还能为实际工程建设的埋地管道铺设及安全防御提供设计指南。与国内外现有技术相比具有以下优点：
(1)本实用新型的断层作用下管土相互作用实验测试平台，可实现对埋地管道服役期间的极限作业环境的模拟，试验结果更加接近实际情况，为工程实际提供有效的试验数据积累。
(2)本实用新型考虑了断层载荷对管道失效模式的影响，利用钢绞线与定滑轮的联合使用，实现对管件变形时在土体内的水平位移的追踪。为解决工程实际问题提供了更加全面的分析视角，为失效模式探索提供了更多的解答途径。
(3)本实用新型对断层载荷的施加方式和变形过程中两端的轴向拉力的监测给出了具体的实现方式。利用液压油缸的拉伸杆件，实现箱体之间位置的错动，模拟埋地管件受到的断层载荷；与管件两端连接的液压油缸可实现管件变形过程中轴向拉力的监测，采用实验的方法为埋地管件的极限承载力的校核提供参考。
附图说明
图1整体布置图
图中标号说明：1-静态试验箱；2-动态试验箱；3-试验管件；4-导轨；5-正向拉力伸缩器；6-拉力器支撑架；7-轴力监测器；8-水平位移测量仪；9-动静态应变采集仪；10-计算机；11-高速摄像头；12-孔压传感器；
图2静态试验箱体
1-静态试验箱；13-试验箱主体；14-加强杆；15-滑轮；16-钢绞线通过孔；17-试验管件通过孔
图3动态试验箱
2-动态试验箱；21-试验箱主体；22-加强杆；23-滑轮；24-肋板；25-肘板；26-承压板；27-法兰连接头
图4试验管件
3-试验管件；31-钢管；32-法兰盘
图5正向拉力伸缩器
5-正向拉力伸缩器；51-法兰连接头；52-拉力承接盘；53-固定销；54-支撑肘板；55-滚动托架；551-垫板；552-滚轮；56-伸缩拉力杆；57-法兰盘；58-液压油缸
图6拉力器支撑架
6-拉力器支撑架；61-挡板；62-导轨；63-支撑肘板；64-液压油缸支撑板；65-立柱；66-加强材；67-垫板；68-固定板
图7轴力监测器
7-轴力监测器；71-法兰连接头；72-球状铰约束；73-液压油缸；74-液压油缸支撑板；75-立柱；76-桁材；77-固定板
图8水平位移测量仪
8-水平位移测量仪；81-钢绞线；82-平衡重锤；83-导向滑轮；84-滑轮支撑架；85-加强肘板
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述:
如图1所示，断层下管土相互作用实验测试平台主要包括：静态试验箱1，动态试验箱2，试验管件3，导轨4，正向拉力伸缩器5，拉力器支撑架6，轴力监测器7，水平位移测量仪8，动静态应变采集仪9，计算机10高速摄像机11，孔压传感器12等。动静态应变采集仪与试验管件3表面的应变片相连；10为计算机，与动静态应变采集仪连接；11为高速摄像头与计算机相连；12为孔压传感器一端与土体中的压力传感器相连一端与计算机连接。为防止连线干扰视图效果，图中省去了9、10、11和12的具体连结方式。
正向拉力伸缩器5通过液压油缸58拉动动态试验箱2使箱体沿导轨4进行移动，静态试验箱1保持固定，进而箱内土体挤压试验管件3使管件发生移动和变形。动态试验箱2运动过程中，可通过管件周围土体内的孔压传感器12监测管件周围土体压力的变化；通过动静态应变采集仪9实时记录管件表面的应变；通过水平位移测量仪8和高速摄像机采集平衡重锤82的移动距离；通过轴力监测器6实现管件轴力变化过程的监测。
如图2所示，静态试验箱由试验箱主体13，加强杆14，滑轮15，钢绞线通过孔16，试验管件通过孔17构成。试验箱主体13左侧的试验管件通过孔17偏大，以保证试验管件3在土体中发生移动时避免与箱壁相碰。试验箱主体13右侧的试验管件通过孔17比左侧的偏小，保证试验管件3两侧的法兰盘32通过即可。为避免管件运动时与箱壁发生剧烈磕碰，在试验管件通过孔17周围利用加强杆14进行了弧形和支撑形加固。箱壁正侧开有5个大小相同的钢绞线通过孔允许钢绞线穿过。试验箱主体底侧安装有四个滑轮15保证箱体沿导轨滚动，减小摩擦。
如图3所示，动态试验箱由试验箱主体21，加强杆22，滑轮23，钢绞线通过孔24，试验管件通过孔25，肋板26，肘板27，承压板28，法兰连接头29构成。动态试验箱的试验箱主体21、加强杆22，滑轮23，钢绞线通过孔24，试验管件通过孔25的尺寸构造与用途与静态试验箱的描述相同。由于动态试验箱2承受拉力在试验过程中发生移动，钢绞线通过孔24对面的箱壁上焊接有肋板26、肘板27和承压板28以保证承压侧箱壁的强度。在承压板上焊接法兰连接头29，在实验前将动态试验箱2放在指定位置后可通过法兰连接头与正向拉力伸缩器5进行螺栓连接。
如图4所示，试验管件3由钢管31和两个相同的焊接法兰盘32构成。根据试验需求在钢管31的相应位置粘贴应变片与动静态应变采集仪9连接。将连结线捆绑在钢管31的表面，避免在进箱安装过程中出现刮蹭现象。
如图7所示，轴力监测器7由法兰连接头71，球状铰接头72，液压油缸73，液压油缸支撑板74，立柱75，桁材76、固定板77及液压参数采集装置构成。连接好的试验管件从试验箱体侧面依次穿过静态试验箱和动态试验箱，之后将试验管件3两端的法兰盘32与轴力监测器7的法兰连接头71对齐进行螺栓连接。试验过程中打开轴力监测器7由其液压参数采集装置对试验管件3变形引起的轴力进行实时记录。
如图8所示，水平位移测量仪8由钢绞线81，平衡重锤82，导向滑轮83，滑轮支撑架84，加强肘板85构成。将试验管件3固定完成后，在钢管31的指定位置系紧钢绞线81，钢绞线81的另一端穿过箱体的钢绞线通过孔、导向滑轮83与平衡重锤82连接，试验过程中通过高速摄像头11监测平衡重锤82的移动距离从而获得钢管在土体内的位移。
试验管件3的端部和表面安装工作完成后向试验箱内填土，模拟埋地管道周围土体的物理力学性质。对于砂性土，应测定土体容重、含水率、密实度及天然坡角等指标。然后向试验箱内按层填埋砂土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直至达到预定标高；对于粘性的填土，应测定土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度等指标。然后同样按层向试验箱内填土，每层都要夯实均匀并用环刀取土样测土的密度和含水率，并控制在预定值，直到达到预定标高。粘土铺设完成后，还需要固结24小时使其形成均匀整体。
如图5所示，正向拉力伸缩器5由法兰连接头51，拉力承接板52，固定销53，支撑肘板54，滚动托板55，垫板551，滚轮552，伸缩拉力杆56，法兰盘57，液压油缸58构成。试验过程中正向拉力伸缩器5利用液压油缸58通过伸缩拉力杆56提供拉力，拉动动态试验箱2沿导轨移动实现断层载荷的施加。
Claims (4)
1.一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台，包括容纳试验管件和土体的静态试验箱、动态试验箱、正向拉力系统和数据采集系统，在静态试验箱和动态试验箱的侧面开设有通过孔，试验管件依次穿过两个试验箱的通过孔，其特征在于，正向拉力系统包括正向拉力伸缩器和拉力器支撑架，用于对动态试验箱施加与试验管件拉力；静态试验箱和动态试验箱相互靠近的两个侧面所开设的通过孔的孔径尺寸均较大，相互距离较远的两个侧面所开设的通过孔的尺寸与试验管件的尺寸相配合；在静态试验箱的正面开设有钢绞线通过孔，所述的数据采集系统包括水平位移测量仪、摄像头和轴力监测器，所述的水平位移测量仪包括钢绞线，平衡重锤，导向滑轮和滑轮支撑架，钢绞线一端固定在试验管件上，另一端穿过箱体的钢绞线通过孔、导向滑轮与平衡重锤连接，摄像头通过监测平衡重锤的移动距离获得钢管在土体内的位移；轴力监测器用于监测试验管件变形引起的轴力。
2.根据权利要求1所述的实验测试平台，其特征在于，动态试验箱置于导轨之上，正向拉力伸缩器通过液压油缸拉动动态试验箱使箱体沿导轨进行移动。
3.根据权利要求1所述的实验测试平台，其特征在于，所述的数据采集系统包括布置在试验管件外表面的应变传感器，用于监测试验管件表面的应变。
4.根据权利要求1所述的实验测试平台，其特征在于，所述的数据采集系统包括布置在试验管件周边土体内的孔压传感器，用于监测管件周围土体压力的变化。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108693327A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-23 | 天津大学 | 一种模拟断层下管土相互作用的实验测试平台 |
| CN113848134A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-28 | 天津大学 | 一种对管道循环施加弯矩的疲劳试验方法 |
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2018
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