CN108896513B - 一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置及方法，包括模型箱、土体、管道、地面沉降模拟装置及管土量测装置；地面沉降模拟装置包括水囊、水管、集线器、总水管、开关、调节阀、流量计、集水器和变形协调板；管土量测装置包括分布式传感光纤、OBR背光反射仪、薄膜压力传感器、数据采集仪、管道沉降标、激光位移计、土体沉降标、高像素数码相机和计算机。按沉降类型布置水囊阵列；在预设深度处固定管道；将各测量仪器与计算机相连，通过软件采集数据；将预先配好的土体填筑在模型箱内；水囊排水，直至管道和土体变形基本稳定时，停止采集，保存数据。

Description

一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置及 方法

技术领域

本发明涉及地面沉降和管土相互作用室内试验领域，具体涉及一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置及方法。

背景技术

作为城市赖以生存和发展的重要物质基础，地下管线担负着城市的信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃等功能，被誉为城市的“生命线”。地下管线分布范围广且传输距离长，当穿越地质条件复杂、地壳活动剧烈的地区时，管土相互作用十分显著，管道往往会发生大的形变甚至破坏，从而影响到地下管线的正常使用甚至酿成灾难性后果。

一方面，地下管线形变破坏的工程诱因主要包括大面积地面堆载、基坑开挖和降水、地铁隧道施工、深部采矿等，其中绝大部分管道事故都伴随着明显的地面沉降。对于暴力施工等造成的突发性管道事故需要我们加强管理和监控。而地面沉降诱发由于具有缓变性、累积性和成因复杂性等特点，相关的研究相对滞后，规范也未对这方面的控制标准做出详细规定。

另一方面，有关地下管线管土相互作用的研究方法主要有经验控制法、理论分析法、数值模拟法和试验分析法。其中经验控制法具有地区适用性、样本代表性的局限，所得成果较难大面积推广；不同学者对管道在土***移作用下的形变破坏机理以及管土界面力学特性有着不同的理解，理论分析法的结论也很难统一起来；而数值模拟法在很大程度上受到边界条件、管土接触形式、土体本构模型及其参数选取的影响，结果的准确性和真实性需要在试验模型中得到验证甚至修正，否则将与实际情况有较大的偏差，从而试验分析法在管土相互作用研究工作中变得不可或缺。

然而，在目前现有的管道试验中，通常采用电阻应变片、沉降标、多点位移计等常规传感器进行监测。这类监测技术虽然可以获得管道局部点位的沉降、位移、应力、应变等信息，但存在传感精度低、埋设困难、易受电磁干扰、耐久性差等缺陷。同时，此类试验方法所获取的数据相对有限，无法完整、全面地反映管道位移、土体抗力及其随时间发展的趋势，因此很难对地下管线的安全性做出科学的预测和评估。

发明内容

本发明旨在提供一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置和方法，采用先进的监测技术，包括分布式光纤传感技术、薄膜压力传感技术和数字图像处理技术，对地面沉降区地下管线的健康状态进行智能感知，并在此基础上揭示管道形变破坏的作用机理。该试验装置操作简便、性价比高、可靠性好、测量精度高、可控制性和可重复性强，用于研究不同地面沉降模式下，管道材质、管道直径、管道埋深、土体类型、土体密实度、土体含水量等因素对管土相互作用的影响。

本发明采用了如下技术方案：一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，包括模型箱、土体、管道、地面沉降模拟装置及管土量测装置，模型箱下部设有地面沉降模拟装置，模型箱内设有管土量测装置，管道贯穿模型箱，模型箱内填充有土体；

所述模型箱由钢板和透明钢化玻璃板制成，模型箱观测面采用透明钢化玻璃板，底板采用钢板；所述模型箱上部设置横梁；

所述地面沉降模拟装置包括水囊、水管、集线器、总水管、开关、调节阀、流量计、集水器和变形协调板；水囊通过水管与集线器连接；所述集线器通过总水管与集水器连接；从集线器向集水器方向上，在总水管上依次设置开关、调节阀和流量计；水囊上部覆盖变形协调板；

所述管土量测装置包括分布式传感光纤、OBR背光反射仪、压力传感器、数据采集仪、管道沉降标、激光位移计、土体沉降标、图像采集器和数据处理器；所述分布式传感光纤沿管道全长布设，并固定在管道表面，光纤出露端通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述压力传感器包裹在管道外侧，数据传输至数据采集仪；所述管道沉降标下端与管道固定连接，上端出露，正对激光位移计；所述土体沉降标上端与横梁固定连接，下端固定于底板上，所有土体沉降标采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述图像采集器分别置于透明钢化玻璃板两侧；所述OBR背光反射仪、数据采集仪、激光位移计和图像采集器的数据均传输至数据处理器。

所述模型箱的左右侧透明钢化玻璃板上设有标记点，用来精确测量土体的位移场。

所述的变形协调板由若干钢板转动连接而成。

所述的变形协调板的上方铺设有一层土工织物。

所述的管道沉降标由光滑金属管、管槽和卡箍组成，所述的光滑金属管下端固定于管槽上，管槽中间穿插卡箍，卡箍与管道紧扣。

所述的土体沉降标由螺纹护套光纤、定滑轮、光纤夹具组成，螺纹护套光纤绕过定滑轮呈“U”型布置，定滑轮固定于横梁上，螺纹护套光纤的“U”型两端通过光纤夹具固定于底板上。

使用所述的用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置的方法，包括步骤如下：

1)水囊布置：按沉降类型布置水囊阵列，安装好地面沉降模拟装置，最后铺好土工织物；

2)管道固定：在预设高度处，将管道两端固定在模型箱上；

3)管土量测装置安装：按照预设间距在模型箱的两侧透明钢化玻璃板上设置标记点，并在横梁上固定定滑轮和激光位移计；管道外侧由内至外，分别布设分布式传感光纤、压力传感器和管道沉降标，保证光滑金属管正对激光位移计；对绕过定滑轮的螺纹护套光纤进行预拉之后，土体沉降标两端固定在底板上；在模型箱的外侧放置好图像采集器；将各测量仪器与数据处理器相连之后，通过数据采集软件自动采集量测数据；量测内容包括管道的应变和沉降，管周土压力以及土体的沉降；

4)土体填筑：将预先配好的土体通过落砂法或分层压实法均匀填筑在模型箱内形成土体；

5)数据采集与分析：在水囊开始排水之前，完成数据采集软件的调试工作；首先进行初始数值采集，然后排水模拟地面沉降，直至水囊中的水全部排出；此过程一直进行数据采集，直到管道和土体变形基本稳定时，停止采集，保存数据。

所述水囊阵列能够模拟包括高斯型、阶梯型和Attewell型中任意一种沉降模式。

所述的分布式传感光纤根据预设角度和间距沿管道纵向和环向布设，使布设完成的光纤呈网状分布。

所述图像采集器拍摄的土体照片，采用数字图像相干法或粒子图像测速法进行图像处理，以获得土体的位移场。

有益效果：

1.采用透明钢化玻璃板并设置标记点，通过数字图像相干法或粒子图像测速法进行图像处理，可以精确获得土体的位移场；

2.采用水囊阵列模拟地面沉降，可以模拟多种沉降模式，包括高斯型、阶梯型和Attewell型，模拟装置价格便宜、操作简便、可控制性和可重复性强；

3.基于转动连接而成的变形协调板，既可以起到隔离水囊阵列和上覆土体的作用，亦能协调两者之间的变形，使沉降更为连续且稳定；

4.区别于传统的点式监测手段，采用先进的分布式光纤传感技术和薄膜压力传感技术，可以完整而全面地捕捉管道形变和土体抗力及其随时间发展的趋势，从而在整体上掌握管土相互作用的时空特性和灾变机理；

5.采用自主研发的管道/土体沉降标，还可以实时采集管道和土体的沉降数据，尤其是基于瑞利散射光技术的背光反射仪(Optical Backscatter Reflectometer，简称OBR)，具有相当高的空间分辨率和监测精度，配合螺纹护套光纤制成的土体沉降标，可以极大地提高不同深度处土体沉降值的测量精度和准确度。

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。

图3为本发明实施例的地面沉降模拟装置示意图。

图4为本发明实施例的变形协调板示意图。

图5为本发明实施例的分布式光纤布设示意图。

图6为本发明实施例的管道沉降标示意图。

图7为本发明实施例的土体沉降标示意图。

其中：1.模型箱，2.土体，3.管道，4.地面沉降模拟装置，5.横梁，6.水囊，7.水管，8.集线器，9总水管，10.开关，11.调节阀，12.流量计，13.集水器，14.变形协调板，15.分布式传感光纤，16.OBR背光反射仪，17.薄膜压力传感器，18.数据采集仪，19.管道沉降标，20.激光位移计，21.土体沉降标，22.高像素数码相机，23.计算机，24.喉箍法兰，25.钢板，26.铰链，27.光滑金属管，28.管槽，29.扎带卡箍，30.螺纹护套光纤，31.定滑轮，32.光纤夹具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明方案。

一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，包括模型箱、土体、管道、地面沉降模拟装置及管土量测装置；

所述模型箱由钢板和透明钢化玻璃板制成，模型箱侧面采用透明钢化玻璃板，由此可以观察发生地面沉降时的管土变形情况，底面采用钢板；所述模型箱上部设置一道横梁；所述模型箱内部装填土体；所述土体中埋有管道，管道安装在设计深度处；

所述地面沉降模拟装置包括水囊、水管、集线器、总水管、开关、调节阀、流量计、集水器和变形协调板；所述水囊有多个，其通过水管与集线器连接；所述集线器通过总水管与集水器连接；从集线器向集水器，开关、调节阀和流量计依次设置在总水管上；水囊上部覆盖变形协调板；

所述管土量测装置包括分布式传感光纤、OBR背光反射仪、压力传感器、数据采集仪、管道沉降标、激光位移计、土体沉降标、图像采集器和数据处理器。所述的压力传感器优选薄膜压力传感器。所述的图像采集器优选高像素数码相机，所述的数据处理器优选计算机，所有采集到的数据可以通过数据线传输至计算机上或者通过无线传输；所述分布式传感光纤沿管道全长布设，并固定在管道表面，光纤出露端通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述薄膜压力传感器包裹在管道外侧，通过数据线连接至数据采集仪；所述管道沉降标有多个，其下端与管道固定连接，上端出露，正对激光位移计；所述土体沉降标有多个，其上端与横梁固定连接，下端固定于底板上，所有土体沉降标采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述高像素数码相机分别置于透明钢化玻璃板两侧，用于拍摄与透明钢化玻璃板相接触的土体照片；所述OBR背光反射仪、数据采集仪、激光位移计和高像素数码相机，分别连接至计算机。

作为优选，所述模型箱的左右侧透明钢化玻璃板上设有标记点，用来精确测量土体的位移场。

作为优选，所述模型箱的正面和侧壁设有小孔，用于水管和传输光纤通过。

作为优选，所述管道的两端可以通过喉箍法兰固定在模型箱上。

作为优选，所述的集水器侧壁上设有用于测量液面高度的刻度线。

作为优选，所述的变形协调板由多个钢板转动连接而成，具体可以通过铰链相互连接。

作为优选，所述的变形协调板的上方铺设有一层土工织物。

作为优选，所述的分布式传感光纤采用环氧树脂胶水粘贴在管道表面。

作为优选，所述的管道沉降标由光滑金属管、管槽和扎带卡箍组成，所述的光滑金属管下端固定于卡槽上，卡槽中间穿插扎带卡箍，扎带卡箍与管道紧扣。

作为优选，所述的土体沉降标由螺纹护套光纤、定滑轮、光纤夹具组成，螺纹护套光纤绕过定滑轮呈“U”型布置，定滑轮固定于横梁上，“U”型两端通过光纤夹具固定于底板上。

进一步地，用于所述的分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置的试验方法，包括步骤如下：

步骤一为水囊布置：按沉降类型布置水囊阵列，所有水囊通过集线器连接至排水总管，排水总管上依次设置开关、流量计、调节阀和集水器，最后铺上变形协调板及土工织物；

步骤二为管道固定：在预设高度处，通过喉箍法兰将管道两端固定在模型箱上；

步骤三为管土量测装置安装：量测内容包括管道的应变和沉降，管周土压力以及土体的沉降；按照预设间距在模型箱的两侧透明钢化玻璃板上设置标记点，并在横梁上固定定滑轮和激光位移计；管道外侧由内至外，分别布设分布式传感光纤、薄膜压力传感器和管道沉降标，保证光滑金属管正对激光位移计；对绕过定滑轮的螺纹护套光纤进行预拉之后，土体沉降标两端固定在底板上；在模型箱的外侧放置两台高像素数码相机；将各测量仪器与计算机相连之后，通过数据采集软件自动采集量测数据；

步骤四为土体填筑：将预先配好的土体通过落砂法或分层压实法均匀填筑在模型箱内；

步骤五为数据采集与分析：在水囊开始排水之前，完成数据采集软件的调试工作；首先进行初始数值采集，然后排水模拟地面沉降，直至水囊中的水全部排出；此过程一直进行数据采集，直到管道和土体变形基本稳定时，停止采集，保存数据。

作为优选，所述水囊阵列可以模拟多种沉降模式，包括高斯型、阶梯型和Attewell型。

作为优选，所述的分布式传感光纤，根据预设角度和间距沿管道纵向和环向布设，使布设完成的光纤呈网状分布。

作为优选，所述土体沉降标中的螺纹护套光纤，需要先对其进行预拉，再将两端固定以保持一定的预拉应变。

作为优选，所述高像素数码相机拍摄的土体照片，采用数字图像相干法(DigitalImage Correlation，简称DIC)或粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)进行图像处理，以获得土体的位移场。

实施例：

一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，如图1和图2所示，

它包括模型箱1、土体2、管道3、地面沉降模拟装置4及管土量测装置。

水囊阵列选用3行5列，可模拟二维高斯型沉降、二维阶梯型沉降和三维Attewell型沉降，其对应的水囊数量矩阵为：

和

本实施例模拟二维高斯型沉降，共需要水囊33个。

所述模型箱1的尺寸为长×宽×高＝2m×1m×1m，箱体由透明钢化玻璃板和钢板制成，模型箱1侧面采用透明钢化玻璃板，底面采用钢板；所述模型箱1上部居中位置设置一道横梁5；所述模型箱1内部装填土体2，土体总高度为0.75m；所述土体2中埋有管道3，管径为0.1m，壁厚为3mm，管道3安装高度为0.5m，埋深0.25m；

所述地面沉降模拟装置4包括水囊6、水管7、集线器8、总水管9、开关10、调节阀11、流量计12、集水器13和变形协调板14；所述水囊6有33个，其通过水管7与集线器8连接；所述集线器8通过总水管9与集水器13连接；连接集线器8和集水器13的总水管9上，依次设置开关10、调节阀11和流量计12，如图3所示；水囊6上部覆盖变形协调板14；

所述管土量测装置包括分布式传感光纤15、OBR背光反射仪16、薄膜压力传感器17、数据采集仪18、管道沉降标19、激光位移计20、土体沉降标21、高像素数码相机22和计算机23；所述分布式传感光纤15沿管道3全长布设，并固定在管道3表面，光纤出露端通过传输光纤连接至OBR背光反射仪16，其中光纤选用直径为0.9mm的单模单芯紧包光纤，OBR背光反射仪选用Luna OBR 4600背光反射仪；所述薄膜压力传感器17包裹在管道3外侧，通过数据线连接至数据采集仪18；所述管道沉降标19有4个，其下端与管道3固定连接，上端出露，正对激光位移计20；所述土体沉降标21有3个，其上端与横梁5固定连接，下端固定于底板上，所有土体沉降标21采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至OBR背光反射仪16；所述高像素数码相机22分别置于透明钢化玻璃板两侧，用于拍摄与透明钢化玻璃板相接触的土体照片，其中高像素数码相机选用佳能EOS M6数码相机；所述OBR背光反射仪16、数据采集仪18、激光位移计20和高像素数码相机22，分别连接至计算机23。

本实施例中，所述模型箱1的左右侧透明钢化玻璃板上按20cm间隔均匀贴上4行4列共16个纸质圆形标记点，标记点直径为5mm，用来精确测量土体的位移场。所述模型箱的正面设有10cm×5cm矩形孔，用于水管7通过，侧壁设有直径1cm圆孔，用于传输光纤通过。所述管道3的两端通过喉箍法兰24固定在模型箱1上。所述的集水器13侧壁上设有用于测量液面高度的刻度线。所述的变形协调板14由3行5列共15块钢板25通过铰链26相互连接而成，如图4所示。所述的变形协调板14的上方铺设有一层土工织物。所述的分布式传感光纤15根据预设角度和间距，沿管道纵向和环向布设，采用环氧树脂胶水粘贴在管道3表面，使布设完成的光纤呈网状分布，并通过传输光纤连接至OBR背光反射仪16，最后连接至计算机23，如图5所示。所述的管道沉降标19由光滑金属管27、管槽28和扎带卡箍29组成，所述的光滑金属管27下端固定于管槽28上，管槽28中间穿插扎带卡箍29，扎带卡箍29与管道3紧扣，如图6所示。所述的土体沉降标由螺纹护套光纤30、定滑轮31、光纤夹具32组成，螺纹护套光纤30绕过定滑轮31呈“U”型布置，定滑轮31固定于横梁5上，“U”型两端通过光纤夹具32固定于底板上，如图7所示。

本实施例提供的用于上述分析地面沉降对管土相互作用影响试验装置的试验方法，包括步骤如下：

1)水囊布置：按二维高斯型沉降布置水囊阵列，所有33个水囊6通过集线器8连接至总水管9，总水管9上依次设置开关10、流量计11、调节阀12和集水器13，最后铺上变形协调板14和土工织物；

2)管道固定：在预设高度处，通过喉箍法兰24将管道3两端固定在模型箱1上，安装高度为0.5m，埋深为0.25m；

3)管土量测装置安装：量测内容包括管道的应变和沉降，管周土压力以及土体的沉降；按照预设间距在模型箱1的两侧透明钢化玻璃板上设置标记点，并在横梁5上固定3个定滑轮31和4个激光位移计20，其中3个定滑轮31之间距离为0.5m，距离模型箱1侧壁间距0.5m，4个激光位移计20之间距离也为0.5m，距离模型箱1侧壁间距0.25m；管道3外侧由内至外，分别布设分布式传感光纤15、薄膜压力传感器17和管道沉降标19，保证光滑金属管27正对激光位移计20；对绕过定滑轮31的螺纹护套光纤30进行预拉至2000με之后，土体沉降标21通过光纤夹具32固定在底板上；在模型箱1的外侧放置两台高像素数码相机22，并连续拍摄土体照片；将各测量仪器与计算机23相连之后，通过数据采集软件自动采集量测数据；其中高像素数码相机22拍摄的土体照片，采用粒子图像测速法(PIV)进行图像处理，以获得土体的位移场；

4)土体填筑：将预先配好的5％含水量的砂土，通过落砂法均匀填筑在模型箱1内，最终土体2总高度为0.75m；

5)数据采集与分析：在水囊6开始排水之前，完成数据采集软件的调试工作；首先进行初始数值采集，然后排水模拟地面沉降，直至水囊6中的水全部排出；此过程一直进行数据采集，直到管道3和土体2变形基本稳定时，停止采集，保存数据。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，除此之外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换、等效变换和润饰改进形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，其特征在于，包括模型箱、土体、管道、地面沉降模拟装置及管土量测装置，模型箱下部设有地面沉降模拟装置，模型箱内设有管土量测装置，管道贯穿模型箱，模型箱内填充有土体；

所述模型箱由钢板和透明钢化玻璃板制成，模型箱观测面采用透明钢化玻璃板，底板采用钢板；所述模型箱上部设置横梁；

所述地面沉降模拟装置包括水囊、水管、集线器、总水管、开关、调节阀、流量计、集水器和变形协调板；水囊有多个，水囊通过水管与集线器连接；所述集线器通过总水管与集水器连接；从集线器向集水器方向上，在总水管上依次设置开关、调节阀和流量计；水囊上部覆盖变形协调板；变形协调板的上方铺设有一层土工织物；

所述管土量测装置包括分布式传感光纤、OBR背光反射仪、压力传感器、数据采集仪、管道沉降标、激光位移计、土体沉降标、图像采集器和数据处理器；所述分布式传感光纤沿管道全长布设，并固定在管道表面，光纤出露端通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述压力传感器包裹在管道外侧，数据传输至数据采集仪；所述管道沉降标下端与管道固定连接，上端出露，正对激光位移计；所述的管道沉降标由光滑金属管、管槽和卡箍组成，所述的光滑金属管下端固定于管槽上，管槽中间穿插卡箍，卡箍与管道紧扣；所述土体沉降标上端与横梁固定连接，下端固定于底板上；所述的土体沉降标由螺纹护套光纤、定滑轮、光纤夹具组成，螺纹护套光纤绕过定滑轮呈“U”型布置，定滑轮固定于横梁上，螺纹护套光纤的“U”型两端通过光纤夹具固定于底板上；所有土体沉降标采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至OBR背光反射仪；所述图像采集器分别置于透明钢化玻璃板两侧；所述OBR背光反射仪、数据采集仪、激光位移计和图像采集器的数据均传输至数据处理器。

2.根据权利要求1所述的用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，其特征在于，所述模型箱的左右侧透明钢化玻璃板上设有标记点，用来精确测量土体的位移场。

3.根据权利要求1所述的用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置，其特征在于，所述的变形协调板由若干钢板转动连接而成。

4.使用权利要求2所述的用于分析地面沉降对管土相互作用影响的试验装置的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1）水囊布置：按沉降类型布置水囊阵列，安装好地面沉降模拟装置，最后铺好土工织物；

2）管道固定：在预设高度处，将管道两端固定在模型箱上；

3）管土量测装置安装：按照预设间距在模型箱的两侧透明钢化玻璃板上设置标记点，并在横梁上固定定滑轮和激光位移计；管道外侧由内至外，分别布设分布式传感光纤、压力传感器和管道沉降标，保证光滑金属管正对激光位移计；对绕过定滑轮的螺纹护套光纤进行预拉之后，螺纹护套光纤的“U”型两端固定在底板上；在模型箱的外侧放置好图像采集器；将各测量仪器与数据处理器相连之后，通过数据采集软件自动采集量测数据；量测内容包括管道的应变和沉降，管周土压力以及土体的沉降；

4）土体填筑：将预先配好的土体通过落砂法或分层压实法均匀填筑在模型箱内形成土体；

5）数据采集与分析：在水囊开始排水之前，完成数据采集软件的调试工作；首先进行初始数值采集，然后排水模拟地面沉降，直至水囊中的水全部排出；此过程一直进行数据采集，直到管道和土体变形基本稳定时，停止采集，保存数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水囊阵列用于模拟包括高斯型、阶梯型和Attewell型中任意一种沉降模式。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的分布式传感光纤根据预设角度和间距沿管道纵向和环向布设，使布设完成的光纤呈网状分布。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述图像采集器拍摄的土体照片，采用数字图像相干法或粒子图像测速法进行图像处理，以获得土体的位移场。

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