CN110057688A - 一种寒区管道管土界面力学性能参数试验*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寒区管道管土界面力学性能参数试验***，它包含用于盛装冻结土样的剪切盒、保证试验所需恒定温度的温控箱、试验过程中监测土样冻胀变形和管土相对运动的测试装置、实时监测试验过程中的冻结土样位移变化、竖向荷载大小、水平向位移及荷载大小的监测装置、提供水平向荷载和竖向荷载的加载***以及数据采集***。本发明结构简单、设计合理且实用操作简便、实用效果好，能在室内模拟寒区管土界面的相对运动，并能对试验过程中冻结土样内部温度、管土界面层的相对位移及荷载进行有效测试。

Description

一种寒区管道管土界面力学性能参数试验***

技术领域

本发明具体涉及寒区管道管-土界面力学性能参数试验***及测定方法，属于土工试验仪器技术领域。

背景技术

管-土界面问题是管-土相互作用研究领域的热点问题，管-土界面层的力学响应对寒区输油管道的性状有重要影响。近年来，随着输油气管线等寒区生命线工程的大量兴建，冻胀融沉已成为我国寒区生命线工程建设过程中所面临的最主要的工程灾害，严重威胁着生命线工程的营运安全。我国冻土面积分布广泛，其中多年冻土约占国土面积的22.3％，高海拔多年冻土面积世界之最，而季节性冻土分布更广泛。陆上油气管道历经上述冻土区等地质复杂地段时，由于其输送的高温高压油气易使沿线的冻土发生冻胀和融沉灾害，寒区埋地管道易发生“露管”现象，严重时产生屈曲变形(1)寒区输油气管道工程沿线土体温度的变化，(2)土体内部水分的迁移与结冰膨胀及(3)土体的冻胀变形。土体在冻胀变形过程中，其内部温度随环境温度的变化而变化，土中水结冰膨胀、体积增大，因此，温度变化引起土体中含水量、孔隙水压力等发生变化，并引起土体的孔隙率、渗透特性等主要参数及水-热-力耦合特性的改变；温度变化易使土体内部产生温度梯度，而土中水因温度梯度发生迁移，土中部分水因温度梯度结冰膨胀，从而造成土体冻胀融沉变形，诱发寒区埋地输油气管道屈曲变形甚至破坏，原油泄漏造成严重的环境污染和巨大的经济损失。

目前，在寒区管土相互作用领域中，管土界面问题引起国内外研究学者和设计人员的广泛关注，研究土体冻胀或融沉与埋地管道之间的相互作用方法主要有理论研究、有限元分析以及模型试验。其中，理论研究和有限元分析方法主要研究冻胀或融沉作用下引起埋地管道屈曲变形位移及管道自身的应力应变水平；模型试验方法研究管道被动受力作用下的竖向运动及其在不同环境温度作用下的管道变形比尺试验，得到土体抗力与管道位移之间的变化关系，而影响管道屈曲变形至关重要的管土界面力学特性很少有报道，详见文献<Nixon,J.F.,Morgenstern,N.R.,Reesor,S.N.,1983.Frost heave-pipelineinteraction using continuum mechanics.Canadian Geotechnical Journal,20(2):251-261.>、文献<Selvadurai,A.P.S.,Hu,J.,Konuk,I.,1999b.Computational modellingof frost heave induced soil-pipeline interaction II:Modelling of experimentsat the Caen test facility.Cold Regions Science and Technology,29(3):229-257.>、文献<Hawlader,B.C.,Morgan,V.,Clark,J.I.,2006.Modelling of pipeline underdifferential frost heave considering post-peak reduction of uplift resistancein frozen soil.Canadian geotechnical journal,43(3):282-293.>和文献<Nishimura,S.,Gens,A.,Olivella,S.,Jardine,R.J.2009.THM-coupled finite element analysisof frozen soil:formulation and application.Géotechnique,59(3),159.>；国内外主要采用《输油管道工程设计规范》(GB 50253-2014)、《油气长输管道工程施工及验收规范》(GB50369-2014)、《ALA Guidelines for the design of buried steel pipe(2001)》以及美国API石油规范这些规范对寒区输油气管线进行设计，其中对管土界面力学特性的界面无明确界定。为了研究管土界面力学特性参数在不同温度梯度作用下的变化规律，通过施加竖向位移、竖向应力、剪切位移、剪切应力，根据管土界面摩察角和抗剪强度，建立管土界面的应力应变物理模型。

管-土界面层力学特性是当寒区输油管道与冻土产生相对移动时，管-土界面层的抗滑动特性，这种抗滑动特性R_m可定义为管-土界面层的抗剪强度(及抗滑动能力)与冻土自身抗剪强度之比，即

式中R_m—寒区管-土界面层抗滑动能力；

τ_psf—寒区管-土界面层抗剪强度；

τ_sf—冻土抗剪强度；

因此，寒区管-土界面层抗滑能力与温度、粗糙度、冻土性状、管-土界面摩察角、抗剪强度等因素有关。同一种管道表面材料与不同土体的相互作用特性是不同的，即对于冻结砂土和冻结粘土，寒区管-土界面层抗滑能力R_m值是不同的，必须通过不同管道表面材料和不同冻结土样在不同温度下进行试验研究确定。

因此需要寒区管道管-土界面力学性能参数试验***及测定方法，通过施加试验所需荷载，监测管土界面相对位移，得到管土界面之间的荷载位移曲线及应力应变关系。

发明内容

本发明目的是提供一种寒区管道管土界面力学性能参数试验***，它能有效地解决背景技术中所存在的问题。

为了解决背景技术中所存在的问题，包括支架装置、管土界面装置、检测装置、数据采集装置、加载装置，所述支架装置包括温控箱、基座、立柱、横梁，温控箱提供试验所需恒定低温，并安装在基座上，立柱和横梁用于保证竖向加载的稳定性；所述管土界面装置安装在底板上，并置于温控箱内，其包括冻结土样、剪切盒、管道表面保温材料和结构面板；所述检测装置包括温度传感器、轴力传感器、位移传感器，温度传感器置于冻结土样内部，轴力传感器安装在传力杆上，位移传感器安装在结构面板侧面、加压承载板和温控箱内侧；所述数据采集装置包括笔记本电脑、数据采集仪、数据采集线连接全部传感器并通过数据采集仪连接笔记本电脑；所述加载装置包括伺服电机、减速机、传力杆、砝码、导向杆、加压承载板，伺服电机和减速机安装在底座上、传力杆用于传递施加的水平向荷载于结构面板上、导向杆固定在加压承载板和温控箱内部，砝码安装在导向杆上。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明旨在直接测试管道与土体之间的相对运动，通过加载***施加水平向、竖向荷载，模拟管道相对运动、管道上浮土体抗力，通过监测***量测管道与土体的相对位移与轴向土体抗力大小，得出管道与土体接触面的剪切层土体的位移-荷载关系，从而得到接触面剪切层土体的应力应变关系，分析得出影响管道界面与土体之间抗剪能力的主要性能参数，为寒区管道管-土界面力学性能及寒区管道设计提供参数依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中底板的俯视图；

图3是本发明中底板的仰视图；

图4是本发明中结构面板的仰视图；

图5是本发明中剪切盒的仰视图。

1—基座； 2—立柱； 3—温控箱；

4—支脚； 5—底板； 6—定向滑轮；

8—管道表面保温材料

7—结构面板； (硬质聚乙烯塑料、玻璃棉毡)； 9—剪切盒；

10—冻结土样； 11—固定杆； 12—温度传感器；

13—加压承载板； 14—砝码； 15—位移传感器；

16—导向杆； 17—横梁； 18—固定螺母；

19—轴力传感器； 20—数据采集线； 21—数据采集仪；

22—笔记本电脑； 23—减速机； 24—伺服电机；

25—底座； 26—传力杆； 27—导轨。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参看图1-5，本实施例包括支架装置、管土界面装置、检测装置、数据采集装置、加载装置，所述支架装置包括温控箱3、基座1、立柱2、横梁17，温控箱提供试验所需恒定低温，并安装在基座1上，立柱2和横梁17用于保证竖向加载的稳定性；所述管土界面装置安装在底板5上，并置于温控箱3内，其包括冻结土样10、剪切盒9、管道表面保温材料8和结构面板7；所述检测装置包括温度传感器12、轴力传感器19、位移传感器15，温度传感器12置于冻结土样10内部，轴力传感器19安装在传力杆26上，位移传感器15安装在结构面板7侧面、加压承载板13和温控箱3内侧；所述数据采集装置包括笔记本电脑22、数据采集仪21、数据采集线20连接全部传感器并通过数据采集仪21连接笔记本电脑22；所述加载装置包括伺服电机24、减速机23、传力杆26、砝码14、导向杆16、加压承载板13，伺服电机24和减速机23安装在底座25上、传力杆26用于传递施加的水平向荷载于结构面板7上、导向杆16固定在加压承载板13和温控箱3内部，砝码14安装在导向杆上。

在本实施例中温控箱3：Xutemp XT5402-TC150；

数据采集仪21：Campbell CR3000；

温度传感器12：Geo-expert Thermo PT100；

位移传感器15：Geo-expert LVDT100；

轴力传感器19：JLBM(上海维和测控科技有限公司生产)，也可以根据实际条件选用其它型号的器件。

实施例2

本实施例中，本发明技术方案有支架装置，包括保证试验所需温度的温控箱3，将其置于基座1上，保证温控箱的稳定。温控箱3为整个试验***提供试验温度(-20℃～40℃)，为了确保竖向加载的稳定性，立柱2、横梁17和固定螺母18用于固定导向杆16，保证砝码14加载位于竖向中心线处。

本实施例中，本发明技术方案有管土界面装置，包括冻结土样10，将其安装在剪切盒9中，冻结至实验所需温度，并置于管道表面保温材料8上。其中，剪切盒9经固定杆11固定在温控箱3内，防止剪切盒发生水平向位移。为了测定冻结土样的内部温度变化，将温度传感器12埋设在冻结土样10中，并与采集仪21和笔记本电脑22数据实时交互；管道表面保温材料8，固定在结构面板7上，并经定向滑轮6置于底板5上，为了保证加载***提供水平向荷载，调节支脚4的高度，确保传力杆26固定在结构面板7左侧正中心处，并与减速机23输出荷载处保持同一高度。

本实施例中，本发明技术方案有检测装置和数据采集装置，包括水平向的两个位移传感器15监测管道表面保温材料8的水平向位移，竖向对称的两个位移传感器15监测冻结土样10顶部位移变化、其对称布置的目的在于监测加压承载板两侧的位移变化。水平向的轴力传感器19监测伺服电机24和减速机23所施加的水平向荷载大小，而竖向的轴力传感器19监测砝码14所施加的竖向荷载大小。温度传感器12监测冻结土样10中内部温度变化，以确保土样温度达到试验要求。其位移传感器15，轴力传感器19和温度传感器12经数据采集线20与采集仪21和笔记本电脑22数据实时交互，可实时监测冻结土样的温度场、变形场及管土界面层的相对位移，并进行数据处理与整理分析。

本实施例中，本发明技术方案有加载装置，包括伺服电机24和减速机23施加实验所需的水平向位移或轴力，并将伺服电机24和减速机23置于底座25上，保证其稳定，不具有任何方向的位移。轴力传感器19用于监测施加管道轴力大小，管道表面材料位移由位移传感器15检测，并将结构面板7和管道表面材料8经定向滑轮置于底板5上。通过砝码14经加压承载板13施加冻结土样10顶部的荷载位移，导向杆16保证砝码14施加荷载于冻结土样10竖向中心线位置处，通过位移传感器15监测冻结土样10在整个试验过程中的位移变化，并经数据采集线20与采集仪21和笔记本电脑22数据实时交互

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种寒区管道管土界面力学性能参数试验***，包括支架装置、管土界面装置、检测装置、数据采集装置、加载装置，其特征在于，所述支架装置包括温控箱、基座、立柱、横梁，温控箱提供试验所需恒定低温，并安装在基座上，立柱和横梁用于保证竖向加载的稳定性；所述管土界面装置安装在底板上，并置于温控箱内，其包括冻结土样、剪切盒、管道表面保温材料和结构面板；所述检测装置包括温度传感器、轴力传感器、位移传感器，温度传感器置于冻结土样内部，轴力传感器安装在传力杆上，位移传感器安装在结构面板侧面、加压承载板和温控箱内侧；所述数据采集装置包括电脑、数据采集仪、数据采集线连接全部传感器并通过数据采集仪连接电脑；所述加载装置包括伺服电机、减速机、传力杆、砝码、导向杆、加压承载板，伺服电机和减速机安装在底座上、传力杆用于传递施加的水平向荷载于结构面板上、导向杆固定在加压承载板和温控箱内部，砝码安装在导向杆上。