CN111044347B - 一种测定埋置管道所受浮力的试验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定埋置管道所受浮力的试验装置和方法，包括试验槽和试验管道，试验管道放置于试验槽中，并在试验管道下部铺设抛石基床，在试验槽中铺设回填土；在试验管道外壁上布设有N个压强传感器，用以测定试验管道不同位置受到回填土的力；在抛石基床内预埋拉力传感器，用于测定试验管道受到的上浮力；在试验管道两侧的回填土中布设有M列压强检测点，用于测量不同区域不同高度处回填土的压强，以控制试验过程土体回填的均匀性。根据试验停止时试验管道外壁上的压强传感器的数据，计算等效压力系数，再根据等效压力系数计算实际工程中管道承受的浮力。

Description

一种测定埋置管道所受浮力的试验装置和方法
技术领域
本发明属于海底埋置管道监测技术领域，具体涉及一种测定埋置管道所受浮力的试验装置和方法。
背景技术
随着陆地资源的过度开发，人口的急剧膨胀，环境问题的日益恶化，世界沿海各国纷纷将投资的目光转移到了海洋，加快了对海洋的开发和利用，并且将其对海洋的开发能力作为衡量该国综合科技能力的重要标准。
随着我国海洋工程的高速发展，海底管道运输方式具有运量大、造价低、运输安全等优点，被广泛应用于油气工程、电力工程和给排水工程中。然而，对于浅海的埋置管道时常发生管道上浮的情况，管道上浮引发的较大竖向变形会严重威胁管道的使用安全。诸多研究表明，在相同条件下，管道周边土体提供的上浮承载力是决定埋置管道是否发生竖向变形的关键因素，尤其是回填土为软土时，管道的上浮承载力与管道埋深、土体特性、加载方式等有直接的关系。
目前，国内外对于埋置管道上浮承载力的研究主要基于模型试验和数值分析，Bransby等利用离心模型试验研究了不同固结度软土的上浮承载力，并提出了基于平均固结度的上浮承载力计算方法。Hodder等基于一系列离心模型试验提出了预测软土中管道水平和竖向受力特性的加工硬化塑性模型。Newson等通过有限元法讨论了管道埋深对软土破坏模式和上浮承载力的影响。Martin等通过有限元法研究了不排水条件下软土的上浮承载力，并根据管周软土的不同破坏模式分别给出了建议的计算方法。对于离心模型试验，其采用的管道模型通常较小，回填土尺寸往往大于管道尺寸或与管道尺寸相当，其结果受到土块尺寸以及两者相对位置的影响，因而有必要进行室内模型试验测定回填土对管道的浮力大小，依确定管道的竖向在位稳定性。
因此，为了准确预测埋置管道的在位稳定性，为海底管道的工程设计提供有效参数，本专利详细说明了一种测定埋置管道所受浮力的试验方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测定埋置管道所受浮力的试验装置和方法，主要通过室内模型试验测定回填土对管道的浮力大小，并根据测定结果分析管道是否具有上浮风险，为实际工程提供数据支持。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种测定埋置管道所受浮力的试验装置，包括试验槽和试验管道，试验管道放置于试验槽中，并在试验管道下部铺设与实际工程材质相一致的抛石基床，在试验槽中铺设回填土；
在试验管道外壁上布设有N个压强传感器，用以测定试验管道不同位置受到回填土的力；在抛石基床内预埋拉力传感器，用于测定试验管道受到的上浮力，拉力传感器的底端与试验槽底面固定，拉力传感器的顶端与试验管道的最低端刚性连接；
在试验管道两侧的回填土中布设有M列压强检测点，用于测量不同区域不同高度处回填土的压强，每列压强检测点包括竖直布置的多个压强检测点，每个压强检测点设置有上、下、左、右四个压强传感器，分别用于检测该压强检测点处的上、下、左、右四个方向的压强大小。
在上述技术方案中，试验槽宽度为20倍试验管道直径，长度为2倍试验管道长度。
在上述技术方案中，抛石基床宽度大于实验管道直径20cm，抛石基床长度与试验管道一致。
在上述技术方案中，在试验管道的每个测量断面的管道外壁上均匀布设16个压强传感器。
在上述技术方案中，在试验管道两侧0.5倍直径位置和1.5倍直径位置布设四列压强检测点。
在上述技术方案中，每列压强检测点包括竖直布置的四个压强检测点，从上至下依次为第一压强检测点、第二压强检测点、第三压强检测点盒第四压强检测点，第一压强检测点和第二压强检测点之间的距离为0.4倍试验管道直径，第二压强检测点和第三压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径，第三压强检测点和第四压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径。
利用上述试验装置进行试验的具体步骤如下：
步骤1.根据试验场地情况，对实际工程中所用到的管道进行等比尺几何缩小，在几何比尺确定后，制造相应大小的试验槽和试验管道；
步骤2.在试验槽中铺设抛石基床，并在抛石基床中埋测拉力传感器；
步骤3.在试验管道外壁上布设的压强传感器，然后将试验管道铺设于抛石基床上，并将拉力传感器顶端与试验管道底部固定连接；
步骤4.向试验槽中逐层铺设回填土，在铺设回填土过程中，在试验管道两侧预定的各个压强检测点的位置，埋设压强传感器；回填土的铺设速度根据现场的实际回填速度确定；
步骤5.在回填土的过程中，对试验管道两侧土体中的各列压强检测点处的各个压强传感器进行实时采样，并将各列压强检测点中相同高度位置的压强检测点处的相同方向上的压强传感器进行对比，以控制试验过程土体回填的均匀性；
步骤6.在整个回填过程中，当拉力传感器出现正的拉力值时，代表管道已经出现上浮，此时应立即停止试验，并记录此时的试验管道外壁上的各个压强传感器的数据θ(h)，h表示当前时刻各个压强传感器与回填土上表面间的垂直距离；若整个回填过程中，拉力传感器一直没有出现正的拉力值，则当回填土覆盖管道上表面时，停止试验；
步骤7.根据试验停止时试验管道外壁上的压强传感器的数据θ(h)，计算等效压力系数K(h)：
其中，γ为回填土的湿容重。
步骤8.根据等效压力系数K(h)计算实际工程中管道承受的浮力F：
其中，D代表实际工程中的管道的直径；
步骤9.当根据公式(2)所得的浮力F大于实际工程管道总重时，可判断管道在施工过程中会出现上浮现象。
本发明的优点和有益效果为：
本发明可有效应用于浅海区域埋置管道竖向在位稳定性的研究，为海底管道在位稳定性的设计提供更加可靠的设计参数。本发明根据海底管道受到的压强和拉力，确定埋置管道受到土体的上浮力。
附图说明
图1是试验槽内部的结构示意图。
图2是试验槽内部填充回填土后的示意图。
图3是试验管道外壁布设压强传感器和拉力传感器的断面图。
图4是试验管道两侧的压强检测点布置图。
图5是试验管道侧部的压强检测点具体布置结构图。
其中：
1：试验槽，2：抛石基床，3：试验管道，4：回填土，5：压强传感器，6：拉力传感器，7：压强检测点。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
参见附图1-2，一种测定埋置管道所受浮力的试验装置，包括试验槽1、试验管道3、抛石基床2和回填土4。
试验槽1宽度为20倍试验管道直径，长度为2倍试验管道长度，试验管道3下部铺设与实际工程材质相一致的抛石基床2，抛石基床宽度为大于实验管道直径20cm，抛石基床长度与试验管道3一致。
在试验管道3外壁上布设压强检测点，并在抛石基床内预埋测量上浮力的拉力传感器6。如图3所示，具体来讲，在试验管道的每个测量断面的管道外壁上均匀布设16个压强传感器5用以测定试验管道不同位置受到回填土的力，以及在抛石基床2内预埋拉力传感器6用于测定试验管道受到的上浮力，拉力传感器6的底端与试验槽1底面固定，拉力传感器6的顶端与试验管道3的最低端刚性连接。
参见附图4，图中D代表试验管道的直径，在试验管道3两侧0.5倍直径位置和1.5倍直径位置布设四列压强检测点7，用于测量不同区域不同高度处回填土的压强。参见附图5，具体布置方式为：每列压强检测点包括竖直布置的四个压强检测点，从上至下依次为第一压强检测点、第二压强检测点、第三压强检测点盒第四压强检测点，第一压强检测点和第二压强检测点之间的距离为0.4倍试验管道直径，第二压强检测点和第三压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径，第三压强检测点和第四压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径；每个压强检测点设置有上、下、左、右四个压强传感器，分别用于检测该压强检测点处的上、下、左、右四个方向的压强大小。
进一步的说，上述所有压强传感器以及拉力传感器6均与数据采集器连接，已进行数据采集和显示。
实施例二
上述试验装置的具体试验步骤如下：
步骤1.根据试验场地情况，对实际工程中所用到的管道进行等比尺几何缩小，缩小比例控制在1:1～10:1之间为宜。在几何比尺确定后，制造相应大小的模型槽和管道；
步骤2.在试验槽中铺设抛石基床，并在抛石基床中埋测拉力传感器6；
步骤3.在试验管道管壁上布设的压强传感器5，然后将试验管道铺设于抛石基床上，并将拉力传感器6顶端与试验管道固定连接；
步骤4.向试验槽中逐层铺设回填土4，在铺设回填土过程中，在试验管道3两侧预定的各个压强检测点的位置，埋设压强传感器；回填土的铺设速度根据现场的实际回填速度确定；
步骤5.在回填土的过程中，对试验管道两侧的四列压强检测点处的各个压强传感器进行实时采样，获得试验管道两侧水平距离为0.5D和1.5D位置处不同回填高度处的各个方向(即上、下、左、右四个方向)压强传感器数据，并将四列压强检测点中相同高度位置的压强检测点处的相同方向上的压强传感器进行对比(例如，第一列的最底部的压强检测点处的下方向压强传感器与第二列的最底部的压强检测点处的下方向压强传感器与第三列的最底部的压强检测点处的下方向压强传感器与第四列的最底部的压强检测点处的下方向压强传感器等四个压强传感器进行对比)，采用差值大小验证试验过程土体回填的均匀性，若相差小于5％则说明土体回填均匀，满足试验要求，若相差超过5％说明土体回填不均匀，需要重新填土开展试验；
步骤6.在整个回填过程中，当拉力传感器6出现正的拉力值时，代表管道已经出现上浮，此时应立即停止试验，并记录此时的试验管道外壁上的16个压强传感器5的数据θ(h)，h表示当前时刻各个压强传感器5与回填土上表面间的垂直距离；若整个回填过程中，拉力传感器6一直没有出现正的拉力值，则当回填土覆盖管道上表面时，停止试验；
步骤7.根据试验停止时试验管道外壁上的16个压强传感器5的数据θ(h)，计算等效压力系数K(h)：
其中，γ为回填土的湿容重。
步骤8.根据等效压力系数K(h)计算实际工程中管道承受的浮力F：
其中，D代表实际工程中的管道的直径；
步骤9.当根据公式(2)所得的浮力F大于实际工程管道总重时，可判断管道在施工过程中会出现上浮现象。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测定埋置管道所受浮力的试验装置，其特征在于：包括试验槽和试验管道，试验管道放置于试验槽中，并在试验管道下部铺设与实际工程材质相一致的抛石基床，在试验槽中铺设回填土；
在试验管道外壁上布设有N个压强传感器，用以测定试验管道不同位置受到回填土的力；在抛石基床内预埋拉力传感器，用于测定试验管道受到的上浮力，拉力传感器的底端与试验槽底面固定，拉力传感器的顶端与试验管道的最低端刚性连接；
在试验管道两侧的回填土中布设有M列压强检测点，用于测量不同区域不同高度处回填土的压强，每列压强检测点包括竖直布置的多个压强检测点，每个压强检测点设置有上、下、左、右四个压强传感器，分别用于检测该压强检测点处的上、下、左、右四个方向的压强大小；
在试验管道的每个测量断面的管道外壁上均匀布设16个压强传感器；
在试验管道两侧0.5倍直径位置和1.5倍直径位置布设四列压强检测点；
每列压强检测点包括竖直布置的四个压强检测点，从上至下依次为第一压强检测点、第二压强检测点、第三压强检测点盒第四压强检测点，第一压强检测点和第二压强检测点之间的距离为0.4倍试验管道直径，第二压强检测点和第三压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径，第三压强检测点和第四压强检测点之间的距离为0.3倍试验管道直径；
试验槽宽度为20倍试验管道直径，长度为2倍试验管道长度。
2.根据权利要求1所述的测定埋置管道所受浮力的试验装置，其特征在于：抛石基床宽度大于实验管道直径20cm，抛石基床长度与试验管道一致。
3.利用权利要求1所述的试验装置进行试验的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1. 根据试验场地情况，对实际工程中所用到的管道进行等比尺几何缩小，在几何比尺确定后，制造相应大小的试验槽和试验管道；
步骤2. 在试验槽中铺设抛石基床，并在抛石基床中埋测拉力传感器；
步骤3. 在试验管道外壁上布设的压强传感器，然后将试验管道铺设于抛石基床上，并将拉力传感器顶端与试验管道底部固定连接；
步骤4. 向试验槽中逐层铺设回填土，在铺设回填土过程中，在试验管道两侧预定的各个压强检测点的位置，埋设压强传感器；回填土的铺设速度根据现场的实际回填速度确定；
步骤5. 在回填土的过程中，对试验管道两侧土体中的各列压强检测点处的各个压强传感器进行实时采样，并将各列压强检测点中相同高度位置的压强检测点处的相同方向上的压强传感器进行对比，以控制试验过程土体回填的均匀性；
步骤6. 在整个回填过程中，当拉力传感器出现正的拉力值时，代表管道已经出现上浮，此时应立即停止试验，并记录此时的试验管道外壁上的各个压强传感器的数据θ(h)，h表示当前时刻各个压强传感器与回填土上表面间的垂直距离；若整个回填过程中，拉力传感器一直没有出现正的拉力值，则当回填土覆盖管道上表面时，停止试验；
步骤7. 根据试验停止时试验管道外壁上的压强传感器的数据θ(h)，计算等效压力系数K(h)：
(1)
其中，γ为回填土的湿容重；
步骤8. 根据等效压力系数K(h)计算实际工程中管道承受的浮力F：
(2)
其中，D代表实际工程中的管道的直径；
步骤9. 当根据公式（2）所得的浮力F大于实际工程管道总重时，可判断管道在施工过程中会出现上浮现象。
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