超重力条件下管道抗隆起性能测试装置

摘要

本发明公开了一种超重力条件下埋地管道隆起时土体抗力性能测试装置，属于管道隆起离心试验技术领域。该装置包括离心机、模型箱、地基土体、管道装置、传力杆系统、位移测试装置、管道拉拔力加载系统以及反力梁。模型箱安装于离心机吊篮内，管道装置埋设模型箱地基土体内。传力杆系统包括轴力计和传力筒。位移测试装置包括激光位移传感器和激光接受片，与荷载加载平台刚性连接。管道拉拔力加载系统包括电机、减速螺旋升降器系统、螺杆、荷载加载平台以及位于螺杆端部的六角螺丝。荷载加载平台通过螺栓与反力梁固定。所述反力梁通过螺栓与模型箱固定。本发明装置构造较简单，适用性广，便于推广，解决了离心加速阶段管土位移协调问题。

说明书

技术领域

本发明属于管道隆起离心试验技术领域，具体涉及一种超重力条件下埋地管道隆起土体 抗力性能测试装置。

背景技术

长输管道是全球范围内油气运输的主要方式和途径，具有管径大、运距长、压力高、输 量大的特点。然而在断层、高温高压等情况下，浅埋管道较易发生屈曲变形，其中大部分失 稳破坏形式表现为竖向隆起变形。正确提供管道隆起过程中上覆土体所能提供的竖向抗力， 有助于确定合理的管线工程设计方案，有针对性地提出加固措施，保证管线工程的安全。

离心机能够再现原型应力应变场，可直接测量原型大直径管道上覆土体抗力，是研究大 直径管道竖向隆起特性的有效工具。然而，尚未有可用于离心机上的管道抗隆起性能测试装 置，管道隆起土体抗力性能的测试通常采用常重力试验方法，仅能对小直径管道进行研究； 试验过程中，管道隆起现象主要通过给管道施加一个竖向外力的手段来实现，管道与加载装 置采用刚性连接。如果将现有的试验测试装置应用于离心模式试验，一方面千斤顶加载装置 体积及自重过大，在高加速场中安装及调整极不方便；另一方面，受加载装置刚性连接的限 制，离心机加速过程中管道与土体间位移无法协调，从而导致试验测试结果错误。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超重力条件下埋地管道隆起土体抗力 性能测试装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超重力条件下管道抗隆起性能测试装 置，包括离心机、模型箱、管道装置、传力杆系统、位移测试装置、管道拉拔力加载系统以 及反力梁。所述的模型箱安装于离心机吊篮内，模型箱中铺设有地基土体，地基土体中埋有 管道装置。所述管道装置包括模型管道，管道传力环以及管道拉杆三部分；管道传力环套在 模型管道外部，管道拉杆与管道传力环机械连接。所述反力梁由两根方钢组成，两根方钢平 行固定于模型箱上。所述管道拉拔力加载系统包括安装于模型箱外侧的电机、减速螺旋升降 器系统、螺杆、荷载加载平台以及位于螺杆端部的六角螺丝；电机固定在减速螺旋升降器系 统上，减速螺旋升降器系统固定在荷载加载平台上，荷载加载平台通过螺栓与反力梁固定。 传力杆系统包括轴力计和传力筒；轴力计下端与管道装置连接在一起；所述的传力筒包括传 力筒内六角螺栓、中空传力筒和传力筒连接杆；中空传力筒通过内六角螺栓与轴力计连接， 通过连接杆与管道拉拔力加载系统固定，中空传力筒和传力筒内六角螺栓互不接触。位移测 试装置包括激光位移传感器和激光接受片；激光位移传感器与荷载加载平台刚性连接，激光 接受片安装于轴力计上方。

进一步地，所述的地基土体材料需根据具体试验条件选用，包括砂土、粘土、粉土等多 种土质地基。

进一步地，所述的模型管道材料可为铝、钢、混凝土、pvc或有机玻璃等，具体尺寸根 据试验情况选择；所述的管道传力环内径比模型管道外径大1mm，管道传力环顶部开有直径 10mm螺孔，管道拉杆通过该螺孔与管道传力环机械连接，管道拉杆直径10mm。管道传力环 与拉杆均由铝材制成，自重较轻，且能保证试验所需的强度和刚度。

进一步地，所述的中空传力筒和传力筒内六角螺栓间留有间距(约8mm)，电机启动前， 两者间互不接触，以保证离心机在加速阶段管土位移协调。

进一步地，所述的电机与减速螺旋升降器系统通过螺丝固定，可方便拆换。电机运行过 程中可带动减速螺旋升降器系统，使螺杆产生向上或者向下的位移。螺杆端部的六角螺丝用 于固定传力杆系统，保证试验过程中螺杆、传力筒连接杆以及中空传力筒间不产生相对变形。 荷载加载平台四角处开有孔洞，通过4个直径为12mm的螺栓与反力梁固定。

进一步地，所述反力梁由两根长70cm、截面尺寸为4cm×6cm的方钢组成，方钢两端相 应位置处开有螺孔，通过4个直径为12mm的螺栓与模型箱固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的结构简单，操作性强，拆装方便，且易于改造，可根据原有系统构架开发 新的用途。

(2)管道拉拔力加载系统和模型箱相互独立，避开了试验模型箱在制样后内部空间尺寸 狭窄的限制，且适宜于各种模型制样方式。

(3)本发明适用性广，可适用于粘土、粉土等多种土质类型的地基。

(4)传力杆系统中设置传力筒装置，满足加载系统刚性连接的基础上，实现离心机加速 过程中管道与土体间位移协调，保证试验测试结果正确可靠。

(5)本设备原理简单，可用于不同管径、不同埋置位置、不同埋深比的管道隆起试验， 同时可以模拟不同隆起速率及隆起位移。

(6)本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的A-A剖面图；

图3是本发明的B-B剖面图；

图4是传力杆系统结构详图；

图5是离心机工作原理示意图；

图中：离心机1；离心机吊篮1-1；模型箱2；地基土体3；管道装置4；模型管道4-1；管 道传力环4-2；管道拉杆4-3；传力杆系统5；轴力计6；传力筒7；传力筒内六角螺栓7-1；中 空传力筒7-2；传力筒连接杆7-3；位移测试装置8；激光位移传感器8-1；激光接受片8-2；管 道拉拔力加载系统9；电机9-1；减速螺旋升降器系统9-2；螺杆9-3；荷载加载平台9-4；反力 梁10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2、3所示，本发明是超重力条件下管道抗隆起性能测试装置，包括离心机1、 模型箱2、管道装置4、传力杆系统5、位移测试装置8、管道拉拔力加载系统9以及反力梁 10。

所述的模型箱2安装于离心机1吊篮1-1内，模型箱2中铺设有地基土体3，地基土体3 材料根据具体试验条件选用，包括砂土、粘土、粉土等多种土质类型的地基。地基土体3中 埋有管道装置4。

所述管道装置4包括模型管道4-1、管道传力环4-2以及管道拉杆4-3三部分。模型管道 4-1材料可为铝、钢、混凝土、pvc或有机玻璃等，具体尺寸根据试验情况选择。管道传力环 4-2套在模型管道4-1外部，其内径比模型管道4-1外径大1mm左右，管道传力环4-2顶部开 有直径10mm螺孔，管道拉杆4-3通过该螺孔与管道传力环4-2机械连接，管道拉杆4-3直径 10mm。管道传力环4-2与拉杆4-3均由铝材制成，自重较轻，且能保证试验所需的强度和刚 度。

如图4所示，所述传力杆系统5包括轴力计6和传力筒7。所述的传力筒7包括传力筒 内六角螺栓7-1、中空传力筒7-2和传力筒连接杆7-3。中空传力筒7-2通过内六角螺栓7-1 与轴力计6连接，通过连接杆7-3与管道拉拔力加载系统9固定。装置安装过程中，中空传 力筒7-2和传力筒内六角螺栓7-1间须留有一定间距(8mm左右)，保持不接触状态，以保证 离心机1加速阶段管土位移协调。轴力计6下端与管道装置4连接在一起。

如图1、2、3所示，所述的位移测试装置8包括激光位移传感器8-1和激光接受片8-2。 激光位移传感器8-1与荷载加载平台9-4刚性连接，试验过程中激光位移传感器8-1与模型箱 2保持相对静止；激光接受片8-2安装于轴力计6上方，与管道装置4保持相对静止。激光传 感器8-1通过感应激光接受片8-2来测量模型管道4-1的实际位移。

所述管道拉拔力加载系统9包括安装于模型箱外侧的电机9-1、减速螺旋升降器系统9-2、 螺杆9-3、荷载加载平台9-4以及位于螺杆9-3端部的六角螺丝9-5。减速螺旋升降器系统9-2 固定在荷载加载平台9-4上，电机9-1与减速螺旋升降器系统9-2间通过螺丝固定，可方便拆 换。电机9-1运行过程中可带动减速螺旋升降器系统9-2，使螺杆9-3产生向上或者向下的位 移。螺杆9-3端部的六角螺丝9-5用于固定传力杆系统5，保证试验过程中螺杆9-3、传力筒 连接杆7-3以及中空传力筒7-2间不产生相对变形。荷载加载平台9-4四角处开有孔洞，通过 4个直径为12mm的螺栓与反力梁10固定。

所述反力梁10由两根长70cm、截面尺寸为4cm×6cm的方钢组成，方钢两端相应位置 处开有螺孔，通过4个直径为12mm的螺栓与模型箱2固定。

本发明工作原理如下：

试验前在模型箱2内填充地基土体3材料，当地基土体3达到管道设计埋深时，放置管 道装置4，再覆盖剩余地基土体3，完成管道隆起试验前场地模型的制备。将轴力计6与管道 连接杆4-3用加长螺母固定，同时在轴力计6上方放置激光接受片8-2。在模型箱2上方安装 反力梁10，随后将管道拉拔力加载系统9安放在预定位置，并将管道装置4、传力杆系统5 以及管道拉拔力加载系统9三者连接固定在一起。在装置安装过程中，内六角螺栓7-1与中 空传力筒7-2不能接触，两者间须留有一定间距，约8mm，如图2、3、4所示。

如图5所示，将模型箱2安装在离心机1吊篮1-1上，连接好数据采集仪后，开启离心 机1进行试验。离心加速过程中，受反力梁10刚性连接的约束，管道拉拔力加载系统9、激 光位移传感器8-1、传力筒连接杆7-3以及中空传力筒7-2不产生位移变形；地基土体3受到 超重力作用，会产生相应的沉降，约5mm；管道装置4、轴力计6以及传力筒内六角螺栓7-1 会随着土体的沉降变形而下沉。由于试验前，内六角螺栓7-1的螺栓头与中空传力筒7-3间 无接触，且两者间留有足够间距，因此离心加速阶段中管道拉拔力加载系统9不会限制管道 装置4的位移，管道与土体间可以保持位移协调，保证试验结果的准确性。离心机1加速到 设定G值，土体不再发生变形后，开启电机9-1，拉拔力加载系统上9的螺杆9-3在电机9-1 的带动下开始向上位移，传力筒连接杆7-3以及中空传力筒7-2也随之移动。一段时间后， 中空传力筒7-2与传力筒内六角螺栓7-1开始接触，管道装置4受上拔力作用随螺杆9-3匀速 向上位移。管道上拔过程中，激光位移传感器8-1和轴力计6可以实时测量管道的位移和轴 力，直至位移达到试验设计值，关闭电机，停止试验。