一种埋地管道的模拟试验装置的制作方法

1.本发明涉及管道测试技术领域，特别是涉及一种埋地管道的模拟试验装置。


背景技术：

2.地下管线被称为“城市的生命线”，其承担着给排水、输气供热、电力通信等功能。在地质灾害易发区，地面的不均匀沉陷会影响埋地管道的安全，需对埋地管道的受力形态进行试验评估。
3.在实际中，埋地管线铺设的直线距离很长，在地层不均匀沉陷作用下，按照锚固点的位置，埋地管道的受力形态分为锚固段(无受力)和非锚固段(受力)，非锚固段又可分为远地层突变处的直线段和近地层突变处的弯曲段。
4.目前，常见的埋地管道试验主要利用室内模型箱试验完成，如申请公布号为cn105203387a、申请公布日为2015.12.30的中国发明专利申请公开了一种场地沉降及断层影响下的管土模拟试验装置，并具体公开了该试验装置包括依次排列布置的固定箱体、竖向移动箱体、水平移动箱体，三个箱体内的土体为有机结合的整体，试验管道贯穿三个箱体；固定箱体焊接或锚固在固定台上，竖向移动箱体置于临时支撑台架上，在试验开始之前撤去；水平移动箱体通过其底部安装的滑轮组件置于限位轨道上；加载部分包括mts动力设备、竖向加载千斤顶、横向加载千斤顶。通过mts动力设备来控制移动箱体的沉降位移量，通过调整竖向加载千斤顶压力的大小，可模拟不同埋深对管道的受力影响。
5.但是，现有模拟试验装置中的试验管道长度远小于实际的管道长度，若将试验管道锚固在固定箱体中，则使其端部形成了固定边界，受力试验中放大了管道的轴向力、弱化了弯矩，无法真实地模拟出埋地管道的直线段对弯曲段的约束作用；若对试验管道两端并未采取任何约束措施，则使其端部形成了自由边界，导致了试验中管线随着下陷土体一同沉降，放大了管道的弯矩、弱化了轴向力。
6.综上所述，现有试验装置无论是固定边界还是自由边界，均无法真实等效管道受力形态的直线段部分，与实际工况中的管道端部条件存在显著的差异性，不能准确地试验在不均匀沉陷区下管道的受力形态。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种埋地管道的模拟试验装置，以解决无法真实地模拟出埋地管道的直线段对弯曲段的约束作用，不能准确试验在不均匀沉陷区下管道的受力形态的问题。
8.本发明的埋地管道的模拟试验装置的技术方案为：
9.埋地管道的模拟试验装置包括基座、试验箱、竖向加载机构和边界加载机构，所述试验箱安装在所述基座上，所述竖向加载机构安装在所述试验箱的下部以模拟土体的局部沉陷；
10.所述试验箱包括端板，所述端板上开设有活动孔，所述端板上滑动安装有对应所
述活动孔的挡土板，所述挡土板中贯穿设有传力件，所述传力件的一端用于与箱内的试验管道连接；
11.所述边界加载机构包括升降结构和拉伸驱动结构，所述升降结构固定在所述基座上，所述拉伸驱动结构安装在所述升降结构上，所述拉伸驱动结构与所述传力件的另一端传动连接。
12.进一步的，所述基座包括底板和外立架，所述试验箱、所述竖向加载机构分别安装在所述底板上，所述外立架固定设置在所述边界加载机构的外侧，所述拉伸驱动结构远离所述传力件的端部上下滑动装配在所述外立架上。
13.进一步的，所述拉伸驱动结构为电液伺服作动器，所述电液伺服作动器与所述传力件之间连接有负载传感器。
14.进一步的，所述电液伺服作动器包括内置位移传感器的作动器本体、伺服阀、第一铰链和第二铰链，所述伺服阀设置在所述内置位移传感器的作动器本体上，所述第一铰链连接在所述内置位移传感器的作动器本体与所述传力件之间，所述第二铰链设置在所述内置位移传感器的作动器本体靠近所述外立架的端部。
15.进一步的，所述外立架的内侧设置有竖向轨道，所述竖向轨道的截面形状为t字形，所述竖向轨道中滑动装配有滑块，所述电液伺服作动器与所述滑块连接，所述滑块与所述竖向轨道的外沿挡止配合。
16.进一步的，所述底板上设有固定支座，所述试验箱固定设置在所述固定支座上，所述试验箱具有悬伸至所述固定支座外侧的开口部分；
17.所述竖向加载机构布置在所述开口部分的下侧，所述竖向加载机构包括沉降板和竖向加载件，所述沉降板与所述开口部分凹凸配合，所述竖向加载件设置在所述底板上且与所述沉降板传动连接。
18.进一步的，所述传力件为传力杆，所述端板的外侧还设有用于检测传力杆位移量的竖向位移传感器，所述挡土板上开设有通孔，所述传力杆垂直于所述挡土板的板面方向穿设在所述通孔中。
19.进一步的，所述挡土板的穿孔处设置有法兰轴承，所述传力杆穿装于所述法兰轴承的内孔中。
20.进一步的，所述试验箱的形状为长方体形，所述试验箱包括两个平行于试验管道间隔布置的侧板，所述试验箱的前侧板的中部设置有观察窗，所述试验箱的内壁衬设有泡沫层。
21.进一步的，所述边界加载机构设有两个，其分别为第一边界加载机构和第二边界加载机构，所述第一边界加载机构和第二边界加载机构的结构相同；
22.所述试验箱的形状为长方体形，所述试验箱包括两个相对布置的端板，所述第一边界加载机构布置在一个所述端板的外侧，所述第二边界加载机构布置在另一个所述端板的外侧。
23.有益效果：该埋地管道的模拟试验装置采用基座、试验箱、竖向加载机构和边界加载机构的结构设计，其中，竖向加载机构可模拟土体的局部沉陷，边界加载机构包括升降结构和拉伸驱动结构，拉伸驱动结构通过传力件与箱内的试验管道连接，通过升降结构实现试验过程中对试验管道端部的约束力始终作用于管道的轴线方向上，通过拉伸驱动结构对
试验管道的端部产生轴向拉力作用，使得试验管道在试验箱中的受力变形更接近于实际情况下埋地管线的受力变形，可真实地模拟出埋地管道的直线段对弯曲段的非线性约束作用，准确地试验在不均匀沉陷区下管道的受力形态。
24.而且，试验箱的端板上开设有活动孔，端板上滑动安装有对应活动孔的挡土板，挡土板中贯穿设有传力件，通过传力件将边界加载机构的约束作用传递至试验管道，利用挡土板对箱内的土体起到遮挡作用，避免试验过程中土层向外散落，整个模拟试验更加真实准确。
25.最后，边界加载机构的上下滑移设计和传力杆的十字形孔位布设可满足不同的管道埋深和不同管径的试验需求；试验箱的前侧板的中部设有观察窗，结合粒子成像测速技术，可确定土层剪切带的发展轨迹和分布范围。
附图说明
26.图1为本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例中埋地管道的模拟试验装置的结构示意图；
27.图2为图1中拉伸驱动结构的放大示意图；
28.图3为本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例中埋地管道的模拟试验装置(省去升降结构)的主视示意图；
29.图4为本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例中埋地管道的模拟试验装置的俯视示意图；
30.图5为本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例中埋地管道的模拟试验装置的右视示意图；
31.图6为本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例中边界加载力－时间的示意图。
32.图中：1－基座、10－底板、11－外立架、12－固定支座；
33.2－试验箱、21－端板、22－挡土板、23－侧板、24－观察窗、25－泡沫层、26－法兰轴承、27－竖向位移传感器；
34.3－竖向加载机构、30－沉降板、4－电液伺服作动器、40－内置位移传感器的作动器本体、41－传力件、42－负载传感器、43－伺服阀、44－滑块、45－第一铰链、46－第二铰链、5－升降结构、6－试验管道。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
36.本发明的埋地管道的模拟试验装置的具体实施例1，如图1至图6所示，埋地管道的模拟试验装置包括基座1、试验箱2、竖向加载机构3和边界加载机构，试验箱2安装在基座1上，竖向加载机构3安装在试验箱2的下部以模拟土体的局部沉陷；试验箱2包括端板21，端板21上开设有活动孔，端板21上滑动安装有对应活动孔的挡土板22，挡土板22中贯穿设有传力件41，传力件41的一端用于与箱内的试验管道6连接；边界加载机构包括升降结构5和拉伸驱动结构，升降结构5固定在基座1上，拉伸驱动结构安装在升降结构5上，拉伸驱动结
构与传力件41的另一端传动连接。
37.该埋地管道的模拟试验装置采用基座1、试验箱2、竖向加载机构3和边界加载机构的结构设计，其中，竖向加载机构3可模拟土体的局部沉陷，边界加载机构包括升降结构5和拉伸驱动结构，拉伸驱动结构通过传力件41与箱内的试验管道6连接，通过升降结构5实现试验过程中对试验管道6端部的约束力始终作用于管道的轴线方向上，通过拉伸驱动结构对试验管道6的端部产生轴向拉力作用，使得试验管道6在试验箱5中的受力变形更接近于实际情况下埋地管线的受力变形，可真实地模拟出埋地管道的直线段对弯曲段的非线性约束作用，可准确地试验在不均匀沉陷区下管道的受力形态。而且，端板21上开设有活动孔，端板21上滑动安装有对应活动孔的挡土板22，挡土板22中贯穿设有传力件41，通过传力件41将边界加载机构的约束作用传递至试验管道6，利用挡土板22对箱内的土体起到遮挡作用，避免试验过程中土层向外散落，整个模拟试验更加真实准确。
38.在本实施例中，基座1包括底板10和外立架11，试验箱2、竖向加载机构3分别安装在底板10上，外立架11固定设置在边界加载机构的外侧，拉伸驱动结构4远离传力件41的端部上下滑动装配在外立架11上。将试验箱2和竖向加载机构3安装底板10上，保证了试验箱2在测试时的稳定性，外立架11和底板10之间采用焊接固定，固定于底板10的外立架11对拉伸驱动结构4远离传力件41的端部起到了上下滑动导向的作用，确保拉伸驱动结构4上下移动的精度。
39.其中，外立架11的内侧设置有竖向轨道，外立架11的竖向轨道的截面形状为t字形，竖向轨道中滑动装配有滑块44，电液伺服作动器4与滑块44连接，滑块44与外立架11的竖向轨道的外沿挡止配合。将外立架11的竖向轨道的截面形状设计为t字形，通过竖向轨道的外沿与滑块挡止配合，保证边界约束力的精确输出，提高了对拉伸驱动结构4的侧向支撑性。
40.具体的，拉伸驱动结构为电液伺服作动器4，电液伺服作动器4与传力件41之间连接有负载传感器42。电液伺服作动器4包括内置位移传感器的作动器本体40、伺服阀43、第一铰链45和第二铰链46，伺服阀43设置在内置位移传感器的作动器本体40上，第一铰链45连接在内置位移传感器的作动器本体40与传力件41之间，第二铰链46设置在内置位移传感器的作动器本体40靠近外立架11的端部。内置位移传感器的作动器本体40利用液压能转化为机械能，输出负载的速度、方向和位移更加精准。
41.该电液伺服作动器4外接有控制系统，由计算机内嵌的边界加载力－时间关系程序发出指令，如图6所示，控制对试验管道6精确地输入端部约束力，有效模拟出实际工况中远地层突变处管道直线段对管道弯曲段的非线性约束作用。
42.在底板10上设有固定支座12，试验箱2固定设置在固定支座12上，试验箱2具有悬伸至固定支座12外侧的开口部分；竖向加载机构3布置在试验箱2的开口部分的下侧，竖向加载机构3包括沉降板30和竖向加载件，沉降板30与开口部分凹凸配合，竖向加载件设置在底板10上且与沉降板30传动连接。
43.具体的，竖向加载件共设有四个，四个竖向加载件分别通过螺钉固定在沉降板30的下侧，竖向加载件内置有位移传感器和负荷传感器，外接有控制系统，以保证四个竖向加载件同步逐级降低沉降板30，实现模拟土层不均匀沉陷的目的。
44.传力件41为传力杆，端板22的外侧还设有用于检测传力杆位移量的竖向位移传感
器27，挡土板22上开设有通孔，传力杆垂直于挡土板22的板面方向穿设在通孔中。利用竖向位移传感器27来检测传力杆以及试验管道6端部的竖向位移，在挡土板22的穿孔处设置有法兰轴承26，传力杆穿装于法兰轴承26的内孔中。并且，在端板22中设置有矩形空腔，挡土板22滑动安装在矩形空腔中，在矩形空腔和外立架11的竖向轨道中均涂抹有润滑机油，减小了滑动摩擦力。
45.该试验箱2的形状为长方体形，试验箱2包括两个平行于试验管道间隔布置的侧板23，试验箱2的前侧板的中部设置有观察窗24，试验箱2的内壁衬设有泡沫层25。泡沫层25可消除土体与箱内壁之间的摩擦力，实现对无限远土体的模拟；并且，利用泡沫层25保证了沉降板30可光滑地下降运动，并防止土体颗粒从沉降板30与试验箱2内壁之间的间隙向外滑落。
46.其中，边界加载机构4设有两个，其分别为第一边界加载机构和第二边界加载机构，第一边界加载机构和第二边界加载机构的结构相同；试验箱2的形状为长方体，试验箱2包括两个相对布置的端板21，第一边界加载机构布置在一个端板的外侧，第二边界加载机构布置在另一个端板的外侧。
47.在试验前，先向试验箱2中分层填土并压实，沿试验箱2的长度方向布设试验管道6，根据试验目的在管道上预贴应变片、分布式光纤测量元件等，试验管道6的端部与传力杆的十字形孔位连接，通过螺栓和螺钉实现试验管道6和传力杆的连接装配，边界加载机构的上下滑移设计和传力杆的十字形孔位布设，可满足不同的管道埋深和不同管径的试验需求；将竖向位移传感器27安装在端板21的外侧，利用顶针顶住传力杆并设置一定的压缩量，继续分层填土、压实直至满足试验要求。
48.按照试验方案，开始试验，由计算机内嵌程序发出指令，通过控制系统启动竖向加载机构3的四个竖向加载件工作，同步协调的逐级下降沉降板30，模拟真实工况中地层的不均匀沉陷；在地层沉陷的同时，由计算机内嵌的边界加载力－时间关系程序发出指令，使得试验过程中试验管道6的端部在约束力作用下，试验管道6产生内力响应和变形结果，实现实际工况中远地层突变处管道直线段对管道弯曲段的非线性约束作用，电液伺服作动器4中内置的位移传感器孔可监测试验管道6端部的轴向位移，结合施加的约束力，进一步分析试验管道6的抗拉强度；同时，根据竖向位移传感器27监测试验管道6端部的竖向位移，由计算机内嵌程序发出指令，通过控制系统来控制升降结构5的自动升降，保证试验过程中电液伺服作动器4的位置与试验管道6的端部始终处于同一水平线上，实现对试验管道6端部的约束力始终作用于管道轴线方向上，通过观察窗24采用相机自动连续捕拍土层剪切带的发展轨迹。
49.试验结束后，根据数据采集设备采用到的数据，进行试验管6的受力和变形分析，获得更为准确的试验管道6受力形态，结合粒子成像测速技术，确定土层剪切带的分布范围，进一步揭示埋地管道的失效机制，提供经济合理的地面不均匀沉陷区埋地管道的设计参数。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。