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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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体位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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(OpticalBackscatterReflectometer，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为本专利技术实施例的结构示意图。图2为本专利技术实施例的管道横截面示意图。图3为本专利技术实施例的地面沉降模拟装置示意图。图4为本专利技术实施例的变形协调板示意图。图5为本专利技术实施例的分布式光纤布设示意图。图6为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。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.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，所述的变形协调板的上方铺设有一层土工织物。5.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿鹄，朱宝，吴海颖，王德洋，周谷宇，施斌，程刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32