一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统，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系统以及数据采集系统。本发明专利技术结构简单、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。

A Test System for Mechanical Properties of Pipe-soil Interface in Cold Region

【技术实现步骤摘要】
一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统
本专利技术具体涉及寒区管道管-土界面力学性能参数试验系统及测定方法，属于土工试验仪器

技术介绍
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.Frostheave-pipelineinteractionusingcontinuummechanics.CanadianGeotechnicalJournal,20(2):251-261.>、文献<Selvadurai,A.P.S.,Hu,J.,Konuk,I.,1999b.Computationalmodellingoffrostheaveinducedsoil-pipelineinteractionII:ModellingofexperimentsattheCaentestfacility.ColdRegionsScienceandTechnology,29(3):229-257.>、文献<Hawlader,B.C.,Morgan,V.,Clark,J.I.,2006.Modellingofpipelineunderdifferentialfrostheaveconsideringpost-peakreductionofupliftresistanceinfrozensoil.Canadiangeotechnicaljournal,43(3):282-293.>和文献<Nishimura,S.,Gens,A.,Olivella,S.,Jardine,R.J.2009.THM-coupledfiniteelementanalysisoffrozensoil:formulationandapplication.Géotechnique,59(3),159.>；国内外主要采用《输油管道工程设计规范》(GB50253-2014)、《油气长输管道工程施工及验收规范》(GB50369-2014)、《ALAGuidelinesforthedesignofburiedsteelpipe(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Rm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Rm—寒区管-土界面层抗滑动能力；τpsf—寒区管-土界面层抗剪强度；τsf—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Rm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系统及测定方法，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。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统，它能有效地解决
技术介绍
中所存在的问题。为了解决
技术介绍
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，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术旨在直接测试管道与土体之间的相对运动，通过加载系统施加水平向、竖向荷载，模拟管道相对运动、管道上浮土体抗力，通过监测系统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专利技术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专利技术的一些实施例，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是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术中底板的俯视图；图3是本专利技术中底板的仰视图；图4是本专利技术中结构面板的仰视图；图5是本专利技术中剪切盒的仰视图。1—基座；2—立柱；3—温控箱；4—支脚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统，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。

【技术特征摘要】
1.一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统，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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏伟，杨保存，黎亮，杨晓松，韩天红，王成，
申请(专利权)人：塔里木大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65