本发明专利技术公开了一种用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置和方法，属于土木工程领域。主体结构包括前侧有透明视窗的箱体，内部由仓室分隔板、受损管道模型、管外水位控制透水板、水砂分离装置等组成。装置前部分隔为用于填筑模型土体的试验土料仓和两侧的渗流仓；装置后部分隔为土料过滤仓和两侧的水循环补给仓。受损管道模型前端安装电机推杆，用于控制管道受损缺口开闭，后部安装球阀装置并与水泵连接。本发明专利技术利用土工离心模型试验在Ng超重力场的缩尺和缩时效应，采用球阀装置实现管内水外渗与管外水内渗的往复渗漏水力条件，利用电机推杆控制破损缺口大小，能够再现真实应力水平下埋地管道受损诱发地面塌陷的演变过程。演变过程。演变过程。
【技术实现步骤摘要】
用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置和方法
[0001]本专利技术属于土木工程领域，尤其涉及一种用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置和方法。
技术介绍
[0002]随着我国城市化率不断提高，雨污水管道、通讯管道等埋地管线是保证城市功能的重要基础设施。由于超期服役、制造缺陷、施工扰动等原因，埋地管道在管壁、管道接口等处极易发生破损。在水力条件丰沛地区，如高地下水位地区、雨季降水量较大地区，由于管外水流内渗作用，地基土体通过受损管道流失。降水量较大时，管内出现满管流导致水流外渗加剧了土体劣化。随着外渗、内渗的往复渗漏作用，地基土中渗流侵蚀不断发展，土体力学性能劣化，在外部荷载作用下会发生地基失稳塌陷等严重后果。这类灾害具有隐蔽性、突发性等特点，在城市地区较为多发，特别是人口居住集中的地区、地下管网发达的工业区等地区。一旦发生此类灾害不仅会导致极大的生命财产损失，还会造成较大的社会舆情。埋地管道破损引发的地面塌陷灾害隐蔽性强、后果严重，且随着管道的长期服役，其损伤率提高，灾害发生风险也日益增大。埋地管道破损诱发地面塌陷灾害的过程与传统地基失稳机制存在较大差异，而与土体渗流侵蚀紧密相关，目前对于这一破环机理的相关研究不足，缺乏有效的防控手段。
[0003]在科学研究领域，物理模拟试验是发现事物客观性质、揭示事物发展规律的重要手段。而利用超重力技术能够达到缩尺、缩时和还原真实应力状态的相关目的。因此使用离心机提供超重力，对往复渗漏下埋地管道破损诱发地陷相关问题进行研究，能够揭示地面塌陷过程中的孔隙水压力及地面变形演变规律。目前未见有利用超重力手段进行试验模拟往复渗漏下受损埋地管道诱发地面塌陷的离心模型试验装置。
技术实现思路
[0004]本专利技术旨在提出一种能够再现真实应力水平作用下，受损埋地管道在往复渗漏条件下地面塌陷触发及演变过程的超重力离心模型试验装置和方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供了一种用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，包括模型箱箱体、受损管道模型、伺服控制系统和监测传感系统，所述的模型箱体内由仓室分隔板分隔为前部和后部，仓室分隔板上设有用于固定受损管道模型的安装孔；
[0007]所述模型箱体内的前部设有试验土料仓及其两侧的渗流仓，位于试验土料仓内的受损管道模型前端位置设有大小可调的破损缺口；所述模型箱体内的后部设有土料过滤仓及其两侧的水循环补给仓，位于土料过滤仓内的受损管道模型后端位置设有进出水控制装置，所述的进出水控制装置的下方设有水砂分离装置；所述的仓室分隔板上设有连通渗流仓和水循环补给仓的水位限定孔；
[0008]所述的伺服控制系统用于控制受损管道模型的破损缺口大小和内外水位；所述的
监测传感系统用于实时测量试验土料仓的土压、水压和土表面位移，以及土料过滤仓的水砂分离装置应变情况。
[0009]进一步地，所述的受损管道模型包括管道主体、管道前端封盖、管道后端封盖和电动推杆组件；所述的管道主体通过法兰盘固定在仓室分隔板的安装孔内，所述的管道前端封盖、管道后端封盖分别用于封闭管道主体的前后两端，破损缺口位于管道主体上的靠近管道前端封盖的位置；所述的电动推杆组件安装在管道前端封盖的内侧，通过电动推杆端部的橡胶塞调节破损缺口的大小。
[0010]进一步地，所述的进出水控制装置采用球阀装置，所述的球阀装置安装在管道后端封盖上，用于切换受损管道模型进水与排水。
[0011]进一步地，所述的土料过滤仓及其两侧的水循环补给仓通过一对挡板隔开，挡板的底部设有连通土料过滤仓和水循环补给仓的孔洞；所述的水砂分离装置通过挡板固定在土料过滤仓内，位于受损管道模型的下方。
[0012]进一步地，所述的水砂分离装置为一层或多层过滤板。
[0013]进一步地，所述的水循环补给仓内安装有潜水泵，所述的潜水泵通过可控的出水管道分别连接受损管道模型的进出水控制装置以及渗流仓。
[0014]进一步地，所述的监测传感系统包括应变监测组件、孔压传感器、土压传感器、激光位移传感装置和高速相机组件；
[0015]所述的孔压传感器和土压传感器以线列方式分层埋设在试验土料仓的土体内；激光位移传感装置以线列方式安装在试验土料仓上方，用于测量试验土料仓内的土表面位移；所述的应变监测组件布设在水砂分离装置上，用于测量水砂分离装置应变情况；所述的高速相机组件安装在箱体前板的可视窗处。
[0016]进一步地，所述的伺服控制系统包括伺服控制器和若干个伺服动作器，每一个伺服动作器分别用于实现水循环补给仓的循环水量与流向调节、进出水控制装置的进水与排水功能切换、以及受损管道模型的破损缺口大小调节。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]1.本专利技术通过潜水泵、水压计及伺服控制系统组成水泵及伺服控制系统，并联合水循环补给仓、透水板和球阀装置实现试验装置水流循环使用，并能够实时、分别调节管内外水位高度。
[0019]2.本专利技术独创性提出超重力条件下土体往复渗漏模拟技术，依据超重力试验经验反映真实情况下，破损埋地管道在不同季节、不同地域下的真实应力状态和真实水力条件，实现了土工离心埋地管道模型往复渗漏技术。
[0020]3.本专利技术独创性提出超重力状态下土颗粒逃逸的实时监测技术，依据力学原理设置分选水土混合物的土料过滤仓，并在过滤板上设置应变检测组件，能准确得到反映土颗粒逃逸情况的实时检测曲线。
[0021]4.本专利技术通过设置高速相机通过透明视窗拍摄试验过程，结合图像测速技术(PIV)对管道破损条件下土体状态进行定量分析，能够准确反应试验土料仓内土体变形趋势。
[0022]5.本专利技术通过埋设孔压传感器实现动态测量地基土内部孔隙水压力演变，以辅助矫正水循环系统的工作。利用激光位移传感器实现了对地基土表面变形进行监测，可以通
过孔压传感器、激光位移传感器数据联合分析得到土体孔压
‑
位移关系。
[0023]6.本专利技术可实现灵活模拟受损管道破损口，其尺寸、方向均可通过改变管道与仓室分隔板的连接角度进行调整，适用的试验范围范围广。所有水循环与土颗粒迁移都发生在模型箱内部，与外界没有质量交流，不会产生质量、形心等物理参数的较大变化，对土工离心机工作状态影响较小，使得本设计稳定性、准确性更具优势。
[0024]综上，本专利技术基于超重力模型试验，通过离心装置提供超重力能够还原真实应力状态下的地基土在水力条件变化的情况下内部侵蚀和失稳过程，为揭示破损管道诱发地基塌陷问题中，土体变形及孔隙水压力等变化趋势相关问题提供分析方法和试验支撑。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，包括模型箱箱体(1)、受损管道模型(2)、伺服控制系统和监测传感系统，所述的模型箱体内由仓室分隔板(4)分隔为前部和后部，仓室分隔板(4)上设有用于固定受损管道模型的安装孔；所述模型箱体内的前部设有试验土料仓(8)及其两侧的渗流仓(9)，位于试验土料仓内的受损管道模型前端位置设有大小可调的破损缺口(202)；所述模型箱体内的后部设有土料过滤仓(10)及其两侧的水循环补给仓(11)，位于土料过滤仓内的受损管道模型后端位置设有进出水控制装置，所述的进出水控制装置的下方设有水砂分离装置；所述的仓室分隔板(4)上设有连通渗流仓(9)和水循环补给仓(11)的水位限定孔(401)；所述的伺服控制系统用于控制受损管道模型的破损缺口大小和内外水位；所述的监测传感系统用于实时测量试验土料仓(8)的土压、水压和土表面位移，以及土料过滤仓(10)的水砂分离装置应变情况。2.根据权利要求1所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的受损管道模型(2)包括管道主体(201)、管道前端封盖(203)、管道后端封盖(204)和电动推杆组件(206)；所述的管道主体(11)通过法兰盘(207)固定在仓室分隔板(4)的安装孔内，所述的管道前端封盖(203)、管道后端封盖(204)分别用于封闭管道主体(11)的前后两端，破损缺口(202)位于管道主体(11)上的靠近管道前端封盖(203)的位置；所述的电动推杆组件(206)安装在管道前端封盖(203)的内侧，通过电动推杆端部的橡胶塞(207)调节破损缺口(202)的大小。3.根据权利要求2所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的进出水控制装置采用球阀装置，所述的球阀装置安装在管道后端封盖(204)上，用于切换受损管道模型(2)进水与排水。4.根据权利要求1所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的土料过滤仓(10)及其两侧的水循环补给仓(11)通过一对挡板(6)隔开，挡板的底部设有连通土料过滤仓(10)和水循环补给仓(11)的孔洞；所述的水砂分离装置通过挡板固定在土料过滤仓(10)内，位于受损管道模型(2)的下方。5.根据权利要求4所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的水砂分离装置为一层或多层过滤板(7)。6.根据权利要求4所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的水循环补给仓(11)内安装有潜水泵(12)，所述的潜水泵(12)通过可控的出水管道分别连接受损管道模型的进出水控制装置以及渗流仓(9)。7.根据权利要求1所述的用于模拟埋地管道往复渗漏诱发地陷的离心试验装置，其特征在于，所述的监测传感系统包括应变监测组件(301)、孔压传感器(302)、土压传感器(303)、激光位移传感装置(304)和高速相机组件(305)；所述的孔压传感器(302)和土压传感器(303)以线列方式分层埋设在试验土料仓(8)的土体内；激光位移传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐耀，杨庆国，黄博，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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