一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法。装置包括：压力舱系统、等效管土作用系统、土体位移加载系统、测量控制系统和示例试验模型；体位移加载系统包括侧向液压加载装置(9)、尾端导向法兰(11)和导向支架(12)；侧向液压加载装置(9)为两个，分别连接在压力舱舱体前部和后部；等效管土作用系统包括多个等效土体作用模块(13)、后模块固定架(14)、前模块固定架(15)及配套的模块控制系统。统。统。

【技术实现步骤摘要】
一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法


[0001]本专利技术属于海洋工程试验
，具体是一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法。

技术介绍

[0002]为有效承载外部静水高压作用，管状结构是海洋工程结构装备中最常用的结构形式之一，例如海底管道和海底隧道等。管土相互作用对结构在位稳定性、整体屈曲和局部屈曲行为具有重要影响，是海底管道和海底隧道这类管状结构设计与运行过程中必须考虑的重要因素。专利技术专利CN111537434B提出一种跨地震断层埋地管道试验装置，主要包括依次排列布置的竖向移动土箱、固定土箱、水平移动土箱和沿箱体长度方向布置并贯穿三个箱体的试验管道。专利技术专利CN112651151A提出一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法，其包括的承压结构能通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似。专利技术专利CN108007792B提出一种在役深海海底埋地管道地震
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高压载荷联合加载试验方法，涉及压力舱、高温油、管土作动筒和激震作动杆等装置。
[0003]现今国内外在高压水环境中管土作用模拟上存在的不足之处主要有：
[0004]1.已有的管土相互作用模拟主要采用土箱和离心机实现，受土壤条件、土体制备、试验成本和加载控制等因素限制，难以满足试验相似度；
[0005]2.采用承压结构等效模拟土体作用力，与离散型有限元中土弹簧的布置方式存在差异，仅能模拟单方向的管土相互作用；
[0006]3.在压力舱内使用土箱，高压水环境会改变原先制备土壤的特性，而且土壤容易污染舱内水体，造成舱体腐蚀和排水孔堵塞等问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法外水压
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等效管土作用装置，其可以实现管状试验模型外水压和管土相互作用力的联合加载。本专利技术采用以下的技术方案：
[0008]一种高压水环境下等效管土作用模拟装置，包括：压力舱系统、等效管土作用系统、土体位移加载系统、测量控制系统和示例试验模型，其中：
[0009]所述压力舱系统包括压力舱舱体1、侧向加载安装孔4、首舱盖7、尾舱盖8及配套的水箱和泵站；
[0010]所述土体位移加载系统包括侧向液压加载装置9、尾端导向法兰11和导向支架12；
[0011]侧向液压加载装置9为两个，分别连接在压力舱舱体前部和后部；侧向液压加载装置9的组成构件包括侧向液压外壳90、侧向液压杆91、侧向前液压舱93、侧向后液压舱94、侧向液压密封圈97、侧向水压舱98、侧向液压移动密封圈99和配套的液压泵站；侧向液压杆91一端位于侧向水压舱98内，另一端与后模块固定架14或前模块固定架15相接触，并在侧向液压杆91开设水压平衡通道92以联通压力舱舱体1和侧向水压舱98；侧向液压杆91设置有
扩径段，在扩径段周围设置有液压舱，在扩径段外部包覆有侧向液压移动密封圈99，通过侧向液压移动密封圈99将液压舱隔绝成容积可变的侧向前液压舱93和侧向后液压舱94两部分；前液压舱93和侧向后液压舱94分别通过液压管线与液压泵站连接，用于进出液压油；前液压舱93和侧向后液压舱94内的液压差作用在侧向液压移动密封圈99，进而推动侧向液压杆91运动；
[0012]侧向液压加载装置9设置有差压传感器和位移传感器，差压传感器用于测量侧向前液压舱93和侧向后液压舱94之间水压压差，位移传感器用于测量侧向液压杆91的位移；
[0013]尾端导向法兰11一端为法兰盘，与试验件的法兰固定连接；另一端为导轨，与导向支架12的导槽123配合连接；
[0014]所述导向支架12包括支架底板120、支架液压杆121、支架固定杆122、导槽123和液压杆连接孔124；支架底板120与尾舱盖8连接；导槽123与支架液压杆121通过液压杆连接孔124连接，导槽123与支架固定杆122之间为转动连接，便于调节支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度；
[0015]所述等效管土作用系统包括多个等效土体作用模块13、后模块固定架14、前模块固定架15及配套的模块控制系统；等效土体作用模块13布置于后模块固定架14和前模块固定架15；后模块固定架14与试验件16尾端固定连接，前模块固定架15与试验件16前端固定连接；
[0016]设置在压力舱舱体前部的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接；单向位移加载时，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置9的液压杆接触头为球形接头，液压杆接触头在加载过程中始终保持与后模块固定架14接触，后模块固定架14的实际位移量与液压杆单向位移量满足关于导槽倾斜角满足三角余弦关系；往复位移加载时，通过调节支架液压杆121长度使得导槽倾斜角保持为0
°
，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接，后模块固定架14的实际位移量等于此液压杆的位移量；
[0017]每个等效土体作用模块13包括模块框架17和布置在模块框架17和试验件16之间的多个零刚度液压件19，各个模块框架17固定连接到后模块固定架14或前模块固定架15；
[0018]零刚度液压件18，包括限压阀19、接触板20、液压件推杆180、液压件外壳181、液压件油缸182、液压件前液压舱183、液压件后液压舱184、液压件移动密封圈185、液压件密封圈186、微型液压泵187、微型位移传感器188和微型差压传感器189；接触板20固定在液压件推杆180端部，与试验件16接触；液压件推杆180设有扩径段，扩径段外包裹液压件移动密封圈185，用于隔绝液压件前液压舱183和液压件后液压舱184；液压件前液压舱183和液压件后液压舱184内的液压差作用在液压件移动密封圈185，进而推动液压件推杆180左右运动；液压件前液压舱183和液压件后液压舱184分别通过液压管线与液压件油缸182连通，在液压管线上连接有用于控制液压油进出的微型液压泵187；此外，液压件后液压舱184还通过另一条液压管线经由限压阀19与液压件油缸182连通；当液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差超过设定压力时，限压阀19将启动将液压件后液压舱184的液压油导回液压件油缸182，从而保证液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差不超过设定压力；微型位移传感器188用于测量接触板20的位移，微型差压传感器189用于测量液压件前液压舱183和液压件后液压舱184之间的液压压差；
[0019]分布在同一个等效土体作用模块13的多个零刚度液压件19，各个接触板20之间不发生物理干涉，各个接触板20与试验件16的摩擦阻力合力对应轴向土弹簧作用力；
[0020]所述示例试验模型包括试验件16及其两端法兰盘，试验件16的两端通过法兰盘分别与压力舱舱体首端和尾端固定的连接。
[0021]进一步地，压力舱舱体部署有排气孔2和输水孔3，排气孔2在注水时开启，用于排出压力舱舱体1内的气体；在加压时保持关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压水环境下等效管土作用模拟装置，包括：压力舱系统、等效管土作用系统、土体位移加载系统、测量控制系统和示例试验模型，其中：所述压力舱系统包括压力舱舱体(1)、侧向加载安装孔(4)、首舱盖(7)、尾舱盖(8)及配套的水箱和泵站；所述土体位移加载系统包括侧向液压加载装置(9)、尾端导向法兰(11)和导向支架(12)；侧向液压加载装置(9)为两个，分别连接在压力舱舱体前部和后部；侧向液压加载装置(9)的组成构件包括侧向液压外壳(90)、侧向液压杆(91)、侧向前液压舱(93)、侧向后液压舱(94)、侧向液压密封圈(97)、侧向水压舱(98)、侧向液压移动密封圈(99)和配套的液压泵站；侧向液压杆(91)一端位于侧向水压舱(98)内，另一端与后模块固定架(14)或前模块固定架(15)相接触，并在侧向液压杆(91)开设水压平衡通道(92)以联通压力舱舱体(1)和侧向水压舱(98)；侧向液压杆(91)设置有扩径段，在扩径段周围设置有液压舱，在扩径段外部包覆有侧向液压移动密封圈(99)，通过侧向液压移动密封圈(99)将液压舱隔绝成容积可变的侧向前液压舱(93)和侧向后液压舱(94)两部分；前液压舱(93)和侧向后液压舱(94)分别通过液压管线与液压泵站连接，用于进出液压油；前液压舱(93)和侧向后液压舱(94)内的液压差作用在侧向液压移动密封圈(99)，进而推动侧向液压杆(91)运动；侧向液压加载装置(9)设置有差压传感器和位移传感器，差压传感器用于测量侧向前液压舱(93)和侧向后液压舱(94)之间水压压差，位移传感器用于测量侧向液压杆(91)的位移；尾端导向法兰(11)一端为法兰盘，与试验件的法兰固定连接；另一端为导轨，与导向支架(12)的导槽(123)配合连接；所述导向支架(12)包括支架底板(120)、支架液压杆(121)、支架固定杆(122)、导槽(123)和液压杆连接孔(124)；支架底板(120)与尾舱盖(8)连接；导槽(123)与支架液压杆(121)通过液压杆连接孔(124)连接，导槽(123)与支架固定杆(122)之间为转动连接，便于调节支架液压杆(121)长度改变导槽(123)的倾斜角度；所述等效管土作用系统包括多个等效土体作用模块(13)、后模块固定架(14)、前模块固定架(15)及配套的模块控制系统；等效土体作用模块(13)布置于后模块固定架(14)和前模块固定架(15)；后模块固定架(14)与试验件(16)尾端固定连接，前模块固定架(15)与试验件(16)前端固定连接；设置在压力舱舱体前部的侧向液压加载装置(9)的液压杆与前模块固定架(15)固定连接；单向位移加载时，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置(9)的液压杆接触头为球形接头，液压杆接触头在加载过程中始终保持与后模块固定架(14)接触，后模块固定架(14)的实际位移量与液压杆单向位移量满足关于导槽倾斜角满足三角余弦关系；往复位移加载时，通过调节支架液压杆(121)长度使得导槽倾斜角保持为零度，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置(9)的液压杆与后模块固定架(14)固定连接，后模块固定架(14)的实际位移量等于此液压杆的位移量；每个等效土体作用模块(13)包括模块框架(17)和布置在模块框架(17)和试验件(16)之间的多个零刚度液压件(19)，各个模块框架(17)固定连接到后模块固定架(14)或前模块固定架(15)；
零刚度液压件(18)，包括限压阀(19)、接触板(20)、液压件推杆(180)、液压件外壳(181)、液压件油缸(182)、液压件前液压舱(183)、液压件后液压舱(184)、液压件移动密封圈(185)、液压件密封圈(186)、微型液压泵(187)、微型位移传感器(188)和微型差压传感器(189)；接触板(20)固定在液压件推杆(180)端部，与试验件(16)接触；液压件推杆(180)设有扩径段，扩径段外包裹液压件移动密封圈(185)，用于隔绝液压件前液压舱(183)和液压件后液压舱(184)；液压件前液压舱(183)和液压件后液压舱(184)内的液压差作用在液压件移动密封圈(185)，进而推动液压件推杆(180)左右运动；液压件前液压舱(183)和液压件后液压舱(184)分别通过液压管线与液压件油缸(182)连通，在液压管线上连接有用于控制液压油进出的微型液压泵(187)；此外，液压件后液压舱(184)还通过另一条液压管线经由限压阀(19)与液压件油缸(182)连通；当液压件后液压舱(184)和液压件前液压舱(183)的液压差超过设定压力时，限压阀(19)将启动将液压件后液压舱(184)的液压油导回液压件油缸(182)，从而保证液压件后液压舱(184)和液压件前液压舱(183)的液压差不超过设定压力；微型位移传感器(188)用于测量接触板(20)的位移，微型差压传感器(189)用于测量液压件前液压舱(183)和液压件后液压舱(184)之间的液压压差；分布在同一个等效土体作用模块(13)的多个零刚度液压件(19)，各个接触板(20)之间不发生物理干涉，各个接触板(20)与试验件(16)的摩擦阻力合力对应轴向土弹簧作用力；所述示例试验模型包括试验件(16)及其两端法兰盘，试验件(16)的两端通过法兰盘分别与压力舱舱体首端和尾端固定的连接。2.根据权利要求1所述的高压水环境下等效管土作用模拟装置，其特征在于，压力舱舱体部署有排气孔(2)和输水孔(3)，排气孔(2)在注水时开启，用于排出压力舱舱体(1)内的气体；在加压时保持关闭；在卸压后排水时开启，在舱内形成自由液面保证排水顺利；输水孔(3)用于注水和排水，通过压力管道与泵站、水箱连接。3.根据权利要求1所述的高压水环境下等效管土作用模拟装置，其特征在于，导轨可拆卸，便于根据导槽(123)倾斜角度选择合适的导轨同法兰盘连接。4.根据权利要求1所述的高压水环境下等效管土作用模拟装置，其特征在于，液压件推杆(180)两端截面相同，贯穿液压件外壳(181)，浸没在高压水环境中能自动实现轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振眠，余杨，张学同，余建星，张志炜，刘昱昊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：