专利名称：跨断层埋地管线原位试验方法
技术领域：
本发明涉及生命线工程防灾减灾技术领域，尤其是指一种用于检验跨断层埋地管线原位试验中逆断层作用的试验装置，具体地说是一种跨断层埋地管线试验方法。
背景技术：
埋地管线在现代化生产、生活中占有重要的位置，是重要的生命线工程。埋地管线的破坏，不仅本身经济损失巨大，而且会引发严重的次生灾害，对震后救灾、生产、生活和社会秩序等的恢复都会产生重大的影响。埋地管线系统是典型的线、网工程，不可避免地需穿越一些抗震不利或者危险的地域，跨越断层就是埋地管线不得不面临和需要解决的关键工程问题之一。跨断层埋地管线受力性能及破坏机理需要可靠准确的实际破坏数据作为研究基础，数据获取最可靠、最直接的方法即实际地震观测或者试验，而试验是实际工程应用中最行之有效的方法。现国内外关于跨断层埋地管线试验主要采用模型试验方法进行研究。现行埋地管线模型试验方法存在以下主要问题:①方法多采用土箱加载，等效简化了管线的边界约束条件；②方法多采用无接头管材作为研究对象，忽略了实际管线接头连接作用效应；③试验管材多为空载工作状态；④模型试验方法中由于模型的等效缩放，存在不可避免的实际尺寸效应。现有试验方法面临很多问题，但关键问题是如何去使试验模型与地震破坏实际情况更加相符，并在此情形下对跨逆断层埋地管线的受力性能及破坏机理进行研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有跨断层埋地管线试验方法的不足，提出一种考虑埋地管线实际接头、在埋地管线里施加传输介质且具有原位原型原状特点的跨断层埋地管线试验方法。本发明的目的是通过以下技术方案解决的:
一种跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述的试验方法采用的步骤如下:
A、选定试验场地并浇筑反力装置，然后将水平运动装置和竖向运动装置架设在反力装置内，同时将位移计放置在水平运动装置和竖向运动装置内的设定位置处；
B、在试验管线上预贴电阻应变片，并将带有指针的套箍套置在试验管线上；
C、将水平运动装置和竖向运动装置内的压力传感器、电阻应变片和位移计分别通过导线与数据采集系统相连；
D、按照试验地管线施工规范开挖管沟，将试验管线的两端部采用钢法兰进行密封后外接用以输入流通介质的泵，另外在介质入口端设置压力表、介质出口端设置阀门后将试验管线放置在管沟内，其中试验管线的一端设置在水平运动装置上；
E、回填并分层夯实试验管线上部的回填土，同时采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测伸出地表的位移指针的平面坐标和竖向高程，然后在试验区域内预定的地表面土体开裂区按照一定间距布置量测地表变形的小木桩，并采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测小木桩的平面坐标和竖向高程；
F、对仪器和加载系统进行调试后将流通介质输入试验管线内以检验仪器设备能否正常运行；
G、检验正常后进行正式加载，试验过程采用位移控制的方式进行，每级加载后采集试验数据，达到试验管线的破坏标准后停止加载完成数据采集，最后对采集的数据进行整理分析后得出验证结果。所述步骤A中的反力装置包括一体浇筑成型的反力台座、垂直设置在反力台座上的水平反力墙和竖向反力墙；竖向运动装置包括加载托板、加载分配梁、垂直千斤顶和压力传感器，上下平行设置的加载分配梁和加载托板之间通过竖向设置的拉索固定相连，垂直千斤顶设置在竖向反力墙的顶部，垂直千斤顶通过其顶端设置的压力传感器和加载分配梁接触相连对竖向运动装置进行加载定位；水平运动装置包括加载推板、滑动装置、水平千斤顶和压力传感器，滑动装置的侧壁焊接在加载推板的侧壁上，水平设置的水平千斤顶设置在滑动装置与水平反力墙之间且水平千斤顶通过其顶端设置的压力传感器与滑动装置的侧壁接触相连对水平运动装置进行加载定位。所述步骤A中的位移计分别与竖向运动装置中的垂直千斤顶和水平运动装置中的水平千斤顶平行设置。所述步骤A中的竖向反力墙和水平反力墙上皆设有分别用于放置垂直千斤顶和水平千斤顶的预埋钢板。所述步骤A中反力台座的底部设有用于抗滑移的基础梁，所述的基础梁与反力台座、竖向反力墙和水平反力墙一体浇筑成型构成反力装置。所述步骤B中的电阻应变片和套箍错位设置在试验管线上，电阻应变片的外侧设有防护层，套箍的指针竖直向上设置且指针外侧设有保护套管。 所述步骤C中的数据采集系统包括数据自动采集静态应变仪、四分之一桥路数据自动采集分析系统和人工数据采集仪，其中电阻应变片连接至数据自动采集静态应变仪，水平位移计和压力传感器连接至四分之一桥路数据自动采集分析系统，竖向位移计连接至人工数据采集仪。所述步骤E中的回填土压实率不得小于80%。所述步骤G中的位移控制以竖向位移作为试验的控制位移，并且按照先施加水平位移再施加竖向位移的方式来完成每一级加载。所述步骤G中的实验数据采集需在每级加载完成2-5分钟后进行，其中每级加载后小木桩和代表管线位移的指针的水平位移和竖向位移采用经纬仪和水准仪测量后利用差值法计算得出，试验管线的破坏标准以竖向运动装置内的垂直千斤顶达到极限量程为准。本发明相比现有技术有如下优点:
本发明提出了一种新的原位原型原状的逆断层位错量施加方法，该加载方法方便、灵活，可多次重复应用于相关试验；且该试验方法考虑试验管线的负载状态以及试验管线接头等实际存在因素的影响，更接近试验管线的实际受力状态，分析结果更为可靠有效。本发明通过水平运动装置和竖向运动装置的设置作为逆断层发震基岩及土体远端边界条件，垂直千斤顶和水平千斤顶实现了逆断层的竖向位错量和水平位错量，并且内有传输介质的试验管线符合埋地管线的实际埋设状态，具有无预加断缝，无土体边界且断裂真实的特点，可广泛适用于跨逆断层埋地管线受力性能及破坏机理的验证试验。
附图1为本发明所采用的试验装置结构示意 附图2为本发明所采用的反力装置结构示意 附图3为本发明所采用水平运动装置的传力机构放置在加载托板上的结构示意图； 附图4为本发明的试验管线电阻应变片布置情况示意 附图5为本发明的试验管线电阻应变片布置情况截面 附图6为本发明的试验管线套箍布置情况示意 附图7为本发明测量地表变形的小木桩布置情况示意图。其中:1 一反力装置；2—反力台座；3—竖向反力墙；4一7jC平反力墙；5—7jC平运动装置；6—竖向运动装置；7—加载托板；8—拉索；9一加载分配梁；10—垂直千斤顶；11一加载推板；12—滑动装置；13—水平千斤顶；14一试验管线；15 —电阻应变片；16—套箍；17—预埋钢板；18—基础梁。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。如图1-7所示:一种跨断层埋地管线原位试验方法，该试验方法采用的步骤如下:
A、选定试验场地并浇筑反力装置1，其中反力装置I包括一体浇筑成型的反力台座2、
竖向反力墙3、水平反力墙4和基础梁19，其中竖向反力墙3和水平反力墙4亦可采用竖向反力架和水平反力架，两个竖向反力墙3分别位于水平反力墙4的两侧且竖向反力墙3和水平反力墙4呈“匚”形垂直设置在反力台座2的上表面上，基础梁18位于反力台座2的底部用于防止反力装置I在使用过程中产生滑移，另外在竖向反力墙3的顶端和水平反力墙4的侧壁上还分别埋设有预埋钢板17，预埋钢板17在反力装置I 一体浇筑成型时埋设；然后将水平运动装置5和竖向运动装置6架设在反力装置I内作为逆断层发震基岩及土体远端边界条件，竖向运动装置6包括加载托板7、加载分配梁9、垂直千斤顶10和位移传感器，上下平行设置的加载分配梁9和加载托板7之间通过竖向设置的拉索8固定相连且加载托板7、拉索8和加载分配梁9构成竖向运动装置6的传力机构，垂直千斤顶10的底座设置在竖向反力墙3顶部预先埋设的预埋钢板18上，垂直千斤顶10通过其顶端设置的压力传感器和加载分配梁9接触相连对竖向运动装置6进行加载定位以实现逆断层的竖向位错量；水平运动装置5包括加载推板11、滑动装置12、水平千斤顶13和位移传感器，其中加载推板11、滑动装置12构成水平运动装置5的传力机构，滑动装置12的侧壁焊接在加载推板11的侧壁上，其中水平设置的水平千斤顶13设置在滑动装置12与水平反力墙4之间，水平千斤顶16的底座放置在水平反力墙4的侧壁上预先埋设的预埋钢板18上并通过其顶端设置的压力传感器与滑动装置12的侧壁接触相连对水平运动装置5进行加载定位以实现逆断层的水平位错量；另外将位移计放置在水平运动装置5和竖向运动装置6内的设定位置处，且其中的水平位移计和水平运动装置5中的水平千斤顶13平行设置，竖直位移计和竖向运动装置6中的垂直千斤顶10平行设置，上述试验装置的结构示意图如图1-3所示； B、通过电热熔焊接的方法连接试验管线14，其中图4中的T表示热熔接头、P表示量测截面，然后将电阻应变片15和套箍16错位设置在试验管线14上，其中试验管线14的每一量测截面P上布置四个测点，即每一量测截面P上贴有四个电阻应变片15，图5中的黑色区域即代表同一截面P上四个电阻应变片15的位置分布，电阻应变片15的外侧设有防护层对其进行防碰撞、防潮包裹处理，另外套箍16的安装结构如图6所示，套箍16由上下两片通过螺栓相连后构成整体，套箍16上的指针位于上片上并竖直向上设置且指针的外侧设有保护套管以防止指针受到周围土体的挤压而产生变形；
C、分别通过导线将电阻应变片15连接至数据自动采集静态应变仪、水平位移计和压力传感器连接至四分之一桥路数据自动采集分析系统、竖向位移计连接至人工数据采集仪；
D、按照试验地管线施工规范开挖管沟，将试验管线14的两端部采用钢法兰进行密封后外接用以输入流通介质的泵，另外在介质入口端设置压力表、介质出口端设置阀门后将试验管线14放置在管沟内，其中试验管线14的一端设置在水平运动装置5上以得到逆断层的试验效果；
E、回填并分层夯实试验管线14上部的回填土，且回填过程中稳定套管位置以使得套箍16上的指针尽量位于套管的圆心位置，同时要求回填土的压实率不得小于80%，另外采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测伸出地表的位移指针的平面坐标和竖向高程，然后在试验区域内预定的地表面土体开裂区按照一定间距布置量测地表变形的小木桩，图7所示的轴线相交位置处的小框架即表示小木桩的位置，同时采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测小木桩的平面坐标和竖向高程；
F、对仪器和加载系统进行调试后将流通介质输入试验管线14内以检验仪器设备能否正常运行；
G、检验正常后进行正式加载，试验过程采用位移控制的方式进行，且位移控制以竖向位移作为试验的控制位移，同时按照先施加水平位移再施加竖向位移的方式来完成每一级加载，每级加载完成2-5分钟后采集试验数据，其中每级加载后小木桩和代表管线位移的指针的水平位移和竖向位移采用经纬仪和水准仪测量后利用差值法计算得出，达到试验管线14的破坏标准后即停止加载完成数据采集，试验管线14的破坏标准以竖向运动装置6内的垂直千斤顶10达到极限量程为准，最后对采集的数据进行整理分析后得出验证结果。下面通过实施例对本发明的原位试验方法进行进一步的说明。本实施例选定的试验场地在南京，并采用模拟南京市城市供水管网来进行试验验证。该试验的具体步骤如下:
A、选定试验场地并浇筑反力装置I，然后将水平运动装置5和竖向运动装置6架设在反力装置I内，同时将位移计放置在水平运动装置5和竖向运动装置6内的设定位置处；
B、试验管选用南京市城市供水常用的聚乙烯管，通过电热熔焊接的方法连接试验管线14，然后将电阻应变片15和套箍16错位设置在试验管线14上，其中试验管线14的每一量测截面P上布置四个测点，即每一量测截面P上贴有四个电阻应变片15，电阻应变片15的外侧设有防护层对其进行防碰撞、防潮包裹处理，考虑到断层作用下试验管线的实际受力情况，在断层引起的土体破裂带附近沿试验管线长度方向电阻应变片15布置截面的间距取为500mm，远离断层区域则沿试验管线长度方向电阻应变片15布置截面的间距增大至1000mm，同时考虑到热熔接头T的初装应力效应，热熔接头T左右两侧的电阻应变片15布置截面的间距取为500 mm，另外套箍16的指针竖直向上设置且在指针的外侧设有直径为500_、长度为1000_的PVC保护套管以防止指针受到周围土体的挤压而产生变形；
C、分别通过导线将电阻应变片15分别连接至一台60接口和两台20接口的数据自动采集静态应变仪、水平位移计和压力传感器连接至四分之一桥路数据自动采集分析系统、竖向位移计连接至人工数据采集仪；
D、根据南京市供水用HDPE管施工规范开挖管沟，管沟采用人工直臂开挖，沟底至地表距离取为1200_，接着将试验管线14的两端部采用钢法兰进行密封后外接加水泵，另外在入水口设置压力表、出水口设置阀门以便试验中可以随时观测水压变化，沟底回填平整之后现场吊装就位试验管线14，其中试验管线14的一端设置在水平运动装置5上以得到逆断层的试验效果；
E、回填并分层夯实试验管线14上部的回填土，且回填过程中稳定套管位置以使得套箍16上的指针尽量位于套管的圆心位置，同时要求回填土的压实率不得小于80%，另外采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测伸出地表的位移指针的平面坐标和竖向高程，然后在试验区域内预定的地表面土体开裂区按照一定间距布置量测地表变形的小木桩，同时采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测小木桩的平面坐标和竖向高程；
F、对仪器和加载系统进行调试后，通过水泵将水输入试验管线14内以检验仪器设备能否正常运行，其中供水水压大小为施工现场放入生活用水标准水压；
G、检验正常后进行正式加载，试验过程采用位移控制的方式进行，共分8级进行加载，加载步骤如表一所示，且位移控制以竖向位移作为试验的控制位移，同时按照先施加水平位移再施加竖向位移的方式来完成每一级加载，每级加载完成3分钟后采集试验数据，其中每级加载后小木桩和代表管线位移的指针的水平位移和竖向位移采用经纬仪和水准仪测量后利用差值法计算得出，达到试验管线14的破坏标准后即停止加载完成数据采集，试验管线14的破坏标准以竖向运动装置6内的垂直千斤顶10达到极限量程为准，最后对采集的数据进行整理分析后得出验证结果。验证结果显示，该试验方法成功地对服役状态下跨逆断层城市供水聚乙烯管进行了试验研究，对跨逆断层埋地管线的受力性能及破坏机理进行了试验验证。
权利要求
1.一种跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述的原位试验方法采用的步骤如下: A、选定试验场地并浇筑反力装置(1)，然后将水平运动装置(5)和竖向运动装置(6)架设在反力装置(I)内，同时将位移计放置在水平运动装置(5 )和竖向运动装置(6 )内的设定位置处； B、在试验管线(14)上预贴电阻应变片(15)，并将带有指针的套箍(16)套置在试验管线上； C、将水平运动装置(5)和竖向运动装置(6)内的压力传感器、电阻应变片(15)和位移计分别通过导线与数据采集系统相连； D、按照试验地管线施工规范开挖管沟，将试验管线(14)的两端部采用钢法兰进行密封后外接用以输入流通介质的泵，另外在介质入口端设置压力表、介质出口端设置阀门后将试验管线(14)放置在管沟内，其中试验管线(14)的一端设置在水平运动装置(5)上； E、回填并分层夯实试验管线(14)上部的回填土，同时采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测伸出地表的位移指针的平面坐标和竖向高程，然后在试验区域内预定的地表面土体开裂区按照一定间距布置量测地表变形的小木桩，并采用经纬仪和水准仪相结合的方法量测小木桩的平面坐标和竖向高程； F、对仪器和加载系统进行调试后将流通介质输入试验管线(14)内以检验仪器设备能否正常运行； G、检验正常后进行正式加载，试验过程采用位移控制的方式进行，每级加载后采集试验数据，达到试验管线(14)的破坏标准后停止加载完成数据采集，最后对采集的数据进行整理分析后得出验证结果。
2.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤A中的反力装置(I)包括一体浇筑成型的反力台座(2)、垂直设置在反力台座(2)上的水平反力墙(3)和竖向反力墙(4);竖向运动装置(6)包括加载托板(7)、加载分配梁(9)、垂直千斤顶(10)和压力传感器，上下平行设置的加载分配梁(9)和加载托板(7)之间通过竖向设置的拉索(8)固定相连，垂直千斤顶(10)设置在竖向反力墙(3)的顶部，垂直千斤顶(10)通过其顶端设置的压力传感器和加载分配梁(9)接触相连对竖向运动装置(6)进行加载定位；水平运动装置(5)包括加载推板(11)、滑动装置(12)、水平千斤顶(13)和压力传感器，滑动装置(12)的侧壁焊接在加载推板(11)的侧壁上，水平设置的水平千斤顶(13)设置在滑动装置(12)与水平反力墙(4)之间且水平千斤顶(13)通过其顶端设置的压力传感器与滑动装置(12)的侧壁接触相连对水平运动装置(5)进行加载定位。
3.根据权利要求1或2所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤A中的位移计分别与竖向运动装置(6)中的垂直千斤顶(10)和水平运动装置(5)中的水平千斤顶(13)平行设置。
4.根据权利要求2所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤A中的竖向反力墙(3)和水平反力墙(4)上皆设有分别用于放置垂直千斤顶(10)和水平千斤顶(13)的预埋钢板(17)。
5.根据权利要求2所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤A中反力台座(2)的底部设有用于抗滑移的基础梁(18)，所述的基础梁(18)与反力台座(2)、竖向反力墙(3)和水平反力墙(4) 一体浇筑成型构成反力装置(I)。
6.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤B中的电阻应变片(15)和套箍(16)错位设置在试验管线(14)上，电阻应变片(15)的外侧设有防护层，套箍(16)的指针竖直向上设置且指针外侧设有保护套管。
7.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤C中的数据采集系统包括数据自动采集静态应变仪、四分之一桥路数据自动采集分析系统和人工数据采集仪，其中电阻应变片(15)连接至数据自动采集静态应变仪，水平位移计和压力传感器连接至四分之一桥路数据自动采集分析系统，竖向位移计连接至人工数据采集仪。
8.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤E中的回填土压实率不得小于80%。
9.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤G中的位移控制以竖向位移作为试验的控制位移，并且按照先施加水平位移再施加竖向位移的方式来完成每一级加载。
10.根据权利要求1所述的跨断层埋地管线原位试验方法，其特征在于所述步骤G中的实验数据采集需在每级加载完成2-5分钟后进行，其中每级加载后小木桩和代表管线位移的指针的水平位移和竖向位移采用经纬仪和水准仪测量后利用差值法计算得出，试验管线(14)的破坏标准以竖向运动装`置(6)内的垂直千斤顶(10)达到极限量程为准。
全文摘要
本发明公开了一种跨断层埋地管线原位试验方法，该试验方法步骤如下A、选定试验场地浇筑反力装置(1)并安装水平运动装置(5)、竖向运动装置(6)和位移计；B、安装试验设备在试验管线(14)上；C、将数据采集设备与数据采集系统相连；D、对试验管线(14)进行处理后放入挖好的管沟内并固定在水平运动装置(5)上；E、分层夯实回填土并量测位移指针和小木桩的平面坐标和竖向高程；F、预加载并调试设备；G、正式加载采集试验数据，最后对数据整理分析后得出验证结果。本发明提出了新的原位原型原状的逆断层位错量施加方法，该方法考虑试验管线接头、负载状态等因素的影响，更符合埋地管线的实际受力状态，分析结果更为可靠有效。
文档编号G01M99/00GK103105308SQ20131002264
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者李鸿晶, 薛娜, 刘爱文, 周正华, 赵雷, 李秀菊 申请人:南京工业大学