管道振动及土体孔压响应测量装置及其用于测量土体性质的系统的制作方法

本实用新型为一种管道振动及土体孔压响应测量的装置，属于地质勘探技术领域。

背景技术：

海底管道是海洋油气资源运输过程中的基础设施，由于海底环境复杂，海底管道的材料和铺设要求很高，投入和风险也非常大，海底管道每公里造价约为 30～100万美元。同时由于海底环境复杂多变，海床土体只有提供足够的阻力以平衡环境荷载才能保证海底管道的稳定运行，否则海底管道的安全性将受到影响。

波浪的周期性运动将导致海床土体产生瞬态的附加孔隙水压力，并造成海床土体孔隙水压力累积，极端情况下使管道周围海床土体发生液化。与此同时，在波浪侵蚀下，海底管道会产生悬跨，海流的作用将导致悬跨段管道产生涡激振动，该振动会沿管道向两端传播，进而导致一定距离内的入泥管道也会随之振动。而管道的振动必然影响支撑点土体工程性质，并进一步诱发支撑点的土体液化，从而加剧海床的冲刷程度。这样，波浪与管道振动相互作用，会对海床土体抗剪强度产生重要影响，从而导致管道事故。管道事故又将导致油气泄漏，造成大面积海域污染，破坏生态平衡。因此，测量波浪作用下振动管道周围海床的孔隙水压力变化对海底管道稳定性的研究具有重要的科学和实用性意义。但由于目前的试验技术和手段不够先进，且相关研究人员忽视了海底管道在海底波浪和海流作用下会产生振动的问题，而管道振动又会对周围土体孔压变化发生重要的影响。现阶段室内模拟试验对管道周围土体孔压测量都基于管道是静止的条件下，这样测量出来的数据并不能准确反应实际情况下海底管道土体孔压的变化。

所以，发明一种管道振动及土体孔压响应测量的装置是非常具有实用意义的，能够更好地服务于海底管道的建设。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种管道振动及土体孔压响应测量的装置，以弥补现有技术的不足。

室内水槽试验是研究海底管道与海底土相互作用机理的一个重要的途径。水槽内的造波设备可以产生与实际波浪相似的规则波或者不规则波，从而对海底管道的运行环境进行模拟，因此目前普遍采用水槽试验的方法研究海底管道问题。

然而，以往的水槽试验中只模拟了波浪作用，没有模拟海流作用，而海流作用也是导致海底管道悬垮从而产生振动的重要因素。因此，在已有试验条件下，既没有对管道施加海流作用的影响，也没有对波浪和海流作用下管道的振动状态进行模拟，试验管道往往处于静止状态，使得这项试验简化了管道在海底实际使用过程中的情况，测试得到的试验数据不利于对海底管道的稳定性做出正确评价。

本实用新型的振动装置可以对室内水槽试验条件下的管道施加振动，并且通过调整其振动频率，能够有效的模拟海底管道在海底波浪和海流作用下产生的振动状态。

综上，本实用新型旨在测量室内水槽试验里振动管道下的土体的孔压变化，基于该发明得到的测量数据将更加准确的反应实际情况下海底管道周围土体孔压变化情况。

本实用新型是对管道施加振动并控制和测量其振动频率，模拟海底管道在波流作用下的振动，测量管道振动作用下土体孔压变化的装置，得到海底管道振动条件下周围的土体孔隙水压力变化。

为达到上述目的，本实用新型采取的具体技术方案为：

一种管道振动及土体孔压响应测量的装置，该装置包括偏心轮振动器、加速度传感器和数据采集与控制仪；所述偏心轮振动器和加速度传感器均设置在管道上，所述数据采集与控制仪用于控制偏心轮振动器和加速度传感器。

基于上述装置测量管道振动作用下土体孔压变化的系统，该系统包括：管道的振动与控制单元和孔隙水压力测量单元；所述的管道的振动与控制单元包括偏心轮振动器、加速度传感器和数据采集与控制仪，所述偏心轮振动器和加速度传感器均设置在管道上，所述数据采集与控制仪用于控制偏心轮振动器和采集加速度传感器的数据；所述孔隙水压力测量单元包括八通道孔隙水压力数据采集仪和孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器采集到的数据传至八通道孔隙水压力数据采集仪。

使用流程：

首先，向水槽中铺设试验所需要的泥土，将偏心轮振动器和加速度传感器通过螺丝孔一和螺丝孔二用螺母固定于管道上，将它们埋在泥土层，再分别用导线一和导线二与数据采集与控制仪相连；把孔隙水压力传感器均匀埋在管道周围，通过导线三与八通道孔隙水压力数据采集仪相连。向水槽内注入水，准备试验。

然后通过试验水槽内部的造波器造波，待波浪稳定并冲刷一段时间后，通过数据采集与控制仪调节偏心轮振动器振动频率，采集加速度传感器传递的管道实际振动频率；管道开始振动后，通过八通道孔隙水压力数据采集仪和孔隙水压力传感器采集振动管道周围的孔隙水压力数据。

本实用新型的优点和技术效果：

本实用新型对不同管径的管道施加振动并控制和测量其振动频率，模拟实际情况下海底管道的振动，然后测量振动管道周围的土体孔隙水压力变化，从而为海底管道设计提供科学依据。且该装置的主要部件各自独立，它们通过螺母和导线进行组装，可灵活安装于不同管径的管道，试验完后可以拆卸，成本低廉，操作简便。

本实用新型能够有效解决如何模拟海底管道振动和测量振动管道周围土体孔隙水压力测量的技术问题。并通过实验验证，使用本装置能够有效测量振动海底管道周围的孔压变化。

附图说明

图1为本实用新型的管道振动与控制系统示意图。

图2为本实用新型的孔隙水压力测量系统示意图。

图3为本实用新型的偏心轮加速器结构示意图。

图4为本实用新型的加速度传感器结构示意图。

图5为本实用新型的孔隙水压力传感器结构示意图。

图6为本实用新型的水槽试验工作示意图。

图7为本实用新型的孔隙水压力传感器布设位置剖面示意图。

其中，1-偏心轮振动器；2-加速度传感仪；3-数据采集与控制仪；4-八通道孔隙水压力数据采集仪；5-孔隙水压力传感器；6-八通道孔隙水压力数据采集仪显示屏；7-螺丝孔一；8-导线一；9-螺丝孔二；10-感应端一；11-导线二；12-感应端二；13-导线三。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本实用新型进一步解释和说明。

实施例1：

一种管道振动及土体孔压响应测量的装置，如图1所示，该装置包括偏心轮振动器1、加速度传感器2和数据采集与控制仪3；所述偏心轮振动器1和加速度传感器2均设置在管道上，所述数据采集与控制仪3用于控制偏心轮振动器1 和加速度传感器2。

实施例2：

基于实施例1得到的装置测量管道振动作用下土体孔隙水压力的系统，该系统包括，如图1-5所示：管道的振动与控制单元、孔隙水压力测量单元；所述的管道的振动与控制单元包括偏心轮振动器1、加速度传感器2和数据采集与控制仪3，所述偏心轮振动器1和加速度传感器2均设置在管道上，所述数据采集与控制仪3用于控制偏心轮振动器1和采集加速度传感器2的数据；所述孔隙水压力测量单元包括八通道孔隙水压力数据采集仪4和孔隙水压力传感器5，所述孔隙水压力传感器5采集到的数据传至八通道孔隙水压力数据采集仪4。

首先，把试验用的玻璃水槽底部铺垫一定厚度(约30cm)的泥土，将偏心轮振动器1和加速度传感器2用一次成型的塑料薄膜圆筒包裹以防水，再通过螺丝孔一7和螺丝孔二9用螺母固定于管道上，注意保证感应端一10与管道接触良好，将它们埋在泥土层，再分别用导线一8和导线二11与水槽外的数据采集与控制仪3相连，如图1和图6。

数据采集与控制仪3集成了数据采集和电流控制等功能，可连接直流电和交流电，通过调节电流大小控制偏心轮振动器1的振动频率，也可以采集加速度传感器2传递的实际管道的振动频率。同时，数据采集与控制仪3配置显示屏，可实时显示施加于偏心轮振动器1的电流信息和加速度传感器2传输的管道振动频率的信息。数据采集与控制仪集3配有USB接口，可将数据信息传到电脑上，并通过数据采集软件对数据进行处理。

把6个孔隙水压力传感器5均匀埋在管道周围，距离管道约5cm，感应端二 12方向要正对波浪前进的方向，后端通过导线三13与水槽外的孔隙水压力数据采集仪4连接，如图6、图7。

孔隙水压力数据采集仪4的孔隙水压力数据采集仪显示屏6可实时显示各个通道的工作情况和数据信息。它可通过USB接口与电脑相连，将采集到的数据传递到电脑，进行数据读取和处理。

上述仪器都准备就绪，向水槽内注水，直至水深高于泥沙30～50cm，然后通过试验水槽内部的造波器造波，待波浪稳定并冲刷一段时间后，打开图1中的数据采集与控制仪3，通过偏心轮振动器1使管道振动，并调节管道振动的频率，且获得加速度传感器2传输的管道振动的数据。待管道振动达到试验设计所需要的振动频率后，打开图2中的孔隙水压力数据采集仪4，通过孔隙水压力传感器 5进行孔隙水压力的数据采集。

最后，把收集到的孔隙水压力数据导入电脑中，然后进行数据分析和处理。

以下为该装置的具体实施例中的试验设计方案与试验数据。

Test 1和Test2试验结果表明，其余条件相同，管道分别在静止和振动条件下，周围的土体孔隙水压力有非常显著的差别：振动管道下的孔隙水压力积累时间较长，且峰值比静止管道大。Test2和Test3试验结果表明，在管径不同，其余条件相同的情况下，大管径的管道孔隙水压力积累时间较长，峰值更大。

表1管道振动与海底土相互作用机理研究试验方案

表2管道振动与海底土相互作用机理研究数据

试验证明，本发明装置可以有效的对不同管径的管道施加振动，并且测量管道周围土体孔隙水压力，弥补了关于海底管道等工程试验领域无法测量管道振动条件下周围土体孔隙水压力的不足。