一种高山造雪管线摩擦系数测试装置及其方法与流程

本发明涉及管道运输领域，尤其涉及一种高山造雪管线摩擦系数测试装置及其方法。

背景技术：

高山滑雪赛道在施工过程中需铺设造雪管线以保障赛道用雪，尤其是在长距离滑雪赛道，需铺设的造雪管线较长。

由于需要铺设的造雪管线存在一定的倾向角度，增大固定支座的施工难度。若能预估造雪管线与周围土体相互作用产生的摩擦系数，可降低固定支座的施工难度，并且降低施工预算。

因此，如何测定造雪管线与周围土体的摩擦系数，是本领域计算人员额待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种高山造雪管线摩擦系数测试装置及其方法，用于测定造雪管线与周围土体的摩擦系数，从而降低固定支座的施工难度，节约成本。

一方面，本发明提供一种高山造雪管线摩擦系数测试装置，所述高山造雪管线摩擦系数测试装置包括：

所述造雪管线的一端固定在压实土体内，所述造雪管线的另一端设置有反力板，所述反力板与所述造雪管线通过至少一条钢丝连接；所述钢丝上设置有拉力传感器，所述拉力传感器与拉力采集仪电连接；

所述反力板与所述造雪管线之间设置有固定板，所述固定板与所述反力板之间设置有千斤顶；

所述造雪管线的另一端还设置有千分表。

可选的，所述反力板与所述造雪管线通过四条钢丝连接。

可选的，所述压实土体的压实度大于或者等于86％。

可选的，所述压实土体为直径小于或者等于2mm的筛分土。

可选的，所述千分表的另一端固定；

所述固定板的一端固定。

另一方面，本发明提供一种高山造雪管线摩擦系数测试方法，所述高山造雪管线摩擦系数测试方法适用上述高山造雪管线摩擦系数测试装置。

可选的，高山造雪管线摩擦系数测试方法包括：

通过所述千斤顶施加载荷于所述造雪管线；

采集所述拉力传感器产生的拉应力数据，并传输至拉力采集仪；

采集所述千分表的位移数据；

计算所述造雪管线与所述压实土体之间的摩擦系数。

可选的，所述计算所述造雪管线与所述压实土体之间的摩擦系数的计算公式如下：

其中，μ为摩擦系数；f为单位长度摩擦力，单位为n/m；k0为压实土体的静压力系数；dc为造雪管线的外径，单位为m；σv为造雪管线中心线处压实土体应力，单位为pa；g为造雪管线的单位长度自重，单位为n/m；ρ为压实土体的密度，单位为g/cm3；g为重力加速度，单位为9.8m/s²；

所述压实土体的静压力系数k0的计算公式如下：

k0＝1-sinφ(2)

其中，φ为压实土体的内摩擦角；

所述造雪管线中心线处压实土体应力σv的计算公式如下：

σv＝ρ×g×h(3)

其中，ρ为压实土体的密度，单位为g/cm3；g为重力加速度，单位为9.8m/s²；h为造雪管线中心处的压实土体的深度，单位为m。

可选的，所述压实土体的内摩擦角φ的测试方法如下：

根据直接剪切实验测定所述压实土体的抗剪强度；

确定所述压实土体的内摩擦角φ。

可选的，直接剪切实验包括：

选取四个试样，分别在垂直压力为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa进行试验。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

本实施例中的高山造雪管线摩擦系数测试装置，可根据千分表采集到的位移数据，以及采集到的拉应力数据，测试出造雪管线与周围土体的摩擦系数。该摩擦系数的确定，一方面可有助于优化管线固定支座施工参数，降低工程成本及施工周期；另一方面，可降低施工难度，提升施工安全性。再一方面，较高的摩擦系数，可提高造雪管线的稳定性，利用造雪管线的铺设。

并且，本实施例中，较高的压实度以及细腻的筛分土，可使得覆盖造雪管线的土壤抵抗千斤顶带来的较高的牵引力，避免造雪管线的滑动对实验数据的影响，提升测试过程中的安全度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的一种示意图；

图2为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的另一种示意图；

图3为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的另一种示意图；

图4为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试方法的一种流程示意图；

图5为本发明实施例所提供的压实土体的内摩擦角测定方法的流程示意图；

图6为本发明实施例所提供的剪切力与位移的曲线示意图；

图7为本发明实施例所提供的抗剪切力与垂直压力的曲线示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在详细的介绍本实施方案之前，对本发明涉及到的技术脉络进行简单概述：

在高山上铺设管线时，由于管线需要沿着高山的斜度铺设，在固定支座是施工上存在一定的难度，例如，在一些大型的高山滑雪场地，需要铺设造雪管线以实现赛道用雪的长距离运输。此时，若能够确定管线与周围土体的摩擦力，可利用摩擦力优化管线固定支座施工参数，降低工程成本及施工周期。并且，摩擦系数的增大，可提高管线的稳定性。

如何确定造雪管线与周围土体的摩擦系数，确定其摩擦力，降低施工成本，提高造雪管线的稳定性是本领域需要解决的技术难题。

为了解决上述技术难题，发明人提出如下技术方案：

本发明提供一种高山造雪管线摩擦系数测试装置，如图1所示，其为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的一种结构示意图，高山造雪管线摩擦系数测试装置100包括：

造雪管线11的一端固定在压实土体17内，造雪管线11的另一端设置有反力板12，反力板12与造雪管线11通过至少一条钢丝19连接。钢丝19上设置有拉力传感器20，拉力传感器20与拉力采集仪18电连接。具体的，本实施例可选取长度为2m至3m造雪钢管作为被测量的造雪管线。

示例性的，覆盖造雪管线的土壤若比较松散，在较大拉应力下，会造成造雪管线是滑动距离较长，一方面会影响实验数据的准确性，另一方面还威胁实验安全。因此，压实土体的压实度对摩擦系数的测定有着至关重要的影响。

本实施例中，压实土体的压实度可大于或者等于86％，且压实土体可为直径小于或者等于2mm的筛分土。较高的压实度以及细腻的筛分土，可使得覆盖造雪管线的土壤抵抗千斤顶带来的较高的牵引力，避免造雪管线的滑动对实验数据的影响，提升测试过程中的安全度。

本实施例中的压实度可理解为土壤被压实后的干容重与该土壤的标准干密度之比，具体的测试方法如下：

预先在环刀内壁涂一层凡士林，避免土壤与容器之间的摩擦力对测试结果的影响；在设定检测位置将环刀的刀口向下放置在土体上；通过修土刀或钢丝锯将土样削成略大于环刀直径的土样，然后将环刀垂直加压至土样伸出环刀上部为止；削去两端余土使之与环刀两面齐平；擦净环刀外壁，称量其质量，准确至0.1g。计算出土样的干密度，进而获得压实度及压实土体密度。压实度又可称之为压实系数，可理解为现场单位体积压实后重量与实验室做出的定位体积最大实重量的比值。压实系数愈接近1，表明压实质量要求越高。

需要说明的是，因试验过程中压实度对管线摩擦力有着至关重要的影响，因此每次试验过程中都需对回填压实的土体进行压实度测量，以保障测试结果的准确性。

继续参见图1，反力板12与造雪管线11之间设置有固定板14，固定板14与反力板12之间设置有千斤顶13。在测试过程中，千斤顶13将反力板12顶起，通过钢丝19施加载荷于造雪管线11，由于钢丝上设置有拉力传感器20，可将拉应力数据采集并传输至拉力采集仪18。由于千斤顶13直接作用于固定板14上，因此需确保其有足够强度足以开展摩擦力测试试验。

造雪管线11的另一端还设置有千分表16，千分表16用于记录位移数据。具体的，随着加载应力的不断增加，当千分表16指针开始摆动时，利用拉力采集仪18记录下拉应力值，并持续加载，记录下千分表16的位移数据。

本实施例中的高山造雪管线摩擦系数测试装置，可根据千分表16采集到的位移数据，以及采集到的拉应力数据，测试出造雪管线与周围土体的摩擦系数。该摩擦系数的确定，一方面可有助于优化管线固定支座施工参数，降低工程成本及施工周期；另一方面，可降低施工难度，提升施工安全性；再一方面，较高的摩擦系数，可提高造雪管线的稳定性，利于造雪管线的铺设。

在一种实施方式中，如图2所示，其为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的另一种结构示意图，其中，反力板12与造雪管线11通过四条钢丝19连接。钢丝19的数量较多，可固定二者的相对位置，避免晃动，提高测试结果的准确性。

在一种实施方式中，如图3所示，其为本发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试装置的另一种结构示意图，其中，千分表16的另一端固定，具体的，可理解为千分表16的另一端固定在大地15上。这样可避免千分表16的晃荡，保证其数值的准确性。

同理，如图3所示，固定板14的一端也固定在大地15上，在千斤顶的作用下，避免固定板14受其影响，保证测试数据的准确性。

本发明提供一种高山造雪管线摩擦系数测试方法，高山造雪管线摩擦系数测试方法适用上述实施例的高山造雪管线摩擦系数测试装置100。

如图1和图4所示，图4为本发发明实施例所提供的高山造雪管线摩擦系数测试方法的一种流程示意图，高山造雪管线摩擦系数测试方法包括：

s101、通过千斤顶施加载荷于造雪管线。

s102、采集拉力传感器产生的拉应力数据，并传输至拉力采集仪。

s103、采集千分表的位移数据。

s104、计算造雪管线与压实土体之间的摩擦系数。

单位摩擦力f的计算公式如下：

其中，f为单位长度摩擦力，单位为n/m，该单位长度摩擦力可由拉力采集仪18得出；μ为摩擦系数；k0为压实土体的静压力系数，其计算可参考公式(2)；dc为造雪管线的外径，单位为m，可在测试前得到准确数据；σv为造雪管线中心线处压实土体应力，单位为pa，其计算可参考公式(3)；g为造雪管线的单位长度自重，单位为n/m，其数值可在测试前得到；ρ为压实土体的密度，单位为g/cm3，可由环刀测量法得出；g为重力加速度，单位为9.8m/s²。

进一步的，压实土体的静压力系数k0的计算公式如下：

k0＝1-sinφ(2)

其中，φ为压实土体的内摩擦角。其具体的测定方法如下：

如图5至图7所示，图5为本发明实施例所提供的压实土体的内摩擦角测定方法的流程示意图，图6为本发明实施例所提供的剪切力与位移的曲线示意图，图7为本发明实施例所提供的抗剪切力与垂直压力的曲线示意图，压实土体的内摩擦角φ的测试方法如下：

s201、根据直接剪切实验测定压实土体的抗剪强度。

s202、确定压实土体的内摩擦角φ。

更进一步的，直接剪切实验包括：

选取四个试样，分别在垂直压力为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa进行试验。

在如图6所示，在垂直压力为100kpa时，其剪切力约为120kpa；在垂直压力为200kpa时，其剪切力约为207kpa；在垂直压力为300kpa时，其剪切力约为281kpa；在垂直压力为400kpa时，其剪切力约为325kpa。如图7所示，在图6所示基础上，选取垂直压力对应的最大值，将四个点拟合出一条直线，其斜率即为内摩擦角φ，约为35.80°。

又进一步的，造雪管线中心线处压实土体应力σv的计算公式如下：

σv＝ρ×g×h(3)

其中，为压实土体的密度，单位为g/cm³；为重力加速度，单位为9.8m/s²；为造雪管线中心处的压实土体的深度，单位为m，测试前可得到该数值。

因此，根据上述公式(2)至公式(4)可知，造雪管线与压实土体之间的摩擦系数的计算公式如下：

其中，公式(1)中的标记可参考公式(4)中的标记。

本实施例中的高山造雪管线摩擦系数测试方法，可根据千分表采集到的位移数据，以及采集到的拉应力数据，测试出造雪管线与周围土体的摩擦系数。该摩擦系数的确定，一方面可有助于优化管线固定支座施工参数，降低工程成本及施工周期；另一方面，可降低施工难度，提升施工安全性。再一方面，较高的摩擦系数，可提高造雪管线的稳定性，利用造雪管线的铺设。

需要强调的是，虽然本实施例是以高山滑雪赛道的建设为基础设计的技术发明，但是本领域技术人员在参阅本方案之后，可将其运用到高山管道的铺设上面，这是显而易见的。因此以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。