为了防止实验过程中管线重心的偏移，选用配重钢筋的长度均为88cm，堵头23和轴承24的厚度均为3cm，被测管线11两端的轴承可以沿一固定轴线旋转，使得可升降推板16与轴承24之间的摩擦为滚动摩擦，最大限度地降低管线在竖直方向上受到的阻力，更为真实地模拟管线的运动轨迹。
[0026]试验时，一根装配有所述堵头23和所述轴承24的所述钢管段22作为被测管段11被填土掩埋或直接放置在所述试验槽4内，所述被测管段11沿所述试验槽的宽度方向设置。被测管段两端的堵头与试验槽两侧内壁不接触，既消除了被测管段端部对前方土坝的端部效应，也最大化地减少了被测管段两端与试验槽内壁的摩擦，能够降低试验误差。
[0027]在所述轴承24的两侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板13，在所述传力板13的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块II 15，所述滑块II 15装配在水平纵向导轨9上，所述水平纵向导轨9沿所述试验槽4的长度方向固定在所述试验槽4的顶面上；在所述传力板13的左右两侧各设有两个分设在对应所述轴承24两侧的可升降推板16，所述可升降推板16安装在竖直导向滑框17内，所述竖直导向滑框17固定在所述传力板13上；所述可升降推板16设有升降驱动装置。
[0028]所述传力板13与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板10和丝杠8，所述丝杠8通过支架7支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板10上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠8上，所述丝杠8由伺服电机减速器6驱动，所述伺服电机减速器6由控制器5控制；所述加力板10通过滑块I 14连接在所述水平纵向导轨9上，所述加力板10与所述传力板13通过拉压力传感器12连接。
[0029]所述数据采集系统包括所述拉压力传感器12、深度传感器或所述千分表(图中未示出)、一台动静态应变采集仪3、一台计算机2和一个摄像头1，所述深度传感器或所述千分表安装在所述传力板13上，用于获取被测管段11的深度数据，所述拉压力传感器12和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪3连接，所述动静态应变采集仪3和所述摄像头I分别与所述计算机2连接；所述摄像头I固定在支撑杆上并获取所述被测管段11运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板13上。
[0030]摄像头I所采集记录的管线运动方向前部土体破坏情况通过数据线传输并呈现在计算机2上。与此同时，被测管段11的竖向位移通过所述深度传感器或者所述千分表测定，然后通过数据线传递到动静态应变采集仪3上，动静态应变采集仪3上的数据通过数据线传递到计算机2上，同时显示具体的数据图。所述拉压力传感器12及时检测出被测管段11受到的水平向土体抗力的大小，通过数据线传递给动静态应变采集仪3，随后传递给计算机2，并显示及时的抗力变化曲线。上述数据采集系统可以根据不同的试验要求记录管线水平向运动过程中的轨迹变化、所受水平向抗力的大小变化情况以及管线运动方向前部土体的破坏变形情况。
[0031]本发明尽可能地减小了被测管段在竖直方向受到的附加阻力，从而还原了实际管线在竖直方向的无约束状态。并且本发明能够模拟管线的循环往复运动。
[0032]采用本发明通过室内试验分析研究管线在土体中的循环往复运动，能够模拟不同试验条件下海底管线水平向运动过程中的运动轨迹，同时分析研究管线运动过程中地基土抗力的变化，进一步分析循环往复运动和单次单向运动的区别，分析土体的破坏模式，研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重、管线的外部直径及管线运动速率、曲率等多种因素对土体抗力的影响，为水平向大位移管-土相互作用模型的建立提出有力的数据，进而分析管线运动轨迹与所受土体抗力间的相互关系，建立更为细致的管线相互作用模型，为管线的稳定性设计提供了更为细致的依据。
[0033]在本实施例中，上述升降驱动装置包括安装在所述可升降推板16上的竖向设置的齿条21，所述齿条21与齿轮19啮合，所述齿轮19安装在升降减速器20的输出轴上，在所述升降减速器20的输入轴上安装有手轮18。上述结构，操作方便，成本低。上述试验槽4为长、宽、高分别为3m、l.lm、Im的钢槽，为了方便对试验过程进行观察分析，其四周安置了钢化玻璃并在其上沿高度方向标有刻度。并且所述试验槽的四周是密封的，可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。
[0034]采用本发明进行试验开始前，首先测定填土的物理力学特性，当填土为无粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角。按照预设的密实度，将土体装入试验槽内，根据有限元的计算结果可知，被测管段横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于I倍管径，因此被测管段的下部土体厚度应大于I倍管径，然后安放试验管段，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为地设定埋深，用填土将被测管段掩埋在所述试验槽内。当填土为粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度，按照预设的含水率和容重，将土体装入试验槽内，且下部土体厚度大于I倍管径，与无粘性土一样，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的按照预设深度进行埋设。如果需要分析被测管段重量的影响则可在以上步骤完成后，将被测管线的堵头打开，将所需钢筋加入钢管段中，以达到预设的重量。
[0035]试验开始后，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。首先对动静态应变仪进行平衡、清零，而后设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数，启动伺服电机减速器，加荷速度可以在可I?lOmm/s之间变化，水平向位移的最大值由试验槽的长度大小决定。管线开始运动后，动静态应变仪采集被测管段的位移与受到的土体抗力，摄像头监测被测管段运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律。
[0036]试验结束后，依次关闭伺服电机减速器、动静态应变采集仪及摄像头，整理试验数据。采用本发明测定的不同重量管段在不同埋置深度时管段前部berm的横断面面积变化如图6所示。
[0037]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验配件； 所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段及其配重钢筋，每根所述钢管段的两端均设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵固定在相应的所述钢管段内，在所述堵头的外侧中部设有外凸的轴头，在所述轴头上安装有轴承，所述轴承的内圈固装在所述轴头上； 试验时，一根装配有所述堵头和所述轴承的所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置； 在所述轴承的两侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块II，所述滑块II装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上；在所述传力板的左右两侧各设有两个分设在对应所述轴承两侧的可升降推板，所述可升降推板安装在竖直导向滑框内，所述竖直导向滑框固定在所述传力板上；所述可升降推板设有升降驱动装置； 所述传力板与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块I连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接; 所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述深度传感器或所述千分表安装在所述传力板上，用于获取被测管段的深度数据，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。2.根据权利要求1所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，所述升降驱动装置包括安装在所述可升降推板上的竖向设置的齿条，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮安装在升降减速器的输出轴上，在所述升降减速器的输入轴上安装有手轮。3.根据权利要求1所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，在所述试验槽的四周设置有钢化玻璃。4.根据权利要求3所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，在所述试验槽的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。
【专利摘要】本发明公开了一种无约束管段水平向循环加载测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验配件；试验配件包括多根直径各不相同的钢管段及其配重钢筋，每根钢管段的两端均设有堵头，配重钢筋被堵头封堵固定在相应的钢管段内，在堵头的外侧中部设有外凸的轴头，在轴头上安装有轴承；在轴承的两侧设有传力系统；传力系统包括传力板，在传力板的两侧各设有两个可升降推板，两个可升降推板分设在对应所述轴承的两侧，可升降推板设有升降驱动装置。本发明还原了实际情况下管线水平向往复运动过程中其前部berm的产生、变化情况，能够为分析管线前部berm的产生、变化规律以及其所提供的抗力大小提供实验数据。
【IPC分类】G01M13/00
【公开号】CN105067237
【申请号】CN201510450423
【发明人】刘润, 彭碧瑶, 范奇, 王乐
【申请人】天津大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月27日