一种模拟地震荷载下HDPE波纹管动力响应的实验方法与流程

本发明涉及爆破和管道工程技术领域，更具体地说，涉及一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法。

背景技术：

地下管线是城市的生命线，是城市赖以生存与发展的“神经”和“血管”。埋地管道埋于城市地下，分布地域广阔，常常延伸数十公里，并且被地里的土、砂等介质包围。大量近现代强烈地震的震害实例分析表明，地下管道的损坏会给人类的生活带来不利的影响，而震动是造成其破坏的重要因素。现如今管道材质大部分为混凝土、铸铁以及hdpe波纹管，相比于其他两种材质，hdpe波纹管材质更软，更容易受到破坏。

目前，针对爆破振动对埋地影响问题的研究较多，但对于地震振动对埋地管道的影响相对较少，且多集中在近区爆炸荷载作用下混凝土管道与铸铁管道变形破坏方面。对于hdpe波纹管道地震振动破坏效应方面的研究仍鲜有涉及。

基于此，针对地震动力荷载影响下材质为hdpe波纹管的管道工程，选取材质较软易破坏的hdpe波纹管道为主要研究对象，开展地震动力荷载作用下hdpe波纹管响应特征试验研究，揭示地震动力荷载作用下hdpe波纹管强度变化规律，研究成果对于解决边坡管道工程安全生产问题，指导地震灾害的预防等技术发展具有重要的实际意义和工程应用价值；对于丰富管道应力应变预测和评价方法具有重要的理论意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术在hdpe波纹管道地震振动破坏效应方面和地震振动对埋地管道的影响的研究仍鲜有涉及缺陷，提供一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法，具体包括以下步骤：

s1、利用挖掘机对预先选好的场地开挖沟槽，将hdpe波纹管道埋入挖好的沟槽底部，并利用压路机及夯实机夯实回填土；其中管道内部装置有振动速度传感器，用于监测爆破时管道振动的频率与振动速度；在夯实回填土的同时一方面利用监测装置时刻监测管道应力与变形情况，防止管道的破损和变形；另一方面利用密实度测试仪检测回填土的密实度，使得回填土的密实度与原始状态相同；

s2、采用开山液压钻机爆破凿岩穿孔，并将炸药埋置于岩层进行爆破；

s3、设置不同的爆破条件，根据爆破时管道振动的频率与振动速度，找到最符合地震振动的工况；

s4、基于步骤s3，在符合地震振动的工况下，对管道进行声波测试，分析爆破振动对于管道的损伤程度；

s5、基于步骤s3，在符合地震振动的工况下，根据爆破时管道的振动频率与振动速度，勘测爆破振动对管道振动速度传播规律的影响；

s6、基于步骤s3，在符合地震振动的工况下，测量管道的应力应变数值，勘测爆破振动对管道应力应变的变化规律的影响；

s7、结合步骤s4-s6的结果得到爆破振动模拟地震作用下hdpe波纹管道动力响应规律。

进一步，所述步骤s1中，试验场地选取为一般粘性土层；沟槽的挖掘形状选取为长为5.5-6m，宽为1-1.5m，高为2-2.5m的长方体形状；hdpe波纹管规格为：长6m、内径80cm、外径88cm；管道埋深为2.0m。

进一步，所述步骤s1中，所述的监测装置包括：应变片、振动速度传感器、数据采集仪和计算机；其中应变片部署在管道外表面的迎爆侧、背爆侧、上顶面和下底面上；所述的振动速度传感器置于管道内部；所述的应变片通过数据线与数据采集仪连接，所述的数据采集仪和计算机连接。

进一步的，步骤s2中采用φ90mm的开山液压钻机进行炮孔的钻掘，在距离管道底部轴线m米处,沿管道轴线中垂面上每隔p米埋设akg、bkg、ckg不同分量的炸药包，并将导爆雷管和导爆管引出地面与起爆设备连接；其中m≥p＞0，a,b,c＞0。

进一步的，步骤s2中，在进行爆破实验前，还需进行数据采集仪的调试工作及通道参数的设定；引爆雷管的同时开始采集应变数据，当管道和周围岩土体稳定时，停止数据采集并保存数据；

进一步的，在步骤s4中将采集的管道振动速度时程曲线v(t)进行一次积分，所得的管道的位移衰减曲线即反映了管道振动速度传播规律。

进一步的，在步骤s5中利用管道的本构方程，将采集的管道的动应变时程曲线ε(t)转化为动应力衰减曲线σ(t)，得到管道的动力响应特性，根据所述的动力响应特性进而得到管道应力应变的变化规律；

进一步的，在步骤s6中，利用管道的本构方程，根据管道的动态抗拉强度与萨道夫基公式反算炸药包的最大允许药量，获得管道的振动荷载承受能力，和管道能承受地震荷载的最大值；

在本发明所述的一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法中，提供了一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法，研究了地震振动对埋地管道的影响，通过模拟地震振动，得到了在地震动力荷载作用下hdpe波纹管强度变化规律，根据所述的hdpe波纹管强度变化规律能够有效解决边坡管道工程安全生产问题，指导地震灾害的预防。

实施本发明提供的一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法，具有以下有益效果：

1、本发明模拟地震动力荷载作用对hdpe波纹管道响应特征现场实验方法，在管道内表面分别布置应变片和振动速度传感器，能够对管道的振动特性和动力响应特征进行全面监测，解决了实际工程中深埋管道监测工作难、量测项目不全面的问题。

2、设置可调整的炸药量、爆心距，找到最符合模拟地震动力荷载的频率与振幅，充分考虑到实际发生地震时工程的复杂多样性，为进一步揭示模拟地震动力荷载作用对hdpe波纹管道响应特征提供了试验依据和研究方法，为城市埋地管道的抗震优化和安全防护设计提供了科学依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法流程图；

图2是实验方法的设备部署剖面图；

图3是管道振动传感器测点布置图；

图4是管道应变片测点布置图；

图5是量测装置应变片摆放图；

图6是本发明提供的量测装置结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参考图1，其为一种模拟地震荷载下hdpe波纹管动力响应的实验方法流程图，具体包括以下步骤：

l1、请参考图2，其为实验方法的设备部署剖面图，其中在实施过程中使用的设备包括有：管道1、应变片2、振动速度传感器3和炸药4；在本实施例中选取一般粘性土层作为试验场地，利用挖掘机对试验场地开挖沟槽，其中沟槽选取长为6m，宽为1m，高为2m的长方形形状，将hdpe波纹管道1埋入沟槽底部，并保证管道放置稳固；其中hdpe波纹管规格为：长6m、内径80cm、外径88cm；其中管道1埋深h为2.0m；

由于地表振动速度与管道振动速度的传播规律不一样，为了研究振动速度的响应规律，分别管道1内部和地表处装置振动速度传感器3，所述振动速度传感器3的装置测点位置具体请参考图3，其为管道振动传感器3测点布置图，其中沿管道1轴向每隔两米设置管道内部的装置点分别为d1，d2，d4和d5，在管道1正上方的位置每隔5m设置地表处的装置点分别为d3，d6和d7；所述振动传感器用于监测爆破时管道振动频率和振动速度；

由于荷载的作用位置在管道1的中轴线，根据管道1的长度，选择每隔两米截取一个断面，得到a断面和b断面(如图3所示)；

在管道a断面和b断面分别粘贴应变片2，其具体的粘贴位置请参考图4，其为管道应变片测点布置图，在a断面的迎爆侧、背爆侧、上顶面和下底面的外表面处，b断面迎爆侧和下底面的外表处，沿轴向共布置6个测点，分别为测点1，...，测点6；所述测点即为应变片2的粘贴位置，其中应变片2的粘贴方式具体请参考图5,在测点位置处，轴向应变片粘贴与管道轴向平行处，环向应变片粘贴于垂直与轴向应变片且平行于管道环向处，所述两个应变片为一组粘贴在测点位置；

分层夯实回填上方土体至地表标高，在夯实的同时一方面利用监测装置时刻监测管道应力与变形情况，保证管道时刻处于正常状态；另一方面利用密实度测试仪检测回填土的密实度，当密实度与原始土体的密实度相差不大时，停止夯实；在回填后管道上方土体在预先设计好的位置进行打孔，并埋设好监测装置；

l2、采用φ90mm的开山液压钻机进行炮孔的钻掘，参考图2，在距离管道底部轴线r米处,沿管道轴线中垂面上每隔h米埋设6kg、8kg和10kg的炸药包，并将导爆雷管和导爆管引出地面与起爆设备连接；其中炸药包选取为柱形炸药包4，药包4半径为3cm；本实施例中管道1与爆源4的水平距离r为25米，炸药4埋深h选取为5m，炸药为乳化炸药；

特别需要说明的，进行爆破前，需进行数据采集仪的调试工作及设定通道参数；引爆雷管的同时开始采集应变数据；当管道和周围岩土体稳定时，停止采集，保存数据。

l3、引爆炸药，通过振动速度传感器监测爆破时管道振动的频率与振动速度，找到最符合地震振动的工况；

l4、基于步骤l3，在最符合地震振动的工况下，对管道进行声波测试，分析爆破振动对于管道的损伤程度；

l5、基于步骤l3，在最符合地震振动的工况下，勘测爆破振动对管道振动速度传播规律的影响；

其中，通过监测到的管道振动频率与振动速度，得到管道振动速度时程曲线v(t)，根据所述的管道振动速度时程曲线进而得到管道振动速度传播规律；

l6、基于步骤l3，在最符合地震振动的工况下，勘测爆破振动对管道应力应变的变化规律的影响；

其中，测量管道的应力应变数值，进而得到管道的动应变时程曲线ε(t)，根据所述的动应变时程曲线进而得到管道应力应变的变化规律；

l7、结合步骤l4-l6的结果得到爆破振动模拟地震作用下hdpe波纹管道动力响应规律。

请参考图6，其为本发明提供的量测装置结构示意图，所述的量测装置中应变片2和振动速度传感器3分别通过数据线与数据采集仪5连接；所述的数据采集仪5与外部计算机6连接。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。