模拟多方向地层运动下管土相互作用的试验装置及方法与流程

1.本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的试验装置及方法。


背景技术：

2.随着经济社会和城市化进程高速发展，构成地下管网与能源基础设施的管道里程飞快增加。地震断层、施工塌陷、山体滑坡、砂土液化和土体侵蚀等是目前致使管道破坏的常见灾害。在这些破坏过程中，管道与土体之间往往产生相对位移，一旦所产生的相对位移过大，就会使得管道发生应变破坏或应力破坏。管道布设距离长、埋深大，管道破坏地点和破坏时间具有不确定性，破坏时管道与土体的变形受力特性一般难以进行监测研究，管道工程灾害分析较难推进。
3.物理试验箱可以很好地解决上述问题，能直观具体地揭示灾害过程中管土间相互作用的规律。在现有技术中，存在一种装配式多功能岩土工程试验模型箱，但该方案存在以下不足：
4.1.无法模拟管道与土体之间发生相对位移；
5.2.无法模拟不同工况下管道发生应变破坏或应力破坏；
6.3.无法对产生相对位移时管道及土体的受力和变形进行监测评估；
7.4.未能考虑试验结束后试验箱内部土体的卸载。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的试验装置及方法，以解决现有技术无法实现多工况模拟的问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的试验装置，包括试验箱、试验管、拆卸式钢板、驱动机构和检测机构；所述试验箱的一侧壁设有管槽，所述管槽竖向延伸布置；所述试验管设于所述试验箱内；所述拆卸式钢板以可拆卸的方式安装在所述试验箱设有所述管槽的侧壁内，所述拆卸式钢板上设有多个线孔，多个所述线孔均与所述管槽相对布置，多个所述线孔沿所述管槽的布置轨迹间隔分离布置；所述驱动机构包括直导轨、驱动电机和拉绳；所述直导轨上设有定滑轮和动滑轮，所述动滑轮以可移动和定位的方式安装于所述直导轨上；所述驱动电机的输出轴与所述拉绳连接，所述拉绳绕过所述定滑轮和所述动滑轮后穿过所述线孔，并与所述试验管连接，所述驱动电机用于通过所述拉绳拉动所述试验管移动；所述检测机构用于监测收集所述试验管产生位移时的试验数据。
10.在其中一个实施例中，所述试验箱的一侧壁设有多条所述管槽，多条所述管槽平行排列布置；所述拆卸式钢板设有多排所述线孔，多排所述线孔分别与多条所述管槽相对布置；所述驱动机构为多个，多个所述驱动机构的所述拉绳分别穿过多排所述线孔与所述试验管连接。
11.在其中一个实施例中，所述试验装置还包括中继导轨，所述中继导轨设于所述试验箱的上部，所述中继导轨上设有多个中继定滑轮，所述中继定滑轮用于供所述拉绳穿过后与所述试验管连接。
12.在其中一个实施例中，所述检测机构包括柔性薄膜压力传感器、应变片、数据采集仪和计算机；所述柔性薄膜压力传感器和所述应变片均设于所述试验管的外表面，所述柔性薄膜压力传感器和所述应变片均与所述数据采集仪电性连接，所述数据采集仪与所述计算机电性连接，所述计算机用于经所述数据采集仪获得所述所述柔性薄膜压力传感器和所述应变片的检测数据并进行分析。
13.在其中一个实施例中，所述柔性薄膜压力传感器包裹于所述试验管一端的外部，且所述柔性薄膜压力传感器还包裹于所述试验管的中部外；所述应变片设于所述试验管的两端和中部外，且在所述试验管设有所述应变片的位置上，所述应变片以布置于所述试验管相对两侧的形式布置。
14.在其中一个实施例中，所述检测机构还包括拉绳式位移传感器和金属芯绳，所述拉绳式位移传感器与所述试验管设于同一水平面上，所述拉绳式位移传感器设于所述试验管背离所述拉绳的一侧，所述拉绳式位移传感器通过所述金属芯绳与所述试验管连接，所述拉绳式位移传感器与所述数据采集仪电性连接，所述拉绳式位移传感器用于将采集的数据经所述数据采集仪送至所述计算机进行分析。
15.在其中一个实施例中，所述检测机构还包括拉力压力传感器，所述拉力压力传感器设于所述试验箱内，且所述拉力压力传感器设于所述拉绳上，所述拉力压力传感器与所述数据采集仪电性连接，所述拉力压力传感器用于将采集的数据经所述数据采集仪送至所述计算机进行分析。
16.在其中一个实施例中，所述试验箱的一侧壁为钢化玻璃板，所述检测机构还包括数码相机和倾角仪，所述数码相机设于所述试验箱外，所述数码相机和所述试验管相对布置于所述钢化玻璃板的两侧，所述数码相机与所述数据采集仪电性连接，所述数码相机用于将采集的数据经所述数据采集仪送至所述计算机进行分析；所述倾角仪设于所述试验箱内，所述倾角仪设于所述拉绳上。
17.在其中一个实施例中，所述试验箱的底板设有多个可开合的卸土盖，多个所述卸土盖分别布置于所述试验箱底板的周侧。
18.为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的方法，应用了上述的试验装置，包括以下步骤，
19.步骤s1，将土体以分层压实法或砂雨法在所述试验箱内部铺设土层，每达到一定高度后，对所述土层进行整平，并检测所述土层的密实度，多次重复上述步骤直至所述土层达到固定高度；
20.步骤s2，将所述试验管放置在所述试验箱中，并调节所述试验管至要求的安装位置；
21.步骤s3，将所述检测机构的各个部件安装至要求的位置；
22.步骤s4，调节所述动滑轮至需求的高度，并完成所述拉绳与所述试验管的连接；
23.步骤s5，继续所述土体以分层压实法或砂雨法在所述试验箱内部铺设所述土层，每达到一定高度后，对所述土层进行整平，并检测所述土层的密实度，多次重复上述步骤直
至所述土层达到固定高度；
24.步骤s6，在启动所述试验装置之前，对所述试验装置进行调试，调试完后启动所述试验装置，利用所述检测机构收集试验过程中的管土数据，当所述试验管移动到特定距离后，关闭所述试验装置，停止收集数据。
25.本发明的有益效果如下：
26.由于多个所述线孔沿所述管槽的布置轨迹间隔分离布置，所述驱动电机的输出轴与所述拉绳连接，所述拉绳绕过所述定滑轮和所述动滑轮后穿过所述线孔，并与所述试验管连接，所述驱动电机用于通过所述拉绳拉动所述试验管移动，即拉绳可以穿过不同的线孔与试验管实现连接，从而改变施例方向，实现了不同工况的模拟，切实解决了现有技术无法实现多工况模拟的问题。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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他的附图。
28.图1是本发明试验装置实施例提供的结构示意图；
29.图2是图1的俯视状态结构示意图；
30.图3是图1的试验管结构示意图；
31.图4是图1孔塞结构示意图；
32.图5是图1的拆卸式钢板结构示意图。
33.附图标记如下：
34.10、试验箱；11、管槽；12、钢化玻璃板；13、卸土盖；
35.20、试验管；
36.30、拆卸式钢板；31、线孔；32、翻页；33、孔塞；
37.40、驱动机构；41、直导轨；42、驱动电机；43、拉绳；44、定滑轮；45、动滑轮；46、中继导轨；47、中继定滑轮；
38.50、检测机构；51、柔性薄膜压力传感器；52、应变片；53、数据采集仪；54、计算机；55、拉绳式位移传感器；56、金属芯绳；57、拉力压力传感器；58、数码相机；59、倾角仪。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
40.本发明提供了一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的试验装置，其实施例如图1至图5所示，包括试验箱10、试验管20、拆卸式钢板30、驱动机构40和检测机构50；试验箱10的一侧壁设有管槽11，管槽11竖向延伸布置；试验管20设于试验箱10内；拆卸式钢板30以可拆卸的方式安装在试验箱10设有管槽11的侧壁内，拆卸式钢板30上设有多个线孔31，多个线孔31均与管槽11相对布置，多个线孔31沿管槽11的布置轨迹间隔分离布置；驱动机构40包括直导轨41、驱动电机42和拉绳43；直导轨41上设有定滑轮44和动滑轮45，动滑轮45以可移动和定位的方式安装于直导轨41上；驱动电机42的输出轴与拉绳43连接，拉绳43绕过
定滑轮44和动滑轮45后穿过线孔31，并与试验管20连接，驱动电机42用于通过拉绳43拉动试验管20移动；检测机构50用于监测收集试验管20产生位移时的试验数据。
41.具体的，此实施例的拆卸式钢板30可设置有翻页32，通过翻页32与试验箱10实现可拆卸式连接；而线孔31上可设有可插拔的孔塞33，以防止土体的流失；在进行应用时，此实施例的拉绳43可以穿过不同的线孔31与试验管20实现连接，从而改变施例方向，实现了不同工况的模拟，切实解决了现有技术无法实现多工况模拟的问题。
42.如图1、图2和图5所示，试验箱10的一侧壁设有多条管槽11，多条管槽11平行排列布置，拆卸式钢板30设有多排线孔31，多排线孔31分别与多条管槽11相对布置；驱动机构40为多个，多个驱动机构40的拉绳43分别穿过多排线孔31与试验管20连接。
43.譬如在此实施例中，管槽11设置为两条，两条管槽11呈对称布置，所以此实施例将可通过两个驱动机构40对试验管20进行拉动，丰富了对试验管20实现移动控制的方式；譬如当两个驱动机构40同步启动时，则可确保对试验管20的施力平衡，当两个驱动机构40异步启动时，则可实现特殊工况的模拟。
44.如图1和图2所示，试验装置还包括中继导轨46，中继导轨46设于试验箱10的上部，中继导轨46上设有多个中继定滑轮47，中继定滑轮47用于供拉绳43穿过后与试验管20连接。
45.在增设中继导轨46后，即拉绳43并非必须穿过线孔31与试验管20进行连接，也可以在穿过中继定滑轮47后与试验管20进行连接，从而实现拉动试验管20进行上移的目的，从而进一步扩展了工况模拟的范围。
46.如图1和图3所示，检测机构50包括柔性薄膜压力传感器51、应变片52、数据采集仪53和计算机54；柔性薄膜压力传感器51和应变片52均设于试验管20的外表面，柔性薄膜压力传感器51和应变片52均与数据采集仪53电性连接，数据采集仪53与计算机54电性连接，计算机54用于经数据采集仪53获得柔性薄膜压力传感器51和应变片52的检测数据并进行分析。
47.在此实施例中，同时采用柔性薄膜压力传感器51和应变片52对试验管20进行监测，从而丰富了数据获取的多样性，也便于日后的数据分析更为准确可靠；其中，为确保各传感器的覆盖范围全面，此实施例优选设置柔性薄膜压力传感器51包裹于试验管20一端的外部，且柔性薄膜压力传感器51还包裹于试验管20的中部外；应变片52设于试验管20的两端和中部外，且在试验管20设有应变片52的位置上，应变片52以布置于试验管20相对两侧的形式布置，以此避免出现监测空白区域的情况。
48.如图1和图2所示，检测机构50还包括拉绳式位移传感器55和金属芯绳56，拉绳式位移传感器55与试验管20设于同一水平面上，拉绳式位移传感器55设于试验管20背离拉绳43的一侧，拉绳式位移传感器55通过金属芯绳56与试验管20连接，拉绳式位移传感器55与数据采集仪53电性连接，拉绳式位移传感器55用于将采集的数据经数据采集仪53送至计算机54进行分析。
49.即在设置拉绳式位移传感器55后，若试验管20产生位移，试验管20将可通过金属芯绳56对拉绳式位移传感器55产生拉动，以此实现了拉绳式位移传感器55的数据获取，在获得此相关数据进行分析后，则可进一步优化日后的数据分析结果。
50.如图1和图2所示，检测机构50还包括拉力压力传感器57，拉力压力传感器57设于
试验箱10内，且拉力压力传感器57设于拉绳43上，拉力压力传感器57与数据采集仪53电性连接，拉力压力传感器57用于将采集的数据经数据采集仪53送至计算机54进行分析。
51.即在设置拉力压力传感器57后，若拉绳43产生拉动，拉力压力传感器57便可立刻获取相关数据，在获得此相关数据进行分析后，则可进一步优化日后的数据分析结果。
52.如图1和图2所示，试验箱10的一侧壁为钢化玻璃板12，检测机构50还包括数码相机58和倾角仪59，数码相机58设于试验箱10外，数码相机58和试验管20相对布置于钢化玻璃板12的两侧，数码相机58与数据采集仪53电性连接，数码相机58用于将采集的数据经数据采集仪53送至计算机54进行分析；倾角仪59设于试验箱10内，倾角仪59设于拉绳43上。
53.即在设置数码相机58后，数码相机58将可拍摄试验管20的移动状态，以及相关的土体变化，而倾角仪59则可显示试验管20的倾角变化，在获得此相关数据进行分析后，则可进一步优化日后的数据分析结果；其中，此实施例优选设置试验箱10相对的两侧壁均为钢化玻璃板12，则可便于在更多的方位进行观察。
54.如图1和图2所示，试验箱10的底板设有多个可开合的卸土盖13，多个卸土盖13分别布置于试验箱10底板的周侧。
55.所以在需要清理土体时，只需打开卸土盖13，将可从试验箱10的下部实现土体的下卸，从而便于利用重力实现土体下卸，使得清理过程更为简便快捷。
56.另外，本发明还提供了一种模拟多方向地层运动下管土相互作用的方法，应用了上述的试验装置，包括以下步骤：
57.步骤s1，将土体以分层压实法或砂雨法在试验箱10内部铺设土层，每达到一定高度后，对土层进行整平，并检测土层的密实度，多次重复上述步骤直至土层达到固定高度；
58.步骤s2，将试验管20放置在试验箱10中，并调节试验管20至要求的安装位置；
59.步骤s3，将检测机构50的各个部件安装至要求的位置；具体的，此步骤将拉压力传感器和倾角仪59固定在拉绳43的预设位置；将拉绳式位移传感器55安装在试验箱10的侧壁上；在试验管20外表面从前往后分别布设柔性薄膜压力传感器51、应变片52、应变片52、柔性薄膜压力传感器51及应变片52，并连接至数据采集仪53；将数码相机58放置于钢化玻璃板12外侧并调整至预设高度；将数据采集仪53和数码相机58与计算机54连接；
60.步骤s4，调节动滑轮45至需求的高度，并完成拉绳43与试验管20的连接；具体的，此步骤调节直导轨41上的动滑轮45至预设高度，拉绳43固定在驱动电机42上，分别经过直导轨41上的定滑轮44和动滑轮45，拉绳43末端与试验管20连接；或者调节试验箱10上的中继导轨46至预设位置，拉绳43固定在驱动电机42上，分别经过直导轨41上的两个定滑轮44，再经过中继导轨46上的中继定滑轮47，最后拉绳43末端与试验管20连接；
61.步骤s5，继续土体以分层压实法或砂雨法在试验箱10内部铺设土层，每达到一定高度后，对土层进行整平，并检测土层的密实度，多次重复上述步骤直至土层达到固定高度；
62.步骤s6，在启动试验装置之前，对试验装置进行调试，调试完后启动试验装置，利用检测机构50收集试验过程中的管土数据，当试验管20移动到特定距离后，关闭试验装置，停止收集数据。
63.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为
本发明的保护范围。