一种埋地管道足尺原位试验结构及其试验方法

本发明涉及管道工程技术领域，特别是涉及一种埋地管道足尺原位试验结构及其试验方法。

背景技术：

地下管线作为“城市的生命线”年久失修、破损频繁，引发了燃气爆炸、城市火灾、路面塌陷等安全事故和地下水渗漏、河道污染等环保问题。为了减小城市地下管线引发的安全事故，需在设计阶段和施工阶段对管道的极限状态设计参数和施工关键技术指标进行准确的选取，而管道极限状态的确定主要取决于地层错动作用下管道位移和内力值的测定，这是因为较大的地面相对位移不可恢复，在小范围内造成的管道损坏率往往较高，而地震波引起管周土体的软化，管道可通过更大的适应性变形来减小地震波的影响。因此，对管道受地层错动作用时的位移和内力响应进行分析是管道的抗震设计必不可少的环节。

在埋地管道工程建设前，往往没有布置监测仪器，导致埋地管道变形和内力现场实测数据的缺失，因此对埋地管道的变形数据的获取主要依靠实验手段。目前，常用的埋地管道试验手段有室内模型箱试验、离心机试验和振动台试验，其中振动台试验聚焦于地震激励作用对管道的影响，但震害实例表明，地层错动是埋地管道失效的最主要原因，且以上手段均无法考虑管沟尺寸和管沟内外回填土参数对管道变形的影响，而在实际工程中管沟的设计对管道安全至关重要；再者，已有试验的方法往往忽略管土耦合作用下管内气压对管道性能的影响，导致管道接口渗漏位移限值的高估和管道密封性能评价的偏差，不利于有压管网的设计及施工。因此，亟需一种满足现有要求的试验结构和试验方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种埋地管道足尺原位试验结构及其试验方法，其结构简单紧凑，可考虑管沟尺寸效应、管沟内外土体相对刚度及管内气压对埋地足尺管道受力性能和变形响应的影响，为埋地管道的设计及施工提供关键的技术指标。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种埋地管道足尺原位试验结构，包括基坑、沉陷坑、垂向加载作动器、密封管道和真空泵，所述基坑内填充有土体；所述沉陷坑开设于所述基坑的底面一侧；所述沉陷坑的顶面设置有加载板；所述垂向加载作动器一端安装于所述沉陷坑的底面上，其另一端连接所述加载板；所述密封管道埋设于所述基坑内；所述真空泵通过真空管与所述密封管道连通。

优选地，所述基坑的剖面为梯形结构。

优选地，所述沉陷坑的内壁上设置有泡沫块。

优选地，所述垂向加载作动器包括自上而下设置的带有连接盘的端部球铰、负荷传感器、带有内置式位移传感器的作动器本体和连接法兰盘。

优选地，所述密封管道的两端设置有密封法兰板。

优选地，所述密封法兰板与密封管道的连接处设置有密封圈。

优选地，所述土体内埋设有土压力盒、应变片和分布式光纤，所述应变片和分布式光纤贴设于所述密封管道的外壁上。

优选地，还包括数据采集单元，所述数据采集单元与所述垂向加载作动器、土压力盒、应变片和分布式光纤电连接。

优选地，还包括用于监测土体高度的监测单元，所述监测单元包括反射棱镜和用于捕捉反射棱镜移动的全站仪，所述反射棱镜设置于所述土体的顶面上。

为了解决上述技术问题，本发明公开一种埋地管道足尺原位试验方法，包括以下步骤：

s1、选址挖设试验基坑和沉陷坑，安装垂向加载作动器和加载板；

s2、将密封管道与真空泵连通备用；并在密封管道上布设监测元件；

s3、往试验基坑分层填土、压实，

s4、回填至密封管道埋设深度时，沿密封管道预埋设位置纵向开挖埋设沟，将密封管道整体吊装，平缓放进埋设沟内后继续往基坑内填土，并埋设土压力盒和在土体顶面设置监测单元；

s5、启动真空泵，通过调节真空泵上阀门施加规范要求的真空压力，关闭阀门和真空泵；

s6、通过数据采集单元，读取试验前土压力盒和监测元件的起始读数，人工/计算机记录监测单元数据；由计算机内嵌程序发出命令，通过控制系统启动四台垂向加载作动器，按照位移控制方式，同步协调的逐级下降加载板，实现地层的不均匀错动；

s7、加载板逐级下降过程中采集土压力盒、监测元件和监测单元读数；记录真空泵上的真空表随地层位移变化的真空压力数值；

s8、在每一级加载板下降的间隙，启动真空泵，往管内施加规范要求的真空压力，然后关闭真空泵，计算规定时间内真空压力损失数值和真空压力平均消散速率，并与规范允许值作比较，从而来判断管内气压渗漏时对应的地层错动限制位移和揭示不同地层错动位移下管道结构密封性的退化机制；

s9、当地层错动位移达到试验设置的总错动量时，结束试验，分层挖开密封管道上部回填土体，观察并拍摄管道实际变形情况，进一步根据采集数据，分析不同地层错动量下管道的受力特性与变形响应规律。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明结构简单紧凑，通过设置基坑，并在基坑内合理布局沉陷坑，模拟地层错动作用，并且采用真空泵监测密封管道的密封性，可以充分的模拟管道在地层错动作用下的试验环境，为管道的试验数据精准度提供保障；

2.本发明考虑了管沟尺寸效应、管沟内外土体相对刚度及管内气压对埋地足尺管道受力性能和变形响应的影响，获得与实际工况更为符合的管道位移和内力响应结果，揭示管道结构密封性退化机制，为埋地管道的设计及施工提供关键的技术指标。

附图说明

图1是本发明实施例提供的埋地管道足尺原位试验结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的埋地管道足尺原位试验结构的剖面结构示意图图；

图3是本发明实施例提供的垂向加载作动器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的流程框图。

附图标记：1、基坑；11、第一回填区；12、第二回填区；2、沉陷坑；21、加载板；22、泡沫块；3、垂向加载作动器；31、端部球铰；32、负荷传感器；33、作动器本体；34、连接法兰盘；4、密封管道；41、密封法兰板；42、夹具；5、真空泵；51、真空管；52、真空表；6、土压力盒；7、反射棱镜；8、全站仪；9、土体。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1和图2，本发明优选实施例提供一种埋地管道足尺原位试验结构，包括基坑1、沉陷坑2、垂向加载作动器3、密封管道4和真空泵5，所述基坑1内填充有土体9；所述沉陷坑2开设于所述基坑1的底面一侧；所述沉陷坑2的顶面设置有加载板21；所述垂向加载作动器3一端安装于所述沉陷坑2的底面上，其另一端连接所述加载板21；所述密封管道4埋设于所述基坑1内；所述真空泵5通过真空管51与所述密封管道4连通。

具体的，所述真空泵5上设置有真空表52。

作为优选方案，所述基坑1的剖面为梯形结构。

作为优选方案，所述沉陷坑2的内壁上设置有泡沫块22。具体的，在沉陷坑2的内壁上设置泡沫块22可以保证加载板21光滑下降的同时，防止土体9颗粒通过加载板21的间隙落入沉陷坑2内。

参见图3，作为优选方案，所述垂向加载作动器3包括自上而下设置的带有连接盘的端部球铰31、负荷传感器32、带有内置式位移传感器的作动器本体33和连接法兰盘34。

作为优选方案，所述密封管道4的两端设置有密封法兰板41。具体的，采用密封法兰板41对密封管道4的两端进行密封，保证了密封管道4的密封性，同时也方便整体的组装拆卸。

作为优选方案，所述密封法兰板41与密封管道4的连接处设置有密封圈。且所述密封管道4的两端设置有夹具42。具体的，采用密封圈可以进一步保证密封管道4的密闭性，且采用夹具42可以使得密封管道4的安装更加方便稳固。

作为优选方案，所述土体9内埋设有土压力盒6、应变片和分布式光纤，所述应变片和分布式光纤贴设于所述密封管道4的外壁上。具体的，采用土压力盒6可以监控土体9内压力，应变片和分布式光纤可以监控管道的形变等状态。

作为优选方案，还包括数据采集单元，所述数据采集单元与所述垂向加载作动器3、土压力盒6、应变片和分布式光纤电连接。具体的，采用数据采集单元对各个监测数据进行采集，提高了试验的便利性和精准性。

作为优选方案，还包括用于监测土体9高度的监测单元，所述监测单元包括反射棱镜7和用于捕捉反射棱镜7移动的全站仪8，所述反射棱镜7设置于所述土体9的顶面上。具体的，监测单元可以用于监测土体9的高度，进而来量化土体9沉陷。

参见图4，本发明优选实施例还公开一种埋地管道足尺原位试验方法，包括以下步骤：

s1、选址挖设试验基坑1和沉陷坑2，并对沉陷坑2的基底进行加固处理，在沉陷坑2的内壁上布设泡沫块22，将四台垂向加载作动器3通过螺栓与沉陷坑2的基底进行栓接，其导线外接控制系统，通过螺栓将加载板21与四台垂向加载作动器3进行栓接，通过垂向加载作动器3将加载板21整体调平并与基坑1的底面等高；

s2、将密封法兰板41通过强力密封胶与管道的两端端部进行粘合连接，通过螺栓将夹具42固定在管道端部上，进一步保证密封法兰板41与管道端部粘合的密封性，避免管内起始气压漏失，干扰试验结果；管道左侧端部通过真空管51与真空泵5连接；根据试验目的，在管道表面贴有应变片、分布式光纤监测元件，当监测元件贴于管道内壁时，可在管道右侧端部的密封法兰板41上钻孔，将监测元件导线引出；启动真空泵5，调节阀门，对管道进行试抽气，验证试验前管道是否密封性良好；

s3、按照埋地管线施工规范要求，进行土体9分层回填压实，回填区分为第一回填区11和第二回填区12，第一回填区11土体9压实度与原状土相同，第二回填区12为管沟，管沟尺寸与土体9压实度符合规范要求，在试验时，可进一步设置不同管沟底部宽度和土体9压实度，研究管沟底部宽度和管沟内外土体9相对刚度对管道受力性能的影响；

s4、回填至管道埋设深度时，沿管道预埋设位置纵向开挖埋设沟，将管道整体吊装，平缓放进埋设沟内，将应变片、分布式光纤监测元件的导线引出与数据采集单元连接；按照步骤s3，继续回填管道上部土体9，填至土压力盒6埋设深度时，在土层错动面的两侧定间距埋设土压力盒6，引出土压力盒6导线，与数据采集单元相连；继续回填至地表，在在土层错动面的两侧间隔布设反射棱镜7，通过全站仪8捕捉反射棱镜7的移动，来观测土体9表面的沉降位移；

s5、启动真空泵5，通过调节真空泵5上阀门施加规范要求的真空压力，关闭阀门和真空泵5；

s6、通过数据采集单元，读取试验前土压力盒6、应变片、分布式光纤监测元件的起始读数，人工/计算机记录棱镜起始高程；由计算机内嵌程序发出命令，通过控制系统启动四台垂向加载作动器3，按照位移控制方式，同步协调的逐级下降加载板21，实现地层的不均匀错动；如试验过程分为20级，每级10mm，地层总错动量为200mm；

s7、加载板21逐级下降过程中采集土压力盒6、监测元件和监测单元读数；记录真空泵5上的真空表52随地层位移变化的真空压力数值；

s8、在每一级加载板21下降的间隙，启动真空泵5，往管内施加规范要求的真空压力，如28kpa，然后关闭真空泵5，计算规定时间内真空压力损失数值和真空压力平均消散速率，当计算值超过规范允许值时，如真空压力损失数值达6.9kpa和真空压力平均消散速率为0.82kpa/s时，认为管道密封性被破坏，进而来判断管内气压渗漏时对应的地层错动限制位移和揭示不同地层错动位移下管道结构密封性的退化机制；

s9、当地层错动位移达到试验设置的总错动量时，如200mm，结束试验，分层挖开密封管道4上部回填土体9，观察并拍摄管道实际变形情况，进一步根据采集数据，分析不同地层错动量下管道的受力特性与变形响应规律。

需要说明的，所述监测元件为应变片和分布式光纤。

综上，本发明优选实施例提供一种埋地管道足尺原位试验结构及其试验方法，其与现有技术相比：

1.本发明结构简单紧凑，通过设置基坑1，并在基坑1内合理布局沉陷坑，模拟地层错动作用，并且采用真空泵5监测密封管道4的密封性，可以充分的模拟管道在地层错动作用下的试验环境，为管道的试验数据精准度提供保障；

2.本发明考虑了管沟尺寸效应、管沟内外土体9相对刚度及管内气压对埋地足尺管道受力性能和变形响应的影响，获得与实际工况更为符合的管道位移和内力响应结果，揭示管道结构密封性退化机制，为埋地管道的设计及施工提供关键的技术指标。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。