研究不均匀地基下原水管道及土体变形的试验装置及方法

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及研究不均匀地基下原水管道及土体变形的试验装置及方法。

背景技术：

在城市原水管道铺设过程中往往存在区间管道下方没有夯实铺平或土层参数不一致的现象，由此产生的不密实地基在地面加载的作用下易不均匀沉陷，造成管道局部应力集中。现行规范对这方面的施工标准规定并不明确，导致经常出现输水管道爆管泄露事故，不但影响城市正常运行而且对人民生命财产安全构成威胁。

原型不均匀地基试验复杂，现场实测方法具有滞后性，并且投入人力物力资源巨大，周期长。另外，相关的理论数值模拟方法缺乏有效足够的验证，很多情况下并不适用，具有很强大的局限性，因此缩尺模型试验是研究不均匀地基条件下原水管道和土体变化的较优选择。

模型试验可在室内模拟实际工程发生的工况，然而现有模拟管土相互作用条件下的不均匀地基装置采用的模拟沉降方法，如在管土结构装置底部安装多条可抽取钢板，通过抽出钢板的方式模拟土体下沉，并不符合实际工程情况。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供了研究不均匀地基下原水管道及土体变形的试验装置及方法，以研究管道和土体在不同物理性质的地基条件下加载不同荷载值时的变化规律，立足实际工况，使试验得出的数据和规律可通过相似比反算换算出现场实际值情况，可为实际工程提供指导作用。

技术方案如下：

一种研究不均匀地基下原水管道及土体变形的试验装置，包括组成无盖箱体的五块透明板材、用于箱体四周固定的金属外框架、设置在箱体底部的钢板、圆环、管道、布置在钢板上的一个以上的模拟不均匀地基、应变传感器、土压传感器、静态应变仪和静态沉降仪；其中正相对的透明板材中央处对称开设一组孔洞，孔洞处嵌入圆环，管道穿过圆环，管道周围及模拟不均匀地基之间填有土，模拟不均匀地基区域附近的管道上和土内分别安装有与静态应变仪连接的应变传感器及与静态沉降仪连接的土压传感器。

进一步的，模拟不均匀地基由在针刺土工布包裹不同物理性质的填充物构成。

进一步的，透明板材之间通过粘结剂固定，各接口边内侧设有塑胶止水带；金属外框架由互相交叉金属条通过焊接组成。

进一步的，箱体一个未开设孔洞的侧面一端与另一侧面通过铰链连接，该侧面的另一端设有插销，该侧面的透明板材与金属外框架结合为一个整体作为平开门。

进一步的，钢板底部四周安装有至少两对的万向轮组，每对万向轮组等距离分布，万向轮组包括与钢板底面连接的万向转动头、轮子和刹车。

进一步的，圆环的材质为亚克力，大小根据管道直径调整，透明板材材质为有机玻璃或钢化玻璃。

一种原水管道及土体变形的试验方法，包括以下步骤：

步骤s1：将原水管道施工铺设现场的土样进行筛选、破碎和烘干，然后加入适量的水并充分搅拌配备成物理参数与施工现场基本一致的重塑土；

步骤s2：将预配好的重塑土均匀的铺设在箱体内，每铺设5cm厚的重塑土就进行一次压实，使其密度与施工现场的土一致，直到填筑高度达到圆环内径下底位置；

步骤s3：先将试验装置的正中央位置挖出一定形状的坑洞，在坑洞下方四周和中间各安放土压传感器，接着模拟不均匀地基放置在坑洞中，再将未被夯实的低密实度重塑土铺设模拟不均匀地基空隙处直至与周围土标高相同；

步骤s4：将应变传感器焊接在模拟不均匀地基边缘截面处和中央截面处的管道表面，管道表面包括管顶、管腰、管底的轴向和环向，用硅胶进行防水并用绝缘胶固定，把圆环拿出，将焊接好应变传感器的管道通过开孔插入至箱体指定位置，接着将圆环通过外露管道套入进开孔，最后继续将重塑土均匀铺设在试验装置内并分层压实至试验所需高度；

步骤s5：将加载板放置在试验装置内，在上面放置不同质量的重物进行加载试验，并把应变传感器和土压传感器延伸出的导线连接在静态应变仪和静态沉降仪上，依次采集不同加载值条件下的管道应变数值和土压力数值。

进一步的，步骤s3中模拟不均匀地基的体积形状和位置根据试验需求进行变换，形状为四棱台形或不规则体，内部填充的材料也按照需求进行变换。有益效果：

1)本发明可在室内模拟实际工程发生的工况，可以对试验中的变量进行单一控制改变，研究管道和土体在不同密实度地基条件下加载不同荷载值的变化规律，为实际工程提供指导作用。

2)本发明结构简单，成本低，卸载重塑土便利，易于保养，具有极强的实用价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为模拟不均匀地基的结构示意图；

图5为万向轮组的结构示意图；

其中：1为万向轮组、1a为刹车、1b为万向转动头、1c为轮子、2为土压传感器、3为模拟不均匀地基、3a为土工针刺布、3b为填充物、4为管道、5为圆环、6为应变传感器、7为透明板材、8为金属外框架、9为铰链、10为插销、11为钢板、12为孔洞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1至3所示一种研究不均匀地基下原水管道及土体变形的试验装置，包括组成无盖箱体的五块透明板材7、用于箱体四周固定的金属外框架8、设置在箱体底部的钢板11、圆环5、管道4、布置在钢板上的一个以上的模拟不均匀地基3、应变传感器6、土压传感器2、静态应变仪和静态沉降仪；其中正相对的透明板材中央处对称开设一组孔洞12，孔洞12处嵌入圆环5，管道4穿过圆环5，管道4周围及模拟不均匀地基3之间填有土，模拟不均匀地基3区域附近的管道4上和土内分别安装有与静态应变仪连接的应变传感器6及与静态沉降仪连接的土压传感器2。

如图4所示，模拟不均匀地基3由在针刺土工布3a包裹不同物理性质的填充物3b构成。

透明板材7之间通过粘结剂固定，各接口边内侧设有塑胶止水带；金属外框架8由互相交叉金属条通过焊接组成。

箱体一个未开设孔洞的侧面一端与另一侧面通过铰链9连接，该侧面的另一端设有插销10，该侧面的透明板材7与金属外框架8结合为一个整体作为平开门。

如图5所示，钢板底部四周安装有至少两对的万向轮组1，每对万向轮组1等距离分布，万向轮组1包括与钢板底面连接的万向转动头1b、轮子1c和刹车1a。

圆环5的材质为亚克力，大小根据管道直径调整，透明板材7材质为有机玻璃或钢化玻璃。

土为物理参数与施工现场基本一致的重塑土。

使用上述的实验装置进行原水管道及土体变形的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤s1：将原水管道施工铺设现场的土样进行筛选、破碎和烘干，然后加入适量的水并充分搅拌配备成物理参数与施工现场基本一致的重塑土；

步骤s2：将预配好的重塑土均匀的铺设在箱体内，每铺设5cm厚的重塑土就进行一次压实，使其密度与施工现场的土一致，直到填筑高度达到圆环内径下底位置；

步骤s3：先将试验装置的正中央位置挖出一定形状的坑洞，在坑洞下方四周和中间各安放土压传感器，接着模拟不均匀地基放置在坑洞中，再将未被夯实的低密实度重塑土铺设模拟不均匀地基空隙处直至与周围土标高相同；

步骤s4：将应变传感器焊接在模拟不均匀地基边缘截面处和中央截面处的管道表面，管道表面包括管顶、管腰、管底的轴向和环向，用硅胶进行防水并用绝缘胶固定，把圆环拿出，将焊接好应变传感器的管道通过开孔插入至箱体指定位置，接着将圆环通过外露管道套入进开孔，最后继续将重塑土均匀铺设在试验装置内并分层压实至试验所需高度；

步骤s5：将加载板放置在试验装置内，在上面放置不同质量的重物进行加载试验，并把应变传感器和土压传感器延伸出的导线连接在静态应变仪和静态沉降仪上，依次采集不同加载值条件下的管道应变数值和土压力数值。

步骤s3中模拟不均匀地基的体积形状和位置根据试验需求进行变换，形状为四棱台形或不规则体，内部填充的材料也按照需求进行变换。

实施例：将钢化玻璃板之间通过强力玻璃粘结剂固定，接口边设有塑胶止水带，左侧、右侧、和背面的金属外框架通过电弧焊相固定，有利于增强钢化玻璃箱体的稳定性，正面的钢化玻璃板与表面的金属外框架预先固定为一体，正面的钢化玻璃板左侧铰接于相邻边，正面的金属外框架左侧通过铰链与相邻边金属外框架连接，正面的钢化玻璃板右侧和底侧作开合式处理，正面的金属外框架右侧通过插销与相邻边金属外框架连接，钢化玻璃箱的正面作开合式有利于重塑土的装卸，省时省力。钢化玻璃箱体的底部固定有钢板11，有利于增加箱体的承重性。四个万向轮组等距离分布在钢板的底部表面四周，且轮子与钢板底面通过万向转动头进行连接，通过刹车固定或移动轮子，增加便捷性和使用性。根据规划好的不均地基区域位置，事先在不均匀地基区域底部四周和中心处布置好土压传感器，并提前在管道上标记好应变传感器焊接点，沿着管道的管顶、管腰、管底的轴向及环向上将应变传感器焊接在不均匀地基边缘截面处和中央截面处，待焊接过程结束后在其焊接处用硅胶进行防水并用绝缘胶固定。当焊接好应变传感器的管道插入有机钢化玻璃箱后，套入亚克力圆环至孔洞内，用易硬化的防水胶体将缝隙填充好。

将原水管道施工铺设现场的土样进行筛选、破碎和烘干，然后加入适量的水并充分搅拌配备成物理参数与施工现场基本一致的重塑土。将预配好的重塑土均匀的铺设在箱体内，每铺设5cm厚的重塑土就进行一次压实，使其密度与施工现场的土一致，直到填筑高度达到亚克力圆环内径下底位置。为了模拟管道在不均匀地基条件下的受力状况和对应的土压力状况，先将试验装置的正中央位置挖出一定体积的坑洞，在坑洞下方四周和中间各安放土压传感器，接着将土工针刺布铺设在坑洞四周和底面，把未被夯实的低密实度重塑土铺设在土工针刺布上直至与周围土标高相同构成模拟不均匀地基。将应变传感器焊接在不均匀地基区域边缘截面处和中央截面处的管道表面，且分布在管顶、管腰、管底的轴向和环向上，用硅胶进行防水并用绝缘胶固定，把亚克力圆环拿出，将焊接好应变传感器的管道通过孔洞插入至试验装置指定位置，接着将亚克力圆环通过外露管道套入开孔口，最后继续将重塑土均匀铺设在试验装置内并分层压实至试验所需高度。将加载板放置在试验装置上，在上面放置不同质量的重物进行加载试验，并把应变传感器和土压传感器延伸出的导线连接在静态应变仪和静态沉降仪上，依次采集不同加载条件下的管道应变数值和土压力数值。模拟不均匀地基的区域位于管道正下方，且位于试验装置的正中间，在这种工况下加载，模拟不均匀地基边缘截面处和中央截面处的管道表面应力和应变最大，因此将应变传感器焊接在这两个位置是为了监测管道应力集中区域变化数据和规律，当然，随着不均匀地基区域3相对位置的改变，应变传感器焊接的位置和土压传感器的布置也作相应调整，另外，在管顶、管腰、管底的轴向和环向上焊接应变传感器6也是为了监测数据的完整性。

土工针刺布包裹的不均匀地基填充的体积、形状和位置可随着试验需求进行灵活变换，如形状为四棱台形或不规则体，位置可以设定在试验装置的左侧或右侧等区域，不均匀地基填充物也可按照实际需求进行变换，如不同密实度的同种重塑土或物理性质完全不同的砂土或标准砂等。

一种内径的管道试验完成后，可根据需求对另一种内径的管道进行试验，只需更换圆环即可，其余步骤同上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。