一种管土接触界面摩擦系数测量方法与流程

1.本发明涉及土木工程试验技术领域中的一种管土接触界面摩擦系数测量方法。


背景技术：

2.管道是油气运输地重要手段，对于陆地埋地管道，其在穿越地质灾害区域时，容易受到地基土层错动的影响，导致作用于管道的附加荷载；对于海底管道，其内部输送的高温高压油气会使管线出现巨大的轴向应力，从而使其产生挠曲，管道周围土体提供的作用于管道的抗力是维持管道稳定的重要因素。因此管道工程的设计施工和运营过程中，管道与周围土体接触面的摩擦系数是必不可少的重要参数。
3.目前，管土界面摩擦系数一般根据经验的方法取值，如《城镇供热直埋热水管道技术规程》(cjj/t 81
‑
2013)等。然而，管土界面摩擦系数不仅仅与土体类别有关，还随着管道材料不同而变化。随着管道材料多样化，管土界面摩擦系数测量装置和方法的缺失导致管道设计的安全性和经济性不能得到保障。现有直剪试验因为尺寸较小，在试验中不能模拟管土发生较大相对位移的工况，同时浅埋管道所受正应力较小，因此测得的剪切力量值较小，在数据处理过程中系统摩擦不可忽略。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种管土接触界面摩擦系数测量方法，能准确测量管土接触界面的摩擦系数。
5.根据本发明的实施例，提供一种管土接触界面摩擦系数测量方法，包括以下步骤：s10.将管道材料板放入管材容器中，再将土样容器放在管道材料板上；s20.保持土样容器静止，以预设速度v拉动管材容器使管材容器产生位移，经过时间t后停止拉动，记录管材容器的受拉力读数为f
sf
；s30.向土样容器内放入土样，向土样施加朝向管道材料板的压力n，保持土样容器静止，以预设速度v拉动管材容器使管材容器产生位移，经过时间t后停止拉动，记录管材容器的受拉力读数为f
all
，管道材料板与土样接触面的剪切力为f
n
＝f
all
‑
f
sf
，计算出管土接触界面的摩擦系数μ
n
＝f
n
/n；s40.重复n次步骤s20～s30，求出从第一次到第n次的摩擦系数μ，最终得到摩擦系数测量结果为
6.根据本发明的实施例，进一步地，在步骤s10中，先在土样容器的底面贴接弹性件，再将土样容器放在管道材料板上。
7.根据本发明的实施例，进一步地，在步骤s30中，先在土样容器的内壁涂抹润滑剂，再向土样容器内放入土样。
8.根据本发明的实施例，进一步地，在步骤s30中，在土样的顶面均匀堆放重物以形成压力n。
9.根据本发明的实施例，进一步地，在步骤s20及s30中，使用拉动力件拉动管材容器，所述拉动力件的拉力方向平行于水平方向。
10.根据本发明的实施例，进一步地，在步骤s20及s30中，使用反力机构对土样容器施加反力，以使土样容器保持静止。
11.根据本发明的实施例，进一步地，所述反力机构包括反力架和反力杆，所述反力杆的第一端与所述土样容器相接，所述反力杆的第二端与所述反力架连接，在步骤s20及s30中，调节反力杆使反力杆的轴向方向平行于水平方向。
12.本发明的有益效果是：通过带动土样容器与管材容器的相对运动，土样与管材容器相接触，拉力传感器记录管材容器所受到的拉力，从而可计算出管土发生较大位移时，其接触界面之间的摩擦系数，模拟效果好，测量结果更准确。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
14.图1是本发明实施例中管土接触界面摩擦系数测量装置的结构示意图；
15.图2是本发明实施例中步骤s30的示意图；
16.图3是本发明实施例中管土接触界面摩擦系数测量装置的土样容器和管材容器的正剖视图(放置土样和管道材料后)。
具体实施方式
17.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。
19.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
20.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
21.参照图1～图3，本发明实施例中的管土接触界面摩擦系数测量方法采用以下管土接触界面摩擦系数测量装置完成，该测量装置包括土样容器10、管材容器20、拉力机构和反力机构。土样容器10中的土样与管材容器20中的管道材料相互接触，拉力机构拉动管材容器20，而反力机构与土样容器10连接，反力机构用于对土样容器10施加与拉力方向相反的作用力，使土样容器10相对于实验平台静止，从而管材容器20与土样容器10相对运动，土样
和管道材料之间产生摩擦力，能模拟管土发生较大相对位移的工况。
22.管材容器20的顶面设有用于容置管道材料的容置槽，土样容器10的底面设有开口，土样容器10位于容置槽的上方，从而土样容器10中的土样能通过开口与容置槽中的管道材料接触。土样容器10的底面设有环绕开口的弹性件11，弹性件11用于与管道材料抵接，防止土样从土样容器10与管道材料之间的空隙流出，影响实验的准确性。管材容器20包括管材框和多根平行间隔设置在管材框内的支承条，支承条与管材框共同组合形成格栅结构，支承条的顶面与管材框的内侧壁组合形成容置槽。由于容置槽的底面存在镂空，因此便于将管道材料从容置槽中取出。本实施例中，容置槽的长度和宽的等于管道材料板的长度和宽度，管道材料板放置在容置槽中后，管道材料板的顶面与容置槽的顶面齐平。
23.可以理解地，土样容器10的顶面也设有开口，土样容器10顶面的开口与底面的开口相对，且面积形状相当，便于实验员向土样容器10内加入土样。可选地，土样容器10为钢化玻璃构件，便于实验员随时观察土样容器10内土样的状况。
24.拉力机构包括控制器50、拉动力件30和拉力传感器32，拉动力件30通过拉力传感器32与管材容器20连接，控制器50与拉动力件30及拉力传感器32电连接。控制器50可为工业电脑，控制器50控制拉动力件30启动，拉动力件30拉动管材容器20以一定的速度运动，拉力传感器32测出管材容器20受到的拉力，控制器50可接受并记录拉力传感器32全过程测出的拉力值，以便后续可计算出管土接触界面的摩擦系数。可选地，拉动力件30为伺服电机，拉动力件30通过电机底座31架设在实验平台上，以保证拉力方向平行于水平方向。
25.进一步地，为减少管材容器20与实验平台之间摩擦力，以降低实验误差，管材容器20的底部设有移动组件。移动组件也更便于管材容器20相对于土样容器10发生较大的相对位移。可选地，移动组件包括至少两个滚动轮21和两道导轨22，滚动轮21均分为两个滚轮组，各滚轮组分别安装在管材容器20的一侧，滚轮组与导轨22一一对应，各滚轮组与相应的导轨22滚动配合，导轨22平行于拉力动力件的拉力方向。本实施例中，滚动轮21的数量为六个，各滚轮组分别包括三个滚动轮21。各滚轮组沿导轨22移动，导轨22限定了管材容器20的移动方向，避免管材容器20相对于土样容器10发生非平行于拉力方向的偏移，继而影响实验准确性。
26.反力机构包括反力架41和反力杆40，反力杆40的第一端与土样容器10相接，反力杆40的第二端与反力架41连接。反力架41架设在实验平台上，通过反力杆40对土样容器10施加反力。进一步地，反力杆40的第一端通过反力垫连接至土样容器10，反力垫铺设在土样容器10的外侧壁，以扩大土样容器10的受反力面积，使得土样容器10受力更均匀。
27.进一步地，反力杆40的第二端通过反力梁42连接在反力架41上，反力梁42滑动安装在反力架41上，反力梁42的滑动方向平行于竖直方向。通过调节反力梁42的高度，可保证反力杆40的轴向方向始终平行于拉动力件30的拉力方向，保证摩擦力的方向单一可控。可选地，拉动力件30的拉力方向及反力杆40的轴向方向平行于水平方向，使拉力传感器32的读数更准确，减少其他干扰项的影响。
28.本发明实施例中的管土接触界面摩擦系数测量方法，包括以下步骤：
29.s10.将管道材料板放入管材容器20中，再将土样容器10放在管道材料板上。可选地，先在土样容器10的底面贴接弹性件11，再将土样容器10放在管道材料板上，以防止土样从管道材料板与土样容器10之间的间隙漏出。
30.与此同时，也将拉力机构与管材容器20连接，并将反力机构与土样容器10连接，从而使管材容器20与土样容器10能产生相对运动。
31.s20.使用反力机构对土样容器10施加反力，使土样容器10保持静止，调节反力杆40使反力杆40的轴向方向平行于水平方向。使用拉动力件30拉动管材容器20，拉动力件30以预设速度v拉动管材容器20使管材容器20产生位移，经过时间t后停止拉动，记录管材容器20的受拉力读数为f
sf
。反力机构的反力方向与拉动力件30的拉力方向均平行于水平方向，避免影响摩擦系数μ的计算准确性。
32.s30.先在土样容器10的内壁涂抹润滑剂，再向土样容器10内放入土样。可选地，润滑剂可为凡士林，润滑剂能减少土样与土样容器10之间的摩擦，从而减少实验误差。
33.将土样均匀填筑于土样容器10内10～15cm，向土样施加朝向管道材料板的压力n，具体地，在土样的顶面均匀堆放重物以形成压力n，以保证压力n始终为定值。
34.使用反力机构对土样容器10施加反力，使土样容器10保持静止，调节反力杆40使反力杆40的轴向方向平行于水平方向。使用拉动力件30再次拉动管材容器20，拉动力件30以预设速度v拉动管材容器20使管材容器20产生位移，经过时间t后停止拉动，记录管材容器20的受拉力读数为f
all
。反力机构的反力方向与拉动力件30的拉力方向均平行于水平方向，避免影响摩擦系数μ的计算准确性。
35.s40.重复n次步骤s20～s30，求出从第一次到第n次的摩擦系数μ，以第n次进行步骤s20～s30为例，数据处理的过程具体如下：管道材料板与土样接触面的剪切力为f
n
＝f
all
‑
f
sf
，计算出管土接触界面的摩擦系数μ
n
＝f
n
/n。最终得到摩擦系数测量结果为
36.以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。