[发明专利]沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统

说明书

本发明公开一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，包括模型箱主体、导向控制圆盘、模型管线、刚性连接杆、光滑滑轨、定位基座、电动机牵引装置、非轴向力传感器和位移传感器，模型箱主体内的土样采用落雨法制备，控制电动机牵引装置实现对砂土中预埋管线的多个定向牵引，通过非轴向力传感器和位移传感器得到平面应变条件下管土相互作用时的荷载位移曲线关系，在试验过程中用高清数码相机通过有机玻璃对试样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移场及速度场的发展情况。本发明具有操作简便、功能多样、测试精度高的优点。

技术领域

本发明属于岩土工程物理实验模拟技术领域，尤其是涉及一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统。

背景技术

海洋石油工业一直以来占有十分重要的地位，而作为高效、安全的运输设备，海底管线有着广泛的应用。据不完全统计，管线输送的油气物资量占据全球运输总量的三分之二。由于波浪、海流、腐蚀等外界因素的存在，海底管线的安全及持续工作的稳定性受到不利影响，因此通常采用挖沟埋设的方式将其铺设于距离地面表层浅层范围内。

为使运输通畅快速，原油在运输时处于高温高压状态，海底管线的运营使用温度普遍超过一百摄氏度，而管线在工作时海底的温度仅有四摄氏度左右，大幅度的温度变化产生温度应力，热效应产生的温度应力会使管线相对土体产生运动，进而产生土体与管线间的相互作用力。

在能源产业持续发展的行业背景下，定量描叙地埋管线与周边土体发生相对运动时的管土相互作用，并探究沿不同方向发生相对运动的规律与异同，是土力学近海工程研究的重要内容，也是指导工程设计建设的客观需要。目前预埋管线与周围土体相互作用的研究仍是热门领域之一，但研究普遍针对管线朝某一方向运动，如沿管线径向竖直向上或水平移动，对管线的运动方向研究过于单一，对管土发生不同方向相对运动的相互作用认识极为有限，且土体中既埋管线沿各向运动的模型试验系统也几乎从未见到。

此外，传统的管土相互作用试验在研究管土相互作用时存在几个明显的问题，包括：模型试验系统不能很好地模拟平面应变条件，并且不能直观地观察管土发生相对移动时的土体变形（Trautmann等，1985），加载介质直接伸入土体当中，干扰土体正常运动，（Bransby MF等，2009），管土相互运动方向单一，研究情况过于局限，未有效减小管线与模型箱的摩擦（Byrne BW等，2013）。

以上是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种便于观察、试验精度高的沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种沿不同方向牵引砂土中预埋模型管线的试验系统，包括：

模型箱主体，包括前后面板、两侧板和底板，其前后面板采用透明有机玻璃；

导向控制圆盘，其安装于模型箱主体的背部，即安装于模型箱的后板；导向控制圆盘中间设有一狭长矩形孔，所述导向控制圆盘的周边均布设螺栓安装孔；

模型管线，其位于模型箱主体内，通过刚性连接杆与定位基座相连；

刚性连接杆，其两侧分别与模型管线和定位基座相连，中间连接非轴向传感器，并穿过导向控制圆盘的狭长矩形孔；

光滑滑轨，其安装在导向控制圆盘的后侧，位于狭长矩形孔两侧，并与狭长矩形孔的长边方向平行；滑轨的光滑度使其上的定位基座顺利滑动并传递荷载；

定位基座，其设置在光滑滑轨上，所述定位基座靠箱体内侧面中心设有螺纹圆孔以安装刚性连接杆；

电动机牵引装置，其安装在所述导向控制圆盘的后侧，位于所述光滑滑轨之间，牵引杆连接在定位基座的螺纹圆孔上，且牵引方向与光滑滑轨铺设方向平行；