[发明专利]一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统

说明书

本发明公开了一种寒区管道管土界面力学性能参数试验系统，它包含用于盛装冻结土样的剪切盒、保证试验所需恒定温度的温控箱、试验过程中监测土样冻胀变形和管土相对运动的测试装置、实时监测试验过程中的冻结土样位移变化、竖向荷载大小、水平向位移及荷载大小的监测装置、提供水平向荷载和竖向荷载的加载系统以及数据采集系统。本发明结构简单、设计合理且实用操作简便、实用效果好，能在室内模拟寒区管土界面的相对运动，并能对试验过程中冻结土样内部温度、管土界面层的相对位移及荷载进行有效测试。

技术领域

本发明具体涉及寒区管道管-土界面力学性能参数试验系统及测定方法，属于土工试验仪器技术领域。

背景技术

管-土界面问题是管-土相互作用研究领域的热点问题，管-土界面层的力学响应对寒区输油管道的性状有重要影响。近年来，随着输油气管线等寒区生命线工程的大量兴建，冻胀融沉已成为我国寒区生命线工程建设过程中所面临的最主要的工程灾害，严重威胁着生命线工程的营运安全。我国冻土面积分布广泛，其中多年冻土约占国土面积的22.3％，高海拔多年冻土面积世界之最，而季节性冻土分布更广泛。陆上油气管道历经上述冻土区等地质复杂地段时，由于其输送的高温高压油气易使沿线的冻土发生冻胀和融沉灾害，寒区埋地管道易发生“露管”现象，严重时产生屈曲变形(1)寒区输油气管道工程沿线土体温度的变化，(2)土体内部水分的迁移与结冰膨胀及(3)土体的冻胀变形。土体在冻胀变形过程中，其内部温度随环境温度的变化而变化，土中水结冰膨胀、体积增大，因此，温度变化引起土体中含水量、孔隙水压力等发生变化，并引起土体的孔隙率、渗透特性等主要参数及水-热-力耦合特性的改变；温度变化易使土体内部产生温度梯度，而土中水因温度梯度发生迁移，土中部分水因温度梯度结冰膨胀，从而造成土体冻胀融沉变形，诱发寒区埋地输油气管道屈曲变形甚至破坏，原油泄漏造成严重的环境污染和巨大的经济损失。

目前，在寒区管土相互作用领域中，管土界面问题引起国内外研究学者和设计人员的广泛关注，研究土体冻胀或融沉与埋地管道之间的相互作用方法主要有理论研究、有限元分析以及模型试验。其中，理论研究和有限元分析方法主要研究冻胀或融沉作用下引起埋地管道屈曲变形位移及管道自身的应力应变水平；模型试验方法研究管道被动受力作用下的竖向运动及其在不同环境温度作用下的管道变形比尺试验，得到土体抗力与管道位移之间的变化关系，而影响管道屈曲变形至关重要的管土界面力学特性很少有报道，详见文献<Nixon,J.F.,Morgenstern,N.R.,Reesor,S.N.,1983.Frost heave-pipelineinteraction using continuum mechanics.Canadian Geotechnical Journal,20(2):251-261.>、文献<Selvadurai,A.P.S.,Hu,J.,Konuk,I.,1999b.Computational modellingof frost heave induced soil-pipeline interaction II:Modelling of experimentsat the Caen test facility.Cold Regions Science and Technology,29(3):229-257.>、文献<Hawlader,B.C.,Morgan,V.,Clark,J.I.,2006.Modelling of pipeline underdifferential frost heave considering post-peak reduction of uplift resistancein frozen soil.Canadian geotechnical journal,43(3):282-293.>和文献<Nishimura,S.,Gens,A.,Olivella,S.,Jardine,R.J.2009.THM-coupled finite element analysisof frozen soil:formulation and application.Géotechnique,59(3),159.>；国内外主要采用《输油管道工程设计规范》(GB 50253-2014)、《油气长输管道工程施工及验收规范》(GB50369-2014)、《ALA Guidelines for the design of buried steel pipe(2001)》以及美国API石油规范这些规范对寒区输油气管线进行设计，其中对管土界面力学特性的界面无明确界定。为了研究管土界面力学特性参数在不同温度梯度作用下的变化规律，通过施加竖向位移、竖向应力、剪切位移、剪切应力，根据管土界面摩察角和抗剪强度，建立管土界面的应力应变物理模型。