一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于海洋工程试验技术领域，具体是一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法。背景技术：2.为有效承载外部静水高压作用，管状结构是海洋工程结构装备中最常用的结构形式之一，例如海底管道和海底隧道等。管土相互作用对结构在位稳定性、整体屈曲和局部屈曲行为具有重要影响，是海底管道和海底隧道这类管状结构设计与运行过程中必须考虑的重要因素。发明专利cn111537434b提出一种跨地震断层埋地管道试验装置，主要包括依次排列布置的竖向移动土箱、固定土箱、水平移动土箱和沿箱体长度方向布置并贯穿三个箱体的试验管道。发明专利cn112651151a提出一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法，其包括的承压结构能通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似。发明专利cn108007792b提出一种在役深海海底埋地管道地震-高压载荷联合加载试验方法，涉及压力舱、高温油、管土作动筒和激震作动杆等装置。3.现今国内外在高压水环境中管土作用模拟上存在的不足之处主要有：4.1.已有的管土相互作用模拟主要采用土箱和离心机实现，受土壤条件、土体制备、试验成本和加载控制等因素限制，难以满足试验相似度；5.2.采用承压结构等效模拟土体作用力，与离散型有限元中土弹簧的布置方式存在差异，仅能模拟单方向的管土相互作用；6.3.在压力舱内使用土箱，高压水环境会改变原先制备土壤的特性，而且土壤容易污染舱内水体，造成舱体腐蚀和排水孔堵塞等问题。技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题是：提供一种高压水环境下等效管土作用模拟装置及方法外水压-等效管土作用装置，其可以实现管状试验模型外水压和管土相互作用力的联合加载。本发明采用以下的技术方案：8.一种高压水环境下等效管土作用模拟装置，包括：压力舱系统、等效管土作用系统、土体位移加载系统、测量控制系统和示例试验模型，其中：9.所述压力舱系统包括压力舱舱体1、侧向加载安装孔4、首舱盖7、尾舱盖8及配套的水箱和泵站；10.所述土体位移加载系统包括侧向液压加载装置9、尾端导向法兰11和导向支架12；11.侧向液压加载装置9为两个，分别连接在压力舱舱体前部和后部；侧向液压加载装置9的组成构件包括侧向液压外壳90、侧向液压杆91、侧向前液压舱93、侧向后液压舱94、侧向液压密封圈97、侧向水压舱98、侧向液压移动密封圈99和配套的液压泵站；侧向液压杆91一端位于侧向水压舱98内，另一端与后模块固定架14或前模块固定架15相接触，并在侧向液压杆91开设水压平衡通道92以联通压力舱舱体1和侧向水压舱98；侧向液压杆91设置有扩径段，在扩径段周围设置有液压舱，在扩径段外部包覆有侧向液压移动密封圈99，通过侧向液压移动密封圈99将液压舱隔绝成容积可变的侧向前液压舱93和侧向后液压舱94两部分；前液压舱93和侧向后液压舱94分别通过液压管线与液压泵站连接，用于进出液压油；前液压舱93和侧向后液压舱94内的液压差作用在侧向液压移动密封圈99，进而推动侧向液压杆91运动；12.侧向液压加载装置9设置有差压传感器和位移传感器，差压传感器用于测量侧向前液压舱93和侧向后液压舱94之间水压压差，位移传感器用于测量侧向液压杆91的位移；13.尾端导向法兰11一端为法兰盘，与试验件的法兰固定连接；另一端为导轨，与导向支架12的导槽123配合连接；14.所述导向支架12包括支架底板120、支架液压杆121、支架固定杆122、导槽123和液压杆连接孔124；支架底板120与尾舱盖8连接；导槽123与支架液压杆121通过液压杆连接孔124连接，导槽123与支架固定杆122之间为转动连接，便于调节支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度；15.所述等效管土作用系统包括多个等效土体作用模块13、后模块固定架14、前模块固定架15及配套的模块控制系统；等效土体作用模块13布置于后模块固定架14和前模块固定架15；后模块固定架14与试验件16尾端固定连接，前模块固定架15与试验件16前端固定连接；16.设置在压力舱舱体前部的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接；单向位移加载时，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置9的液压杆接触头为球形接头，液压杆接触头在加载过程中始终保持与后模块固定架14接触，后模块固定架14的实际位移量与液压杆单向位移量满足关于导槽倾斜角满足三角余弦关系；往复位移加载时，通过调节支架液压杆121长度使得导槽倾斜角保持为0°，设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接，后模块固定架14的实际位移量等于此液压杆的位移量；17.每个等效土体作用模块13包括模块框架17和布置在模块框架17和试验件16之间的多个零刚度液压件19，各个模块框架17固定连接到后模块固定架14或前模块固定架15；18.零刚度液压件18，包括限压阀19、接触板20、液压件推杆180、液压件外壳181、液压件油缸182、液压件前液压舱183、液压件后液压舱184、液压件移动密封圈185、液压件密封圈186、微型液压泵187、微型位移传感器188和微型差压传感器189；接触板20固定在液压件推杆180端部，与试验件16接触；液压件推杆180设有扩径段，扩径段外包裹液压件移动密封圈185，用于隔绝液压件前液压舱183和液压件后液压舱184；液压件前液压舱183和液压件后液压舱184内的液压差作用在液压件移动密封圈185，进而推动液压件推杆180左右运动；液压件前液压舱183和液压件后液压舱184分别通过液压管线与液压件油缸182连通，在液压管线上连接有用于控制液压油进出的微型液压泵187；此外，液压件后液压舱184还通过另一条液压管线经由限压阀19与液压件油缸182连通；当液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差超过设定压力时，限压阀19将启动将液压件后液压舱184的液压油导回液压件油缸182，从而保证液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差不超过设定压力；微型位移传感器188用于测量接触板20的位移，微型差压传感器189用于测量液压件前液压舱183和液压件后液压舱184之间的液压压差；19.分布在同一个等效土体作用模块13的多个零刚度液压件19，各个接触板20之间不发生物理干涉，各个接触板20与试验件16的摩擦阻力合力对应轴向土弹簧作用力；20.所述示例试验模型包括试验件16及其两端法兰盘，试验件16的两端通过法兰盘分别与压力舱舱体首端和尾端固定的连接。21.进一步地，压力舱舱体部署有排气孔2和输水孔3，排气孔2在注水时开启，用于排出压力舱舱体1内的气体；在加压时保持关闭；在卸压后排水时开启，在舱内形成自由液面保证排水顺利；输水孔3用于注水和排水，通过压力管道与泵站、水箱连接；22.进一步地，导轨可拆卸，便于根据导槽123倾斜角度选择合适的导轨同法兰盘连接；23.进一步地，液压件推杆180两端截面相同，贯穿液压件外壳181，浸没在高压水环境中能自动实现轴向平衡；24.进一步地，模块框架17为圆角矩形，分布在同一个等效土体作用模块13的零刚度液压件19为四个，分别与圆角矩形的四个边相互垂直，接触板20的长度小于试验件16的直径，以避免四个零刚度液压件18发生物理干涉；四个接触板20与试验件16的摩擦阻力合力对应轴向土弹簧作用力；25.进一步地，试验件16的两端通过法兰盘分别与固定在压力舱舱体首端的首端安装板10和尾端导向法兰11固定连接，其贯穿等效土体作用模块13；26.进一步地，所述测量控制系统包括外水压测量控制子系统、土体位移加载测量控制子系统、等效管土作用模块测量控制子系统和试验模型测量子系统；外水压测量控制子系统与压力舱系统配套，用于控制泵站注水、加压和排水操作，并测量压力舱内部水压；土体位移加载测量控制子系统与土体位移加载系统配套，用于控制侧向液压加载装置的位移激励，并采集侧向液压加载装置的液压和位移数据；等效管土作用模块测量控制子系统与等效管土作用系统配套，用于设置零刚度液压件的结构参数和控制限压阀的启闭，并采集零刚度液压件的液压和位移数据；试验模型测量子系统为试验件布设力学和变形传感器的配套系统，用于记录示例试验模型的结构响应。27.本发明同时提供利用上述装置实现的高压水环境下等效管土作用模拟方法，包括以下步骤：28.步骤一、制定试验方案29.s1-1确定试验对象参数，包括外径、壁厚、长度和材料特性；30.s1-2确定载荷参数，包括外水压幅值、土壤条件、土体位移类型和时程；31.s1-3计算单位长度的非线性土弹簧参数，包括垂直向上、垂直向下、水平向右、水平向左和轴向五个方向；32.s1-4确定相似比，制作试验件16；33.步骤二、模块布置方案确定34.s2-1建立埋地管状结构的离散型有限元模型；35.s2-2设定土弹簧布置间距，计算每个非线性土弹簧的屈服力p0；36.s2-3计算出该土壤条件和土体位移下管状结构的应变分布；37.s2-4土弹簧布置间距由小变大，重复s2-2和s2-3；38.s2-5根据应变分布的收敛情况，确定满足计算精度要求的非线性土弹簧布置间距；39.步骤三、设备安装与调试40.s3-1试验件16两端安装法兰盘，布置应变片传感器和加速度传感器；41.s3-2由模块框架17和零刚度液压件18组装等效土体作用模块13；42.s3-3根据步骤二确定的非线性土弹簧布置间距在后模块固定架14和前模块固定架15上安装等效土体作用模块13；43.s3-4试验件16贯穿等效土体作用模块13，两端的法兰盘同后模块固定架14和前模块固定架15固定连接；44.s3-5调节零刚度液压件18的液压杆，使接触板20与试验件16无压力接触；45.s3-6安装尾舱盖8；46.s3-7根据土体位移类型，固定导向支架12；47.s3-8根据土体位移类型，调节导向支架12的支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度；48.s3-9在导向支架12的导槽123上安装尾端导向法兰11；49.s3-10连接试验件16的法兰盘和尾端导向法兰11；50.s3-11连接试验件16的法兰盘和首端安装板10；51.s3-12首端安装板10通过压力舱舱体1内壁的安装耳固定；52.s3-13设置在压力舱舱体前部的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接；53.s3-14根据试验方案确定设置在压力舱舱体后部的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14的连接方式；若为单向位移加载，安装侧向液压加载装置9，并调节其液压杆与后模块固定架14无压力接触；若为往复位移加载，侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接，并保持导槽123倾斜角为0°；54.s3-15连接应变片传感器、加速度传感器、差压传感器、各个微型差压传感器和各个位移传感器导线，在数据接头安装孔5处安装数据接头，连接到外部的数据采集仪；55.s3-16安装首舱盖7；56.s3-17调试所有传感器和液压装置；57.步骤四、注水加压与测量58.s4-1开启排气孔2和输水孔3；59.s4-2启动泵站，向压力舱注水直到排气孔2有稳定、无气泡的水流；60.s4-3关闭排气孔2，持续注水直到压力舱舱体1内水压到达目标值；61.s4-4泵站和输水孔3始终保持开启状态，进行保压；62.s4-5记录加压过程中试验件16的结构响应；63.步骤五、位移加载与测量64.s5-1启动一个或两个侧向液压加载装置；65.s5-2根据试验方案进行位移加载；66.s5-3记录位移加载过程中零刚度液压件18的压力和位移、试验件16的结构响应。67.本发明由于采取以上技术方案，具有下列优点：68.1、采用的等效土体作用模块模拟土体位移载荷，无需土箱或离心机，不受土壤条件、土体制备、试验成本和加载控制等因素限制，容易满足试验相似度。69.2、采用的零刚度液压件模拟非线性土弹簧，与离散型有限元模型直观对应，其位移-载荷曲线符合规范要求，且便于根据试验要求调整；70.3、采用的土体位移加载系统能够开展多种类型的土体位移载荷，包括不同角度的单向位移加载和水平方向的往复位移激励；71.4、采用的土体位移加载系统能够在高压水环境中工作且其参数设定后即保持不变，便于开展高压水环境中管土作用的定量研究，准确性高；72.5、试验设备机械结构简单，制造经济方便，便于安装和安装，可以重复使用，适用于实验研究和教学。附图说明73.图1试验装置正视图74.图2试验装置俯视图75.图3试验装置侧视图76.图4压力舱内部构件俯视图77.图5侧向液压加载装置原理图78.图6导向支架正视图79.图7导向支架俯视图80.图8等效土体作用模块正视图81.图9零刚度液压件正视中剖面图82.图10零刚度液压件控制原理图83.图11零刚度液压件载荷-位移曲线示意图84.图中标号说明：1-压力舱舱体；2-排气孔；3-输水孔；4-侧向加载安装孔；5-数据接头安装孔；6-底座；7-首舱盖；8-尾舱盖；9-侧向液压加载装置；10-首端安装板；11-尾端导向法兰；12-导向支架；13-等效土体作用模块；14-后模块固定架；15-前模块固定架；16-试验件；17-模块框架；18-零刚度液压件；19-限压阀；20-接触板；90-侧向液压外壳；91-侧向液压杆；92-水压平衡通道；93-侧向前液压舱；94-侧向后液压舱；95-侧向前液压孔；96-侧向后液压孔；97-侧向液压密封圈；98-侧向水压舱；99-侧向液压移动密封圈；120-支架底板；121-支架液压杆；122-支架固定杆；123-导槽；124-液压杆连接孔；180-液压件推杆；181-液压件外壳；182-液压件油缸；183-液压件前液压舱；184-液压件后液压舱；185-液压件移动密封圈；186-液压件密封圈；187-微型液压泵；188-微型位移传感器；189-微型差压传感器具体实施方式85.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。86.需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。87.本发明的高压水环境下等效管土作用模拟装置，包括：压力舱系统、等效管土作用系统、土体位移加载系统、测量控制系统和示例试验模型。其中：88.所述压力舱系统包括压力舱舱体1、排气孔2、输水孔3、侧向加载安装孔4、数据接头安装孔5、底座6、首舱盖7、尾舱盖8及配套的水箱和泵站。排气孔2在注水时开启，用于排出压力舱舱体1内的气体；在加压时保持关闭；在卸压后排水时开启，在舱内形成自由液面保证排水顺利。输水孔3用于注水和排水，通过压力管道与泵站、水箱连接。尾舱盖8朝向压力舱舱体1内部的端面上，开设有周向阵列的螺纹孔。优选地，压力舱系统采用发明专利cn105424484b和cn105466791b海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验装置。89.所述土体位移加载系统包括侧向液压加载装置9、首端安装板10、尾端导向法兰11和导向支架12。90.侧向液压加载装置9设置有差压传感器和位移传感器，通过侧向加载安装孔4与压力舱舱体1连接。侧向液压加载装置9的组成构件包括侧向液压外壳90、侧向液压杆91、侧向前液压舱93、侧向后液压舱94、侧向液压密封圈97、侧向水压舱98、侧向液压移动密封圈99和配套的大功率液压泵站。优选地，侧向液压杆91两端截面相同，并在侧向液压杆91开设水压平衡通道92以联通压力舱舱体1和侧向水压舱98。不论压力舱舱体1内水压高低，水压平衡通道92均能实时抵消压力舱舱体1内水压对侧向液压杆91的推力，从而避免在侧向前液压舱93和侧向后液压舱94之间预设液压差。侧向液压移动密封圈99包裹在侧向液压杆91的扩径段，用于隔绝侧向前液压舱93和侧向后液压舱94。前液压舱93和侧向后液压舱94分别开设侧向前液压孔95和侧向后液压孔96，并通过液压管线与大功率液压泵站连接，用于进出液压油。前液压舱93和侧向后液压舱94内的液压差作用在侧向液压移动密封圈99，进而推动侧向液压杆91左右运动。91.首端安装板10通过压力舱舱体1内壁的安装耳固定。尾端导向法兰11一端为法兰盘，同试验件的法兰固定连接；一端为导轨，同导向支架12的导槽123配合连接。优选地，导轨可拆卸，便于根据导槽123倾斜角度选择合适的导轨同法兰盘连接。92.所述导向支架12包括支架底板120、支架液压杆121、支架固定杆122、导槽123和液压杆连接孔124。支架底板120通过三个螺纹孔同尾舱盖8连接，可根据试验需要的导轨布置方向选择尾舱盖8端面上周向阵列的螺纹孔作为安装孔。导槽123与支架液压杆121通过液压杆连接孔124连接，导槽123与支架固定杆122之间为转动连接，便于调节支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度。93.所述等效管土作用系统包括等效土体作用模块13、后模块固定架14、前模块固定架15及配套的模块控制系统。等效土体作用模块13由模块框架17和零刚度液压件19组成。等效土体作用模块13通过螺纹固定连接等间距布置于后模块固定架14和后模块固定架15。后模块固定架14的一端同试验件16的左侧法兰盘固定连接，前模块固定架15的一端同试验件16的右侧法兰盘固定连接。单向位移加载时，导向支架12一侧的侧向液压加载装置9的液压杆接触头为球形接头，并在加载过程中始终保持与后模块固定架14接触。后模块固定架14的实际位移量与液压杆单向位移量满足关于导槽倾斜角满足三角余弦关系。往复位移加载时，导向支架12一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接，并保持导槽倾斜角为0°。后模块固定架14的实际位移量等于液压杆的位移量。首端安装板10一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接。94.零刚度液压件18的组成构件包括限压阀19、接触板20、液压件推杆180、液压件外壳181、液压件油缸182、液压件前液压舱183、液压件后液压舱184、液压件移动密封圈185、液压件密封圈186、微型液压泵187、微型位移传感器188和微型差压传感器189。接触板20安装在液压件推杆180端部，与试验件16接触，长度应略小于试验件16的直径，避免四个零刚度液压件18发生物理干涉。四个接触板20材质相同，与试验件16的摩擦阻力合力对应轴向土弹簧作用力。液压件推杆180中间设有扩径段，扩径段外包裹液压件移动密封圈185，用于隔绝液压件前液压舱183和液压件后液压舱184。优选地，液压件推杆180两端截面相同，贯穿液压件外壳181，浸没在高压水环境中能自动实现轴向平衡。液压件前液压舱183和液压件后液压舱184内的液压差作用在液压件移动密封圈185，进而推动液压件推杆180左右运动。液压件前液压舱183、液压件后液压舱184与液压件油缸182分别通过液压管线联通，液压管线分别经过微型液压泵187，用于控制液压油的进出。此外，液压件后液压舱184还通过另一条液压管线经由限压阀19与液压件油缸182联通。当液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差超过设定压力时，限压阀19将启动将液压件后液压舱184的液压油导回液压件油缸182，从而保证液压件后液压舱184和液压件前液压舱183的液压差不超过设定压力。95.根据非线性土弹簧模型，每个等效土体作用模块13有四个零刚度液压件18，分别为垂直向下、垂直向上、水平向左和水平向右。零刚度液压件18与试验件16之间相互挤压时，其位移(δ)-载荷(p)曲线满足非线性土弹簧的力学特性。优选地，根据土壤条件和ala-2001设计规范《guidelines for the design of buried steel pipe》计算土弹簧屈服位移δ0和屈服力p0。当δ《δ0时,δ和p呈现线性关系；当δ≥δ0时,p不再随δ增大而增大，呈现零刚度特性。其实现方式是：微型位移传感器188实时测量接触板20的位移，和微型差压传感器189实时测量液压件前液压舱183和液压件后液压舱184之间的差压，并通过微型液压泵187控制液压件前液压舱183和液压件后液压舱184的油量使其满足预设的线性关系；当液压件前液压舱183和液压件后液压舱184之间的差压达到预设值时，限压阀启动，用于辅助微型液压泵187将液压件后液压舱184的液压油导回液压件油缸182，从而保证大位移条件下液压件前液压舱183和液压件后液压舱184之间差压不变。96.所述示例试验模型包括试验件16及其两端法兰盘。试验件16与法兰盘焊接连接。试验件16通过法兰盘分别与首端安装板10和尾端导向法兰11固定连接，其贯穿等效土体作用模块13。97.所述测量控制系统包括外水压测量控制子系统、土体位移加载测量控制子系统、等效管土作用模块测量控制子系统和试验模型测量子系统。外水压测量控制子系统与压力舱系统配套，用于控制泵站注水、加压和排水操作，并测量压力舱内部水压。土体位移加载测量控制子系统与土体位移加载系统配套，用于控制侧向液压加载装置9的位移激励，并测量侧向液压加载装置9的液压和位移。等效管土作用模块测量控制子系统与等效管土作用系统配套，用于设置零刚度液压件18的结构参数和控制限压阀19的启闭，并测量零刚度液压件18的液压和位移。试验模型测量子系统为试验件16布设力学和变形传感器的配套系统，用于记录试验模型的结构响应。98.一种高压水环境下等效管土作用模拟方法，包括以下步骤：99.步骤一、制定试验方案100.s1-1确定试验对象参数，包括外径、壁厚、长度和材料特性；101.s1-2确定载荷参数，包括外水压幅值、土壤条件、土体位移类型和时程；102.s1-3计算单位长度的非线性土弹簧参数，包括垂直向上、垂直向下、水平向右、水平向左和轴向五个方向；103.s1-4确定相似比，制作试验件16。104.步骤二、模块布置方案确定105.s2-1建立埋地管状结构的离散型有限元模型；106.s2-2设定土弹簧布置间距，计算每个非线性土弹簧的屈服力p0；107.s2-3计算出该土壤条件和土体位移下管状结构的应变分布；108.s2-4土弹簧布置间距由小变大，重复s22和s23；109.s2-5根据应变分布的收敛情况，确定出满足计算精度要求的较大非线性土弹簧布置间距；110.步骤三、设备安装与调试111.s3-1试验件16两端安装法兰盘，布置应变片传感器和加速度传感器；112.s3-2由模块框架17和零刚度液压件18组装等效土体作用模块13；113.s3-3根据步骤二确定的非线性土弹簧布置间距在后模块固定架14和前模块固定架15上安装等效土体作用模块13；114.s3-4试验件16贯穿等效土体作用模块13，两端的法兰盘同后模块固定架14和前模块固定架15固定连接；115.s3-5调节零刚度液压件18的液压杆，使接触板20与试验件16无压力接触；116.s3-6安装尾舱盖8；117.s3-7根据土体位移类型从尾舱盖8端面上周向阵列的螺纹孔中选择安装孔，固定导向支架12；118.s3-8根据土体位移类型调节导向支架12的支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度；119.s3-9在导向支架12的导槽123上安装尾端导向法兰11；120.s3-10连接试验件16的法兰盘和尾端导向法兰11；121.s3-11连接试验件16的法兰盘和首端安装板10；122.s3-12首端安装板10通过压力舱舱体1内壁的安装耳固定；123.s3-13首端安装板10一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接。124.s3-14根据试验方案确定导向支架12一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14的连接方式。若为单向位移加载，安装侧向液压加载装置9，并调节其液压杆与后模块固定架14无压力接触；若为往复位移加载，导向支架12一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接，并保持导槽123倾斜角为0°。125.s3-15连接应变片传感器、加速度传感器、水压传感器、差压传感器和位移传感器导线，在数据接头安装孔5处安装数据接头，连接到外部的数据采集仪；126.s3-16安装首舱盖7；127.s3-17调试所有传感器和液压装置。128.步骤四、注水加压与测量129.s4-1开启排气孔2和输水孔3；130.s4-2启动泵站，向压力舱注水直到排气孔2有稳定、无气泡的水流；131.s4-3关闭排气孔2，持续注水直到压力舱舱体1内水压到达目标值；132.s4-4泵站和输水孔3始终保持开启状态，进行保压；133.s4-5记录加压过程中试验件16的结构响应。134.步骤五、位移加载与测量135.s5-1启动侧向液压加载装置；136.s5-2根据试验方案进行位移加载；137.s5-3记录位移加载过程中零刚度液压件18的压力和位移、试验件16的结构响应。138.步骤六、数据保存与分析139.s6-1保存记录的数据；140.s6-2分析记录的数据。如有异常，重复步骤四和步骤五。141.步骤七、卸压排水142.s7-1泵站工作，进行卸压；143.s7-2当舱内压力降低到零时，开启排气孔2；144.s7-3抽空舱内的水。145.步骤八、设备拆卸归置146.s8-1关闭所有电源；147.s8-2按步骤三的相反顺序拆卸设备；148.s8-2归置设备。149.实施例一：跨断层海底埋地管道试验150.长输海底埋地管道不可避免穿越地震断层区域，存在巨大震害风险。跨断层海底埋地管道试验用于研究外水压和断层位移联合作用下海底埋地管道的屈曲行为。实施步骤为：151.步骤一、制定试验方案152.s1-1确定海底管道的参数，包括外径、壁厚、长度和材料特性；153.s1-2确定载荷参数，包括外水压幅值、土壤条件、断层穿越角度、断层倾角和断层位移；154.s1-3计算单位管道长度的非线性土弹簧参数，包括垂直向上、垂直向下、水平向右、水平向左和轴向五个方向；155.s1-4确定相似比，制作试验件16。156.步骤二、模块布置方案确定157.s2-1建立海底埋地管道的离散型有限元模型，管道可选用梁单元或者管单元；158.s2-2将非线性土弹簧布置在单元节点上，土弹簧布置间距即为每个管道单元的长度，计算每个非线性土弹簧的屈服力p0；159.s2-3计算出该土壤条件和土体位移下管状结构的应变分布；160.s2-4管道单元由小变大，重复s22和s23；161.s2-5根据应变分布的收敛情况，确定出满足计算精度要求的较大管道单元，即选用较大的非线性土弹簧布置间距。162.步骤三、设备安装与调试163.s3-1试验件16两端安装法兰盘，布置应变片传感器。对于跨断层海底埋地管道，应将应变片传感器布置在每两个等效土体作用模块13间管段的中间截面。优选地，应变片传感器沿着管道长度方向粘贴，至少在断层方向与中间截面的两个交点上各布置一个，用于测量顶部弯曲应变和底部弯曲应变。164.s3-2由模块框架17和零刚度液压件18组装等效土体作用模块13；165.s3-3根据步骤二确定的非线性土弹簧布置间距在后模块固定架14和前模块固定架15上安装等效土体作用模块13；166.s3-4试验件16贯穿等效土体作用模块13，两端的法兰盘同后模块固定架14固定连接；167.s3-5调节零刚度液压件18的液压杆，使接触板20与试验件16无压力接触；168.s3-6安装尾舱盖8；169.s3-7根据断层穿越角度从尾舱盖8端面上周向阵列的螺纹孔中选择安装孔，固定导向支架12；170.s3-8根据断层倾角调节导向支架12的支架液压杆121长度改变导槽123的倾斜角度；171.s3-9在导向支架12的导槽123上安装尾端导向法兰11；172.s3-10连接试验件16的法兰盘和尾端导向法兰11；173.s3-11连接试验件16的法兰盘和首端安装板10；174.s3-12首端安装板10通过压力舱舱体1内壁的安装耳固定；175.s3-13首端安装板10一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接；176.s3-14安装导向支架12一侧的侧向液压加载装置9，并调节其液压杆与后模块固定架14无压力接触；177.s3-15连接应变片传感器、水压传感器、液压传感器和位移传感器导线，在数据接头安装孔5处安装数据接头，连接到外部的数据采集仪；178.s3-16安装首舱盖7；179.s3-17调试所有传感器和液压装置。180.步骤四、注水加压与测量181.s4-1开启排气孔2和输水孔3；182.s4-2启动泵站，向压力舱注水直到排气孔2有稳定、无气泡的水流；183.s4-3关闭排气孔2，持续注水直到压力舱舱体1内水压到达目标值；184.s4-4泵站和输水孔3始终保持开启状态，进行保压；185.s4-5记录加压过程中试验件16的结构响应。186.步骤五、位移加载与测量187.s5-1启动侧向液压加载装置；188.s5-2进行位移加载。对于断层位移加载，只需启动加载的位移幅值应为断层位移在水平方向的分量。189.s5-3记录位移加载过程中零刚度液压件18的压力和位移、试验件16的应变。190.步骤六、数据保存与分析191.s6-1保存记录的数据；192.s6-2分析记录的数据。如有异常，重复步骤四和步骤五。193.步骤七、卸压排水194.s7-1泵站工作，进行卸压；195.s7-2当舱内压力降低到零时，开启排气孔2；196.s7-3抽空舱内的水。197.步骤八、设备拆卸归置198.s8-1关闭所有电源；199.s8-2按步骤三的相反顺序拆卸设备；200.s8-2归置设备。201.实施例二：非均匀一致激励下海底埋地管道动力反应试验202.海底埋地管道属于大跨度、延长性结构，其途径土壤条件变化较大。非均匀一致激励下海底埋地管道动力反应试验用于研究沿途非均匀土体位移激励对海底埋地管道动力反应的影响。实施步骤为：203.步骤一、制定试验方案204.s1-1确定海底管道的参数，包括外径、壁厚、长度和材料特性；205.s1-2确定载荷参数，包括外水压幅值、管道沿程土壤条件、一致位移激励时程；206.s1-3计算管道长度方向上不同位置处单位管道长度的非线性土弹簧参数，包括垂直向上、垂直向下、水平向右、水平向左和轴向五个方向；207.s1-4确定相似比，制作试验件16。208.步骤二、模块布置方案确定209.s2-1建立海底埋地管道的离散型有限元模型，管道可选用梁单元或者管单元；210.s2-2根据单元节点在管道长度方向上的位置，布置对应的非线性土弹簧，土弹簧布置间距即为每个管道单元的长度，计算每个非线性土弹簧的屈服力p0；211.s2-3计算出该土壤条件和土体位移下管状结构的应变分布；212.s2-4管道单元由小变大，重复s22和s23；213.s2-5根据应变分布的收敛情况，确定出满足计算精度要求的较大管道单元，即选用较大的非线性土弹簧布置间距。214.步骤三、设备安装与调试215.s3-1试验件16两端安装法兰盘，布置应变片传感器和加速度传感器。对于非均匀一致激励的海底埋地管道，应将应变片传感器和加速度传感器布置在每两个等效土体作用模块13间管段的中间截面。优选地，应变片传感器沿着管道长度方向粘贴，至少在断层方向与中间截面的两个交点上各布置一个，用于测量顶部弯曲应变和底部弯曲应变。每个截面上加速度传感器布置一个即可。216.s3-2由模块框架16和零刚度液压件18组装等效土体作用模块13；217.s3-3根据步骤二确定的非线性土弹簧布置间距在后模块固定架14和前模块固定架15上安装等效土体作用模块13；218.s3-4试验件16贯穿等效土体作用模块13，两端的法兰盘同模块固定架14固定连接；219.s3-5调节零刚度液压件17的液压杆，使接触板19与试验件16无压力接触；220.s3-6安装尾舱盖8；221.s3-7从尾舱盖8端面上周向阵列的螺纹孔中选择水平方向的安装孔，固定导向支架12；222.s3-8调节导向支架12的液压杆长度使得导槽123的倾斜角度为零；223.s3-9在导向支架12的导槽123上安装尾端导向法兰11；224.s3-10连接试验件16的法兰盘和尾端导向法兰11；225.s3-11连接试验件16的法兰盘和首端安装板10；226.s3-12首端安装板10通过压力舱舱体1内壁的安装耳固定；227.s3-13首端安装板10一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与前模块固定架15固定连接；228.s3-14导向支架12一侧的侧向液压加载装置9的液压杆与后模块固定架14固定连接；229.s3-15连接应变片传感器、水压传感器、液压传感器和位移传感器导线，在数据接头安装孔5处安装数据接头，连接到外部的数据采集仪；230.s3-16安装首舱盖7；231.s3-17调试所有传感器和液压装置。232.步骤四、注水加压与测量233.s4-1开启排气孔2和输水孔3；234.s4-2启动泵站，向压力舱注水直到排气孔2有稳定、无气泡的水流；235.s4-3关闭排气孔2，持续注水直到压力舱舱体1内水压到达目标值；236.s4-4泵站和输水孔3始终保持开启状态，进行保压；237.s4-5记录加压过程中试验件16的结构响应。238.步骤五、位移加载与测量239.s5-1启动侧向液压加载装置；240.s5-2进行位移加载。需要注意的是，一致位移激励仅作用于靠近导向架12一侧的管段。241.s5-3记录位移加载过程中零刚度液压件18的压力和位移、试验件16的应变和加速度。242.步骤六、数据保存与分析243.s6-1保存记录的数据；244.s6-2分析记录的数据。如有异常，重复步骤四和步骤五。245.步骤七、卸压排水246.s7-1泵站工作，进行卸压；247.s7-2当舱内压力降低到零时，开启排气孔2；248.s7-3抽空舱内的水。249.步骤八、设备拆卸归置250.s8-1关闭所有电源；251.s8-2按步骤三的相反顺序拆卸设备；252.s8-2归置设备。253.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。









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