不同土體組合下地下管線抗震性能研究

黃舒鵬++彭功勛++魏立新等

摘 要：該文主要針對(duì)廣州市特有的不同種類的不利地層組合，通過正交試驗(yàn)方法，對(duì)不同材質(zhì)的管道在土體組合中的地震破壞情況進(jìn)行數(shù)值分析和研究，得到其最不利的工況組合并對(duì)地下管線抗震性能進(jìn)行評(píng)估，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn) 數(shù)值計(jì)算 土體組合 抗震性能 地下管線

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2010）08（b）-0197-04

由于影響管線破壞的影響因素很多，沿管線方向不同的土體及土體長(zhǎng)度對(duì)管道的破壞有很大影響，同時(shí)不同的管道材料以及不同的地震作用方向?qū)艿赖钠茐囊灿胁煌挠绊?。如果采用全面試?yàn)組合，數(shù)值計(jì)算的模型數(shù)量很多，因此采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選取一定數(shù)量的有代表性的工況來進(jìn)行分析，通過部分工況來得到全部工況中的普遍規(guī)律，找出最不利的組合。

該文選取廣州地區(qū)特有的四種土體組合，分別為粉砂-殘積土-粉砂、淤泥-殘積土-淤泥、殘積土-粉砂-殘積土和殘積土-淤泥-殘積土，對(duì)每種土的組合單獨(dú)考慮，每種組合中土體的長(zhǎng)度分別取5 m、25 m和50 m；地震作用方向有三種情況，分別為軸向地震（沿管道方向，數(shù)值計(jì)算中為X方向）、側(cè)向地震（垂直于管道且平行于地面方向，數(shù)值計(jì)算中為Y方向）和豎向地震（垂直于地面方向，數(shù)值計(jì)算中為Z方向）；管道材料有三種，分別為鋼管、混凝土管、HDPE管，其中鋼材采用Q235鋼，混凝土采用C30混凝土。因此對(duì)每種土體的組合來說為三水平四因素試驗(yàn)[1]。

1 模型介紹

在數(shù)值計(jì)算中，土體采用摩爾-庫倫模型，管道采用線彈性模型[2]。建模是采用單一土層，土體深度20 m，寬度50 m，管徑取1200 mm，埋深4 m，位于土體中部。在靜力計(jì)算過程中，采用土體底面和四周法向固定的邊界條件[3]；動(dòng)力計(jì)算過程中，土體底部采用靜態(tài)邊界條件，土體四周采用自由場(chǎng)邊界條件。土體取局部阻尼為0.1571。地震波輸入位置為模型底部[4]。土體模型和管道模型如圖1、2所示。

由圖1所示，不同的土層沿X方向布置，圖中藍(lán)色和綠色分別代表土一、土二兩種不同的土體材料，土體長(zhǎng)度根據(jù)不同的試驗(yàn)工況組合確定，最小為15 m，最大為150 m，沿Y方向土體寬度為50 m，沿Z方向土體深度為20 m，管道位于土體中央埋深4 m處。由圖2所示，管道沿X方向布置，圖中藍(lán)色即表示管道模型，管道長(zhǎng)度和土體的總長(zhǎng)度一致，最小為15 m，最大為150 m，管道直徑1200 mm。

數(shù)值計(jì)算中所采用的地震數(shù)據(jù)為EI Centro三向波，地震作用時(shí)間為6 s。圖3為EI Centro三向波前6 s的加速度時(shí)程曲線。

根據(jù)廣州地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)對(duì)該地震波進(jìn)行調(diào)幅處理，廣州地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)為7度（0.1 g），即將EI Centro三向波的加速度時(shí)程曲線的峰值均縮小至0.1 g，其余各點(diǎn)加速度值均按比例縮小，得到峰值均為0.1 g的三向加速度時(shí)程曲線。由于速度是加速度相對(duì)于時(shí)間的積分，將調(diào)幅之后的加速度時(shí)程曲線對(duì)時(shí)間積分得到速度時(shí)程曲線。

2 分析結(jié)果

采用極差分析法對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行處理，極差分析又稱直觀分析，是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析中直觀的、常用的分析方法。極差分析法包括計(jì)算和判斷兩個(gè)步驟。其中為第j列因素第m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和，為平均值。由大小可以判斷第j列因素優(yōu)水平。采用極差分析法分別對(duì)四組數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到各組土體組合中最不利組合，確定在何種工況下管道的泄漏風(fēng)險(xiǎn)最大[5]。

由于管道在地震作用下主要發(fā)生軸向的拉壓以及垂直于截面的彎曲變形，這兩種變形都主要產(chǎn)生軸向的拉壓應(yīng)力，因此試驗(yàn)結(jié)果選取管材的最大軸向拉應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，同時(shí)，對(duì)于不同管材來講，其抗拉能力不盡相同，因此要對(duì)不同工況下的最大軸向拉應(yīng)力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即除以該管材的抗拉強(qiáng)度，才能得到實(shí)際管材的變形或者是破壞程度。實(shí)驗(yàn)中鋼材為Q235鋼，取其屈服強(qiáng)度235 MPa，混凝土為C30，取其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，HDPE材料取其抗拉強(qiáng)度25 MPa[6]。

2.1 第一組土體組合

2.1.1 試驗(yàn)工況

2.1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

工況一中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土5 m和粉砂5 m，管道總長(zhǎng)度為15 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较?。工況二中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土25 m和粉砂25 m，管道總長(zhǎng)度為75 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向?yàn)榇怪庇诠艿狼移叫杏诘孛娣较?，從?shù)值分析可知：

工況一中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.3262 MPa，出現(xiàn)在管道中部的下半部分；

工況二中管道最大軸向拉應(yīng)力為72.977vMPa，出現(xiàn)在管道中部的下半部分。

工況三中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土50 m和粉砂50 m，管道總長(zhǎng)度為150 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉９r四中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土25 m和粉砂5 m，管道總長(zhǎng)度為35 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

工況三中管道最大軸向拉應(yīng)力為46.671 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部；

工況四中管道最大軸向拉應(yīng)力為15.693 MPa，出現(xiàn)在管道端部的上半部。

工況五中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土50 m和粉砂25 m，管道總長(zhǎng)度為100 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较?。工況六中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土5 m和粉砂50 m，管道總長(zhǎng)度為105 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向?yàn)榇怪庇诠艿狼移叫杏诘孛娣较颉?/p>

工況五中管道最大軸向拉應(yīng)力為19.232 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部；endprint

工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa，出現(xiàn)在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長(zhǎng)度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長(zhǎng)度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa，出現(xiàn)在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長(zhǎng)度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3 結(jié)語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強(qiáng)度較低，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強(qiáng)度大，因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時(shí)，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí)，盡量使用柔性接口，增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 任露泉.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 趙林，馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2001（2）.

[4] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[5] 李志西，杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2007（5）.endprint

工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa，出現(xiàn)在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長(zhǎng)度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長(zhǎng)度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa，出現(xiàn)在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長(zhǎng)度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3 結(jié)語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強(qiáng)度較低，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強(qiáng)度大，因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時(shí)，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí)，盡量使用柔性接口，增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

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[5] 李志西，杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2007（5）.endprint

工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa，出現(xiàn)在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長(zhǎng)度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長(zhǎng)度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa，出現(xiàn)在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長(zhǎng)度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa，出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3 結(jié)語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強(qiáng)度較低，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強(qiáng)度大，因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時(shí)，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí)，盡量使用柔性接口，增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

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[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2007（5）.endprint