場(chǎng)地變形條件下埋地管道接口試驗(yàn)研究綜述

劉洲 田林林 周彪

【摘 要】埋地管道作為城市生命線工程在工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活中應(yīng)用廣泛。但是在地震作用和場(chǎng)地變形作用下，管道會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，尤其是在最薄弱的接口處。所以對(duì)埋地管道在場(chǎng)地變形作用下的研究就十分必要。本文根據(jù)項(xiàng)目組研發(fā)的箱體和MTS等設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，為今后的試驗(yàn)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】埋地管道； 場(chǎng)地變形； 接口

前言

埋地管道作為重要的物流手段之一，已經(jīng)被各大城市廣泛應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸自來水、石油、天然氣及供暖等。埋地管道系統(tǒng)是人類現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)能源動(dòng)脈，被稱為人類生命線系統(tǒng)的一部分。隨著城市的發(fā)展和大型工程的增多，城市和大型工程對(duì)地下管道越來越依賴。而埋地管道一旦破壞，對(duì)人類的生活生產(chǎn)將會(huì)帶來嚴(yán)重的影響。因此，地下管道破壞的研究對(duì)城市和大型工程的建設(shè)均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

地下管道的主干、支路以及結(jié)點(diǎn)的地震破壞均可歸結(jié)于地震波作用下的波動(dòng)破壞和場(chǎng)地震害。前者主要指由于地震波的傳播效應(yīng)，導(dǎo)致土層產(chǎn)生波動(dòng)變形而使管道發(fā)生破壞；而后者指地震振動(dòng)引起的大面積地表移動(dòng)、場(chǎng)地?cái)嗔训葓?chǎng)地變形，主要包括土壤液化、地表塌陷、斷層、滑坡等。如果不考慮管道自身的腐蝕，管道接口處的破壞最為嚴(yán)重。而埋地管道接口分為焊接、螺紋連接、法蘭連接和溝槽連接等形式。所以，對(duì)管道不同接口處的抗震性能研究十分必要。

相比國(guó)內(nèi)外關(guān)于埋地管道損傷的理論分析和數(shù)值模擬研究來說，試驗(yàn)研究還顯得不足，尤其對(duì)于埋地管道接口處的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。本文以埋地管道接口為主要對(duì)象，設(shè)計(jì)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的接口破壞試驗(yàn)方案，借助MTS設(shè)備和項(xiàng)目組自行制作的箱體對(duì)管道的不同接口形式開展模擬斷層錯(cuò)動(dòng)作用的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，總結(jié)出埋地管道的不同接口在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的力學(xué)性能，用于提高埋地管道抗震性能的研究。

1.研究意義

與地上管道相比，埋地管道通常分布的范圍廣，不可避免地涉及各種場(chǎng)地，在地震中極易遭受破壞，造成系統(tǒng)故障和中斷，并有可能產(chǎn)生各種次生災(zāi)害，給人民的生活和生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。而且地震引起的斷層、沉降、液化等場(chǎng)地變形也對(duì)埋地管道有著很大危害。歷史震害表明，埋地管道面對(duì)災(zāi)害最薄弱的環(huán)節(jié)就是管道接口處。為了減少地震作用對(duì)管道工程造成的破壞，確保生命線工程的安全和防止次生災(zāi)害的發(fā)生，研究地震波及其所引起的場(chǎng)地變形對(duì)管道的損傷，尤其對(duì)于管道接口處的損傷，為輸流管道的抗震性能研究提供必要的理論基礎(chǔ)，有著十分重要的意義。深入開展斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的埋地管道接頭損傷的試驗(yàn)研究，可為埋地管道的力學(xué)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供可靠的依據(jù)。

2.研究目標(biāo)

以地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)的管道薄弱環(huán)節(jié)——接頭為研究對(duì)象，通過室內(nèi)模擬斷層錯(cuò)動(dòng)的試驗(yàn)，研究埋地管道接頭的變形與破壞，進(jìn)而揭示埋地管道在斷層作用下的破壞機(jī)理，為管道工程的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

3.研究?jī)?nèi)容

考慮當(dāng)前工程實(shí)際中的多種管道連接方式，基于項(xiàng)目組開發(fā)的已有試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋管接口變形與破壞的試驗(yàn)方案，研究不同接口的受力和變形情況，結(jié)合理論分析，得出埋地管道不同接口的破壞機(jī)制和受力特征。

具體試驗(yàn)內(nèi)容安排如下：

以不同接口的埋地管道為試驗(yàn)對(duì)象，分別在不同類型斷層作用下，接口位置不同情況下，研究管道接口處的受力特征；進(jìn)一步考慮組合場(chǎng)地條件下的接口受力與變形。

3.1考慮正斷層作用下，接口位置遠(yuǎn)離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.2考慮正斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.3考慮正斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.4考慮逆斷層作用下，接口位置遠(yuǎn)離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.5考慮逆斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.6考慮逆斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.7考慮走滑斷層作用下，接口位置遠(yuǎn)離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.8考慮走滑斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.9考慮走滑斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總和分析，得到埋地管道不同形式接口在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的應(yīng)變、位移等相應(yīng)變化情況；并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)不同因素下的埋地管道不同接口形式的力學(xué)性能試驗(yàn)，揭示埋地管道的損傷機(jī)理，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。

4.關(guān)鍵問題與預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)

4.1關(guān)鍵問題

如何模擬現(xiàn)實(shí)情況的加載方式，設(shè)計(jì)最符合實(shí)際情況的試驗(yàn)方案，把加載的力更精確地作用到接口處，從而得到最切合實(shí)際的數(shù)據(jù)和形變現(xiàn)象，才能更好地研究出埋地管道不同接口的破壞形式，并且為今后埋地管道施工提供可靠的理論依據(jù)和實(shí)踐方案。

4.2預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)

本研究預(yù)期的創(chuàng)新點(diǎn)是：通過設(shè)計(jì)埋地管道不同接口在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下力學(xué)性能研究的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，借助MTS擬動(dòng)力設(shè)備提供動(dòng)力加載，研究不同形式的接口在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下受力及變形狀況，揭示埋地管道損傷機(jī)理。

5.實(shí)驗(yàn)方案

將試驗(yàn)管道埋置于三個(gè)無蓋的箱體內(nèi)，其中兩側(cè)箱體為1000×876×760mm3，中間箱體為1200×876×760mm3。中間箱體與MTS設(shè)備相連，可以通過設(shè)備使箱體上下移動(dòng)；一側(cè)箱體底部和側(cè)面均有滑輪，可以前后移動(dòng)；另一側(cè)箱體與地面固定。放置管道時(shí)，將管道接口處放置于試驗(yàn)箱體的不同位置處，用于分析各種條件下的接口受力。每組試驗(yàn)將放置三根管道，接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接進(jìn)行不同接口形式的試驗(yàn)；接口位置分別為遠(yuǎn)離斷層、斷層附近、斷層處進(jìn)行不同接口位置的試驗(yàn)。通過MTS設(shè)備和千斤頂?shù)仍O(shè)備使箱體產(chǎn)生位移，從而模擬斷層錯(cuò)動(dòng)作用下不同管道接口的受力變形情況。通過在管道接口處安裝應(yīng)變片，并使用位移計(jì)等裝置，得出管道接口處的受力、位移和變形等試驗(yàn)數(shù)值或現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]L.R.L.Wang， Yaw-Huei Yeh， Damage behavior statistics of Lifeline systems around the world during earthquakes[J]， April， 2013.

[2]城市公用設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范編制組，遼寧海城、營(yíng)口地震城市公用設(shè)施震害調(diào)查報(bào)告[R]，1975.

[3]劉恢先主編.唐山大地震震害（第三冊(cè)）[M].北京：地震出版社，1986.

[4]唐山市自來水公司，北京市政研究所.唐山市給水設(shè)施震害調(diào)查[R]，1976.11.

[5]孫紹平.阪神地震中給水管道震害極其分析[J].特種結(jié)構(gòu)，1997，14（2）51-55.

[6]王學(xué)平，孫曉濱，郝建斌，等.管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)一一以忠縣一武漢輸氣管道為例[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2008，28（3）： 99-102.

[7]何維華.汶川“5.12”大地震誘發(fā)供水管網(wǎng)等損壞的思考[J].給水排水，2009年第12期：7—11.

[8]李宏男，肖詩云，霍林生.汶川地震震害調(diào)查與啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，04：10-19.

[9]王東源，趙宇，王成華.陽瑣落石對(duì)輸油管道的沖擊分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22（3）：229-233.

[10] Zheng J Y，Zhang B J，Liu P F，et al. Failure Analysis and Safety Evaluation of Buried Pipeline Due to Deflection of Landslide Process [J]. Engineering Failure Analysis， 2012，25： 156-168.