地震激勵下管-土動力相互作用試驗研究

曹文冉，商寧寧，鄧海峰，許 浩，毛天宇

1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

2.中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室，天津 300451

地震激勵下管-土動力相互作用試驗研究

曹文冉1，2，商寧寧1，2，鄧海峰1，2，許 浩1，2，毛天宇1

1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

2.中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室，天津 300451

海底管道的建設往往要考慮地震的影響，而管-土相互作用機理則是進行埋地管道抗震分析的基礎。基于Cauchy原理和Buckingham π定理進行了試驗相似比設計，以保證模型與原型相似，研制了疊層剪切箱來模擬地基邊界效應，探討了管-土間相對位移的試驗量測方法，考察了管道埋深、地震動峰值、遠近場地震動類型等因素對埋地管道抗震性能的影響，獲得了管-土接觸面相對位移、管道應變分布等試驗數(shù)據(jù)，分析了管道應變與土體位移的關系。試驗發(fā)現(xiàn)：管道與土體間的相對位移是管道結構產(chǎn)生應變的主要原因，土體本身以及管-土接觸面的非線性發(fā)展是影響管-土相互作用程度的決定因素。

振動臺；管-土相互作用；接觸面相對位移；管道應變；土體位移

隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海底管道在我國得到了廣泛應用[1]，發(fā)揮著越來越重要的作用。與陸地管道相比，海底管道具有造價昂貴、維修復雜、維護費高等特點[2]，加之我國是一個多地震國家[3]，蘊藏豐富油氣資源的渤海、黃海、東海等海域又瀕臨環(huán)太平洋地震帶[4]，屬于地震高發(fā)區(qū)域，地質條件差別較大，給海底管道的設計、施工帶來了諸多技術難題。因此，我國海底管道的建設往往要考慮地震的影響。

管-土相互作用機理是進行埋地管道抗震分析的基礎。40多年來，國內外學者圍繞管道抗震開展了大量研究[5-10]，并提出了一些計算方法，但這些理論方法的驗證都離不開實際震害資料。由于強震的罕遇性和地震的不可控性，缺少管-土體系在其作用下的實測數(shù)據(jù)是當前最大的困難，使得已有的理論成果很難被及時檢驗和修正。因此，試驗手段在驗證理論計算模型和探索管-土相互作用機理中就起到了舉足輕重的作用。

為了保證埋地管道模型試驗與原型相似，本文基于Cauchy原理和Buckingham π定理進行了試驗相似比設計，采用疊層剪切箱來模擬地基邊界效應，探討管-土間相對位移的試驗測量方法，考察管道埋深、地震動峰值、遠近場地震動類型等因素對埋地管道抗震性能的影響，以期獲得管-土接觸面相對位移、管道應變分布等試驗數(shù)據(jù)，同時分析土體相對位移與管道應變的關系，從而為驗證理論模型和計算方法的合理性打下基礎。

1 模型試驗準備

1.1 試驗相似比設計

為了考察埋地管道的管-土動力相互作用規(guī)律，模型必須滿足動力相似條件，包括物理條件、邊界條件、幾何條件、動平衡方程式和運動初始條件等五個方面。由于試驗所模擬場地的復雜性，人工質量相似律因能同時滿足重力和慣性力的相似條件而得到了廣泛應用，但是振動臺的承載力有限，在大型結構的縮尺模型上附加人工質量很難實現(xiàn)，加之線性結構的剛度在動力響應時必須滿足相似條件，因此本文試驗的相似比設計采用忽略重力的模型，選擇幾何相似比、密度相似比、動彈性模量相似比三個模型獨立參數(shù)作為基準，按照Cauchy原理，采用量綱和諧性分析方法，根據(jù)Buckingham π定理，求取π因子并建立各物理量的關系，進而推導出其他單位量的相似比關系，結果見表1。

表1 模型相似關系

1.2 疊層剪切箱制作

結合振動臺的幾何尺寸和承載能力，本文自主設計并加工制作了可沿管道方向振動的疊層剪切箱，見圖1。

圖1 疊層剪切箱裝置

箱體尺寸為2100mm（長）×1600mm（寬）×1570mm（高），底座尺寸為2460mm（長）×2250mm（寬）×120mm（高），采用13層鋼質框架疊合而成，每層框架高100mm，由4根100mm×3mm方形鋼管拼接而成，相鄰兩層框架之間由定向滑動裝置支撐，可使框架之間產(chǎn)生定向水平相對位移，以滿足模型地基的水平層狀變形要求。

在垂直于振動方向的每個橫向側面，設計了相同尺寸（1570mm×440mm）的3塊鋼板，可根據(jù)試驗要求選擇鋼板數(shù)量并以螺栓方式改變位置，既能提高鋼板使用的靈活性，又能滿足改變箱體剛度的要求。箱體縱向兩側分別安裝2根鋼質立柱，柱體上均勻布置滾動軸承，柱底與箱體底座焊接，柱頂用2根方形鋼管栓接，以限制箱體的垂直運動和平面扭轉運動。此外，箱體內壁襯3mm厚的特制橡膠墊，以防止土體從框架間隙漏出。

為了保證土體在振動中起控制作用，采用掃頻方法測得：空箱基頻為1.25Hz，滿箱基頻為3.66Hz，可見空箱頻率遠離滿箱頻率。另外，根據(jù)自由振動衰減法獲得的箱體阻尼比為0.0213，小于土體的阻尼比0.05～0.25。因此，在本文振動臺模型試驗中，剪切箱不會給模型土的地震反應帶來不良影響，即模型土與原型土具有相同的運動規(guī)律。

疊層剪切箱可以通過底座螺栓固定在振動臺臺面上，如圖1所示。

1.3 試驗材料及儀器

試驗土體取自哈爾濱市松花江邊，土體類別為中砂，密度1.56t/m3，內摩擦角29.3°。試驗前對模型土體進行分層夯實，使箱內土層高度約1.5m。

試驗選用的鋼管規(guī)格為D 114.3mm×4mm，試驗長度取2.5m，材質為API 5LX65，屈服強度為448MPa，抗拉強度為531MPa。

試驗儀器見表2。

2 模型試驗方案

2.1 傳感器布置方案（見圖2～4）

箱外沿豎向布置拉線位移計，用以監(jiān)測各層土體的水平位移，進而了解各層土體的水平動態(tài)位移變化趨勢；箱內沿水平向布置加速度計，用以監(jiān)測各層土體在地震波輸入方向的模型箱效應；沿豎向布置加速度計，用以監(jiān)測各層土體振動沿豎向的變化情況；箱體底座頂面布置加速度計，用以監(jiān)測輸入波在振動臺面上的變化。

表2 試驗儀器

模型管外表面布置加速度計，用以監(jiān)測管道在地震波輸入過程中的動力特性變化；管體左端布置拉線位移計，用以監(jiān)測管-土接觸面相對位移發(fā)展的不同趨勢；沿管長不同位置布置動土壓力計，用以監(jiān)測地震波輸入過程中管道周圍土體的動土壓變化；環(huán)繞管體外表面布置土壓計，用以監(jiān)測在地震波輸入過程中環(huán)管的土壓分布狀態(tài)；沿管體軸向水平對稱布置應變片，用以監(jiān)測振動過程中鋼管應變的分布情況及其發(fā)展變化。

圖2 模型場地傳感器布置

圖4 管外動土壓力計布置

2.2 試驗加載方案

簡單來說，震中距在100～1000km范圍內的地震稱為近場地震，震中距＞1000km的地震稱為遠場地震，因此本文分別選用El Centro波（近場）和Kobe波（遠場）作為輸入原型波。由于試驗相似比關系，振動臺面輸入的地震波波形必須按相似條件對原型波進行調整，使波形在時間坐標上壓縮。在本文地震激勵試驗中，最小輸入峰值0.04g，最大輸入峰值0.68g，如表3所示。

3 試驗結果分析

3.1 管-土接觸面相對位移分析

由于土體與管道材料變形不一致，管-土界面之間常常有較大的剪應力，該剪應力即是管道受力的主要來源。土體屬于松散介質，在振動受力過程中會產(chǎn)生壓縮變形，對剪應力傳遞起緩沖作用，剪應力沿接觸面的分布是不均勻的，導致接觸面上的相對位移也不一致。此外，由于不同深度處的管-土間的初始剪應力不相同，導致不同埋深管道處的位移也會有差別。

表3 試驗輸入工況

圖5為El Centro波軸向輸入下，管道及土體的位移時程曲線。

圖5 ElCentro波作用下管道及土體的位移時程曲線

從圖5可以看出，隨著地震動峰值的增加，不同埋深的管道與土體間的相對位移都在增大。當?shù)卣饎臃逯禐?.05 g時，埋深較大的A、B管道與土體間相對位移很?。ǎ?.2mm），接觸面條件并未發(fā)生破壞，可以定義為未滑動狀態(tài)；當?shù)卣饎臃逯颠_到0.08 g時，A、B管道與土體接觸面開時出現(xiàn)微小相對位移，幅值達到0.8mm左右，管-土接觸面開始發(fā)生破裂，接觸狀態(tài)改變，當管-土接觸面破壞之后，管道與土體的變形不再協(xié)調，隨著振動幅值的增大，二者將逐漸脫離。由于C管道埋深最淺，土體對管道的約束作用最弱，其接觸面最易發(fā)生破壞，因而C管道與土體的相對位移最大。

另外，隨著地震動峰值的增大，管-土接觸面損傷逐漸積累。當?shù)卣饎臃逯翟龃笾?.52 g時，A、B管道與土體間的相對位移接近4.6mm，管道應力增長緩慢，表明接觸面間管-土的黏著力失去作用，管-土接觸面基本處于自由狀態(tài)，只存在穩(wěn)定的摩擦力，管-土間剪應力傳遞值趨于恒定。

圖6為Kobe波軸向輸入下管道及土體的位移時程曲線。

圖6 Kobe波作用下管道及土體的位移時程曲線

通過比較El Centro波和Kobe波作用下的管道及土體的位移時程曲線發(fā)現(xiàn)，在遠場地震動作用下，埋深較大的A管道與土體間的相對位移略小于B管道，即埋深越淺，管-土相對位移越大；而在近場地震動作用下，A管道卻略高于B管道。此外，在近場地震動作用下，淺埋管道（即C管道）與土體間的相對位移也比遠場地震動作用下高。

3.2 管道應變分布規(guī)律

管道應變分布可以直觀反映其在地震中各位置處的受力狀態(tài)，可以確定管道最不利受力位置和應變峰值，進而為設計提供參考和依據(jù)。在振動臺試驗中，應變片均沿管道長軸方向對稱布置，以A管道為例，應變片的布設序號為S-AT1～S-AT10，距離管道左端依次為150、450、750、1050、1350mm。通過對不同峰值遠場和近場地震動作用下的管道最大應變分析即可得到管道應變分布規(guī)律，如圖7、8所示。

圖7 ElCentro波作用下管道最大應變分布

從圖7、8可以看出，軸向輸入與橫向輸入對管道的影響程度不同，地震反應形式也不盡相同。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，橫向輸入下管道應變響應明顯大于軸向輸入。遠場地震作用時，橫向下的峰值應變大約是軸向下的4倍左右；而近場地震動作用時，橫向下的峰值應變達到軸向下的8倍以上，這說明近場地震動作用下管道所受作用力更大。

另外，在軸向輸入下，土體對管道的作用通過接觸面?zhèn)鬟f并施加于管道上，管道主要承受拉壓作用，在地震動峰值較小時，管-土相互作用較弱，因而管道應變較小。而在橫向輸入下，管道明顯受到了彎曲作用，即管道中間應變大，兩端應變相對較小。由此可以推斷，埋地管道的破壞主要取決于地震作用下土體的永久變形。

圖8 Kobe波作用下管道最大應變分布

3.3 管道應變與土體位移的關系

在軸向輸入下，由于遠、近場地震動作用下的管道及土體的位移時程基本相似，此處僅以A管道為例，結合El Centro波作用下的管道應變分布及其所在位置處的管-土接觸面相對位移情況，研究管-土相對位移與管道應變的關系，見圖9。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，當?shù)卣饎臃逯递^小時，在軸向各個幅值輸入下，管道應變時程和土體位移時程具有很強的相關性，即當管道與土體未發(fā)生相對位移時，管道應變與土體位移時程的規(guī)律基本一致，而當管道與土體的接觸面發(fā)生破壞以后，土體位移將會偏離管道應變曲線，呈現(xiàn)增大趨勢。當?shù)卣饎臃逯祻?.15 g增加至0.52g的過程中，管道微應變從5με增大到16με，變化不大，原因在于管道應變主要由周圍土體的相對位移引起，由于管道自重較小，周圍土體對管道的約束作用較大，地震時管道的動力放大作用不明顯。與此同時，由于管-土接觸面的相對位移現(xiàn)象，土體位移的變化趨勢比管道應變的變化趨勢更顯著。

圖9 ElCentro波作用下管道應變與土體位移時程對比

4 結論

基于Cauchy原理和Buckingham π定理進行了相似比設計，研制了剛度可調的疊層剪切箱，探討了管道應變與土體位移的關系。通過對比分析，主要得到了以下結論：

（1）隨著地震動峰值的增加，不同埋深的管道與土體間的相對位移都在增大。當管-土接觸面發(fā)生破壞后，管-土間的變形不再協(xié)調。在相同峰值地震動下，管道埋深越淺，管-土間的相對位移越大，且近場地震動引起的位移量要高于遠場地震動。

（2）橫向輸入下管道的應變明顯大于軸向輸入，而且近場地震動作用下管道所受的作用力更大。對比震害資料發(fā)現(xiàn)，埋地管道的破壞一般取決于地震動作用下土體的永久變形，管道與土體間的相對位移才是管道結構產(chǎn)生應變的主要原因。

（3）當管道與土體未發(fā)生相對位移時，管道應變時程和土體位移時程具有很強的相關性；當接觸面發(fā)生破壞后，土體位移和管道應變不再同步。因此，土體本身的非線性變形和管-土接觸面的非線性變化是影響管-土相互作用的決定因素。

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Experimental study on dynamic interaction between pipe and soil under earthquake excitation

CAO Wenran1，2，SHANG Ningning1，2，DENG Haifeng1，2，XU Hao1，2，MAO Tianyu1
1.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
2.CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering，Tianjin 300451，China

Earthquake shall be considered in the construction of submarine pipeline and the mechanism of pipe-soil interaction is the basis of seismic analysis of buried pipeline.On the basis of Cauchy’s principle and Buckingham π theorem，the similarity relation is calculated to ensure the similarity between the test model and the prototype.The laminar shear box is developed to simulate the boundary of soil.The method of measuring the relative displacement between pipe and soil is investigated，and the influences of buried depth，peak ground acceleration（PGA），far-field and near-field ground motion on the seismic behavior of buried pipeline are studied.The relative displacement of pipe-soil interaction and strain distribution along the pipe are also obtained.Then，the relationship between pipe strain and ralative displacement is analyzed.The test results show that the relative displacement between pipe and soil is the primary reason leading to the strain of pipeline structure，and the nonlinearity of soil itself and the pipe-soil interface is the key factor that influences the dynamic interaction between buried pipeline and soil.

shaking table；pipe-soilinteraction；interface slippage；pipe strain；soildisplacement

曹文冉（1984-），男，山東濱州人，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學防災減災工程及防護工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋平臺和海底管道研究工作。Email：caowenran@cnpc.com.cn

2017-04-27

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.001

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發(fā)項目（2016A-1004）