斜滑斷層對埋地天然氣管道力學(xué)性能影響

吳康康，陳艷華，王云翔

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山 063210)

0 引言

大量震害經(jīng)驗顯示，由斷層錯動引發(fā)的場地永久變形是導(dǎo)致管道大變形以至破壞的重要原因。因此研究埋地天然氣管道在斷層與場地變形作用下的受力和變形規(guī)律，對保障埋地管道安全運(yùn)行具有重要意義。

1975年，Newmark等[1]分析斷層作用下小位移埋地管道的響應(yīng)，提出了埋地管道在斷層作用下的簡化模型，但忽略了管土間的橫向作用力和彎曲變形，計算結(jié)果偏不安全。Kennedy等[2]在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，采用大撓度理論并考慮管土相互作用和管道彎曲變形，發(fā)展了管土相互作用的二維彈性地基梁模型。Wang等[3]繼續(xù)改進(jìn)，提出柔性索假設(shè)理論，采用管道鋼三折線模型，得到了管道的應(yīng)力應(yīng)變分布。Takada等[4]運(yùn)用殼模型分析斷層作用下埋地管道的屈曲效應(yīng)，得出斷層作用下管道軸向應(yīng)變?yōu)橹饕獞?yīng)變。馮啟民等[5]采用下沉土箱進(jìn)行了室外試驗，并對實測值和簡化模型得出的計算值進(jìn)行了比較。白文彪[6]通過制作兩箱體模型模擬斷層錯動，讓一個箱體相對于另一個箱體發(fā)生位移，實現(xiàn)對埋設(shè)于土箱中的管道施加斷層位移作用。張鑫、黃曉靚[7]系統(tǒng)回顧了跨斷層埋管的研究歷程，分析了不同參數(shù)對埋地管道的影響程度。侯王剛等[8]利用傳感器建立了跨斷層埋地管道安全監(jiān)督體系。張立松等[9]考慮梁-殼單元在連接處的耦合效應(yīng),利用有限元模型，分析了斷層兩側(cè)土體性質(zhì)差異對輸氣管道受拉側(cè)和受壓側(cè)最大軸向應(yīng)變的影響規(guī)律。連凱[10]通過設(shè)計合理的試驗裝置，模擬不均勻沉降、斷層以及二者耦合作用下管道的力學(xué)性能試驗，得出管道的應(yīng)變值、變形曲線和管道受力特征，總結(jié)管道的變形規(guī)律。董飛飛等[11]通過數(shù)值模擬，對埋地管道在斷層作用下的受力性能進(jìn)行多參數(shù)計算，得到利于管道抗震設(shè)計的相關(guān)結(jié)論，獲得相關(guān)參數(shù)對管道受力性能的影響結(jié)果。曾希等[12]利用自制土箱試驗裝置，通過兩端彈簧模擬管道小變形段軸向拉伸，分析了埋地管道在不同類型斷層錯動下的應(yīng)變和變形分布規(guī)律。

眾多學(xué)者對埋地管道進(jìn)行了大量研究，大多針對正斷層、逆斷層以及走滑斷層，對于既跨越走滑斷層又跨越傾滑斷層(正斷層、逆斷層)的埋地管道研究較少。圖1為管道穿越走滑斷層、傾滑斷層(以正斷層為例)與斜滑斷層的結(jié)構(gòu)示意圖。在實際工程中有大量管線穿越斜滑斷層，例如，中國―中亞天然氣管道工程穿越F8活動斷裂帶、汶川地震中都江堰虹口地震斷層，其水平與豎直位移各達(dá)到4.7 m[13]。因此，本文采用有限元軟件ADINA，研究斜滑斷層作用下不同埋深、管徑、錯動量、內(nèi)壓等因素對埋地鋼質(zhì)管道受力與變形的影響，并對比了鋼管和PE管在斷層錯動下的不同變化特征，得到利于管道抗震設(shè)計的相關(guān)結(jié)論，得到相關(guān)參數(shù)對管道受力性能的影響結(jié)果。

(a)走滑斷層

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

本文選取管道計算長度為16 m，土體計算區(qū)域為16 m×2 m×2 m。圓柱形管道結(jié)構(gòu)選用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，土體模型選用六面體實體單元離散，通過ADINA非線性有限元軟件模擬斜滑斷層作用下埋地管道的反應(yīng)。為提高運(yùn)算效率，土體近斷層處網(wǎng)格劃分較精密，而遠(yuǎn)斷層劃分較粗，網(wǎng)格劃分如圖2所示。土體材料選用砂黏土，埋深分別為0.4、0.5、0.6 m，穿越角取90°，管材選用X60和PE100，具體參數(shù)見表1、表2。管土相互作用通過 ADINA 中管土接觸設(shè)定來實現(xiàn)，接觸設(shè)定步驟為: 接觸控制―接觸組―接觸面―接觸對。首先確定接觸算法，設(shè)定摩擦運(yùn)算法則為約束方程法，設(shè)定接觸摩擦迭代次數(shù)為 5，接觸類型為3D-contact，將管道外表面設(shè)置為目標(biāo)面，與管道接觸的土體表面設(shè)置為接觸面，摩擦系數(shù)取 0.5。

表1 鋼管材料參數(shù)

表2 PE管材料參數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.2 管-土本構(gòu)關(guān)系

鋼管的本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[14]中的三折線模型。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，PE管選取Suleiman提出的雙曲線模型，該模型可以很好地描述PE管材性能與應(yīng)變率之間的本構(gòu)關(guān)系。土體彈性模量為8 MPa，內(nèi)聚力為5 MPa，泊松比為0.37，摩擦角為20°，密度為1 900 kg/m3，本構(gòu)關(guān)系采用ADINA中自帶的M-C模型。

1.3 邊界條件及位移荷載的確定

由于本文模擬的是斜滑斷層，相較于單一的走滑斷層或傾滑斷層更復(fù)雜，所以邊界條件的設(shè)置很重要。為了更好地模擬管道受力狀態(tài)，設(shè)置以下邊界條件及位移荷載[16]。

(1)模型上表面為地平面，所以不需要設(shè)置任何邊界條件，使其為自由面。以下設(shè)置中，x為管道軸向，y為管道徑向，z為管道豎向。

(2)在圖2模型左盤底面施加豎直方向約束，側(cè)面施加水平方向位移荷載，使其可以沿y軸負(fù)方向發(fā)生水平方向的運(yùn)動[17]。

(3)模型右盤豎直面外側(cè)節(jié)點(diǎn)施加側(cè)向約束，上表面施加豎直方向位移荷載，使其可以沿z軸負(fù)方向發(fā)生豎直方向的運(yùn)動。

(4)由于管道與土體間設(shè)置表面接觸，管道會隨著土體運(yùn)動，同時會發(fā)生軸向的滑移，只要管道足夠長，管土間的摩擦力足以維持管道的平衡，所以管道可以不設(shè)任何約束。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 斷層錯動量的影響

斷層錯動量選取30、60、90、120、150 mm 5種不同情況，研究在此條件下斜滑斷層對埋地鋼質(zhì)管道的力學(xué)性能的影響。圖3和圖4為斷層錯動量對管道位移變化的影響曲線，錯動量較小時，管道變形較小，曲線較光滑，隨錯動量的增加，管道水平和豎直方向位移均逐漸增加，管道變形區(qū)域也增大，管道變形曲線由S型變?yōu)閆型。近斷層處管道與土體脫離變形較大，而遠(yuǎn)斷層處管道隨著土體一起運(yùn)動，因此變形趨于平緩。圖5為在不同斷層錯動量下，管道m(xù)ise應(yīng)力的變化情況。管道兩端應(yīng)力值很小，隨錯動量的增加變化不大，而斷層兩側(cè)(5～11 m處)管道應(yīng)力迅速增大且隨著錯動量的增加而增大，在斷層兩側(cè)管道應(yīng)力變化較大，此段易造成管道塑性破壞。因此，在工程實踐中應(yīng)對管道采用適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，防止管道破壞。

圖3 斷層錯動對管道豎直方向位移變化的影響曲線

圖4 斷層錯動對管道水平方向位移變化的影響曲線

圖5 不同錯動量下管道m(xù)ise應(yīng)力變化曲線

2.2 埋深的影響

結(jié)合本模型的情況，選取埋深為0.4、0.5、0.6 m3種情況，分析鋼管道在斜滑斷層情況下的力學(xué)性能。圖6、圖7為不同埋深情況下管道頂部和底部軸向應(yīng)變變化曲線。管道最大拉伸應(yīng)變與最大壓縮應(yīng)變相近，管道頂部應(yīng)變變化曲線與底部呈反對稱形式，在斷層附近，應(yīng)變隨著埋深增加明顯增大，且兩側(cè)峰值拐點(diǎn)逐漸向斷層處靠近。分析可知，管道應(yīng)變隨著埋深的增加而增大，主要是因為隨著管道埋深的增加，土壓力增大，土體對管道的土反力增大，抑制了管道的軸向和徑向活動，土體對管道的約束能力增強(qiáng)，降低了管道隨斷層運(yùn)動而變形的能力，使管道受力與變形增大。因此，在實際工程中應(yīng)結(jié)合實際情況適當(dāng)淺埋為宜。

圖6 管道頂部應(yīng)變隨埋深變化曲線

圖7 管道底部應(yīng)變隨埋深變化曲線

2.3 管徑的影響

選取32、63、110 mm 3種管徑進(jìn)行模擬，管道壁厚不變，均為5.8 mm。圖8為不同管徑下，鋼管道最大拉伸應(yīng)變隨管徑的變化曲線圖。當(dāng)錯動量小于150 mm時，應(yīng)變增長較快，當(dāng)錯動量大于150 mm時，應(yīng)變增長變慢，小管徑曲線趨于平緩。當(dāng)錯動量小于180 mm時，最大壓縮應(yīng)變隨管徑的增加而減小，當(dāng)錯動量大于180 mm時，應(yīng)變隨著管徑的增加而增大。主要原因是，隨著管徑的增大，管道剛度增大，土體對管道的約束也增大，當(dāng)錯動量較小時，管徑增大對管道剛度帶來的影響大于土體對管道的約束，因此應(yīng)變隨管徑增大而減小；而當(dāng)錯動量繼續(xù)增大，土體約束增大帶來的影響大于管道管徑增大帶來的影響，因此應(yīng)變隨管徑的增大而增大。在工程實踐中，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選擇大管徑管道，以減少管道受到破壞。

圖8 管道最大拉伸應(yīng)變隨管徑變化曲線

2.4 內(nèi)壓的影響

為模擬管道運(yùn)行壓力對斜滑斷層錯動下埋地鋼質(zhì)管道的影響，選取3種不同內(nèi)壓(0.1、0.2、0.3 MPa)研究其對管道在斷層作用下的應(yīng)變影響。圖9、圖10分別為管道頂部和底部軸向應(yīng)變隨壓力變化曲線。從圖中可以看出，內(nèi)壓作用對管道應(yīng)變變化影響較??；當(dāng)管道處于受壓狀態(tài)時，應(yīng)變隨內(nèi)壓的增大而增大，當(dāng)管道處于受拉狀態(tài)時，應(yīng)變隨內(nèi)壓增大而減小。分析可知，管道在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生壓應(yīng)變，管道內(nèi)壓和管道在斷層錯動情況下產(chǎn)生的壓應(yīng)變相疊加，從而使管道壓應(yīng)變增大；相反，2種載荷產(chǎn)生的應(yīng)變疊加會使拉應(yīng)變降低。管道內(nèi)壓增大會更容易使管道發(fā)生屈曲破壞，因此在斷層研究中應(yīng)對管道內(nèi)壓加以考慮。

圖9 管道頂部應(yīng)變隨壓力變化曲線

圖10 管道底部應(yīng)變隨壓力變化曲線

2.5 管材的影響

城鎮(zhèn)埋地天然氣管道有鋼管和PE管，本文選取2種管道，在相同管徑與壁厚情況下，模擬管道在斜滑斷層下的受力與變形情況。圖11為2種管材對管道m(xù)ise應(yīng)力影響曲線，圖12、圖13分別為2種管材對管道頂部和底部軸向應(yīng)變影響曲線圖。鋼管和PE管在斷層錯動下受力與形變不同，圖11中鋼管最大應(yīng)力位于斷層兩側(cè)一定距離處，而PE管最大應(yīng)力位于斷層處；鋼管遠(yuǎn)端應(yīng)力有一定起伏，而PE管遠(yuǎn)端應(yīng)力沿著軸向一直緩慢增加；由圖12、圖13可以看出，PE管的應(yīng)變在近斷層處迅速增加且遠(yuǎn)大于鋼管，最大拉壓應(yīng)變均位于斷層處。分析可知，鋼管彈性模量遠(yuǎn)大于PE管，其材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。因此，在工程中應(yīng)根據(jù)具體情況，合理考慮不同管材的材料特征，采取相應(yīng)的措施以減少管道發(fā)生破壞。

圖11 不同管材對管道m(xù)ise應(yīng)力影響曲線

圖12 不同管材對管道頂部應(yīng)變影響曲線

圖13 不同管材對管道底部應(yīng)變影響曲線

3 結(jié)論

(1)隨著斷層錯動量的增加，管道在斜滑斷層作用下水平位移和豎直位移均增加，管道水平和豎直變形曲線也由S型變成Z型。

(2)在管道兩端(即遠(yuǎn)斷層處)，管道應(yīng)變隨埋深的增加變化較小，在近斷層處管道應(yīng)變隨埋深的增大而明顯增大。

(3)基于模擬結(jié)果，當(dāng)錯動量小于180 mm時，管道應(yīng)變隨管徑增加而減小，錯動量大于180 mm時，管道應(yīng)變隨管徑增加而變大，在工程中適當(dāng)選擇大管徑管道有助于減輕場地變形對管道的破壞。

(4)內(nèi)壓相對于其他參數(shù)對管道影響較小，隨著內(nèi)壓增大，管道最大應(yīng)變由拉應(yīng)變變?yōu)閴簯?yīng)變。

(5)在斷層錯動下，PE管的受力與形變最大位置均位于斷層處，而鋼管位于斷層兩側(cè)，即在工程中應(yīng)根據(jù)管材不同制訂相應(yīng)防護(hù)措施。