地面堆載對(duì)埋地管道的影響分析

淦 邦,朱 磊,史振龍，董志博

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008;2.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100392)

1 概述

油氣管道作為一種線性工程，不免要穿越某些地質(zhì)狀況復(fù)雜的地區(qū)，軟土作為一種含水率大、孔隙度大、壓縮性高的特殊土[1]，受到荷載或擾動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生復(fù)雜的摩擦作用，導(dǎo)致管道的破壞[2-5]。其中，地面堆載對(duì)軟土地區(qū)埋地管道的不良影響是最常見且最容易被忽略的因素，由于以上原因?qū)е碌牡鼗痪鶆虺两担瑫?huì)使管道產(chǎn)生彎曲變形甚至破裂，并可能引發(fā)油氣泄露。如在2017年12月3日，儀長(zhǎng)線原油管道大武支線發(fā)生焊口撕裂，原油泄漏并進(jìn)入距離管線斷口處70 m的廢棄灌溉渠內(nèi)，直接威脅灌溉渠下游的武漢市嚴(yán)東湖。

針對(duì)地面堆載作用下埋地管道的受力特性，常見的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬[6-9]，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和物理模型實(shí)驗(yàn)容易受到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無法針對(duì)埋地管道變形的主控因素進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，所以亟需通過數(shù)值模擬等方式評(píng)價(jià)外部荷載對(duì)管道應(yīng)力應(yīng)變的影響方式。如李長(zhǎng)俊等[10]利用ANSYS有限元軟件模擬了地表的堆載對(duì)埋地管道的影響。帥健等[11]建立了地基-管道三維有限元模型，分析了不同強(qiáng)度地基狀態(tài)時(shí)地表荷載對(duì)管道的影響方式。陳劍健[12]通過結(jié)合Boussinesq法和彈性地基梁理論建立了地表荷載作用下的管道力學(xué)模型，并采用有限差分法對(duì)其求解，計(jì)算出地表堆載對(duì)埋地管道產(chǎn)生的變形和應(yīng)力。

本文主要應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，建立了地表堆載作用下管-土相互作用模型，研究了荷載大小、堆載體-管道水平距離、管道埋深以及荷載面積對(duì)埋地管道變形及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文研究結(jié)果可為油氣埋地管道的設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考。

2 有限元模型建立

2.1 管道本構(gòu)模型

由于管道的非線性本構(gòu)關(guān)系，且本文涉及對(duì)管道極限荷載狀態(tài)的分析，所以本文參照文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[13]，選取經(jīng)典的三段式應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(如圖1所示)作為數(shù)值模擬中管道的本構(gòu)模型。圖1中s1，s2分別為彈塑性變形和塑性變形的起始應(yīng)力；e1，e2分別為彈塑性變形和塑性變形的起始應(yīng)變。

2.2 土體本構(gòu)模型

本文中土體本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)侖模型，結(jié)合勘察資料設(shè)置黏聚力及摩擦角等參數(shù)來擬合現(xiàn)場(chǎng)土體工程性質(zhì)，黏聚力可以體現(xiàn)屈服面的軟、硬化狀態(tài)，適用于對(duì)外部荷載作用敏感的土體，是一種很好體現(xiàn)巖土體拉壓變形不相等特點(diǎn)的本構(gòu)模型，已被廣泛應(yīng)用[14]。

2.3 管土相互作用

管道和管周土體之間存在復(fù)雜的相互作用，由于非線性有限元模型的發(fā)展[15-19]，本文選用表面-表面接觸類型作為模型中管-土接觸模型。由于管道剛度遠(yuǎn)大于土體，設(shè)置管道外表面為主表面，與管道外表面相接觸的土體表面為從表面。定義管土接觸的切向和法向行為，法向行為選取“硬接觸”，符合管土接觸后可分離的實(shí)際情況，切向行為設(shè)置摩擦系數(shù)為0.5的“罰”函數(shù)來定義。

2.4 物理模型及參數(shù)

根據(jù)輸油鋼管管材技術(shù)要求執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711—2011石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管[20]，并對(duì)研究區(qū)管道參數(shù)進(jìn)行調(diào)研，本文數(shù)值模型管道采用L320鋼材料為原型，管道外徑D=762 mm，壁厚=8.7 mm，具體材料參數(shù)如表1所示。管周土體為黏土，土體模型尺寸為40 m×40 m×8 m，土體尺寸設(shè)置為管徑的50余倍，根據(jù)圣維南原理滿足邊界條件對(duì)管道應(yīng)力不構(gòu)成影響，土體底面采用完全固定約束，上表面為自由表面，4個(gè)側(cè)面則固定住其對(duì)應(yīng)法線方向的運(yùn)動(dòng)。按土體表面通過施加一定范圍的均布荷載代替地面堆載。

表1 管道材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 荷載大小對(duì)埋地管道的影響規(guī)律

圖2為地表堆載與管道位置關(guān)系俯視圖，其中A，B兩點(diǎn)之間的范圍即定義為地表荷載在管道上的投影范圍，A1，B1兩點(diǎn)間距定義為堆載體長(zhǎng)度。圖3為外部荷載不同程度時(shí)，管道軸向上的Mises應(yīng)力分布，圖4為受外部荷載影響的管道軸向應(yīng)變分布。圖3和圖4中顯示，管道應(yīng)力值隨著外部荷載重量的增加迅速增大；而且位于地表荷載在管道上的投影范圍以內(nèi)(20 m<管道軸向距離<30 m)的Mises應(yīng)力值和應(yīng)變值的增幅要遠(yuǎn)大于荷載投影面以外的增幅；同時(shí)可以看出，當(dāng)?shù)乇硗獠亢奢d的重量達(dá)到一定程度時(shí)(圖3中為1.0 MPa)，地表荷載在管道上的投影范圍外附近(管道軸向距離等于25 m及35 m)所對(duì)應(yīng)的管道Mises應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)稍大于邊界外的一段管道的應(yīng)力和應(yīng)變，總體呈現(xiàn)一個(gè)“筆架”型的變化趨勢(shì)(在圖4中的應(yīng)變分布圖中，這個(gè)趨勢(shì)尤為明顯)，所以在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，要重點(diǎn)關(guān)注地表荷載在管道上的投影中心所對(duì)應(yīng)的管道點(diǎn)位，也要重視荷載投影邊界所對(duì)應(yīng)的管道位置的力學(xué)狀態(tài)和變形特征。

圖5為外部荷載不同程度時(shí)，管道軸向上的位移分布。由圖5可知，地表堆載重量越小，堆載體對(duì)埋地管道的影響越小，當(dāng)堆載重量小于一定數(shù)值時(shí)(本文為0.4 MPa)，僅有堆載體投影內(nèi)所對(duì)應(yīng)的管道受外部堆載影響而產(chǎn)生位移。反之，隨著堆載重量增加，管道位移迅速增大；而且位于荷載在管道上的投影范圍以內(nèi)(20 m<管道軸向距離<30 m)的位移值的增幅要遠(yuǎn)大于投影范圍以外的增幅。

3.2 埋置深度對(duì)管道的影響規(guī)律

控制地表荷載為0.6 MPa，堆載體-管道間距為5 m，堆載體長(zhǎng)度為10 m。圖6～圖8分別表示管道不同埋深下，管道的水平向應(yīng)力峰值、水平向應(yīng)變峰值及水平向位移峰值。由圖6～圖8可知，隨著管道埋深的增加，地面荷載對(duì)埋地管道的影響越來越小，本文中管道埋深達(dá)到5 m時(shí)，荷載對(duì)管道已無明顯作用。這是由于隨著地面堆載引起的附加應(yīng)力隨著土體深度的增加逐漸減小，也可理解為隨管道埋深增加，管道遠(yuǎn)離地表荷載有效作用區(qū)域，從而限制了管道的運(yùn)動(dòng)，對(duì)管道抵抗變形有利。但這部分只考慮了地表荷載對(duì)管道水平方向上應(yīng)力、應(yīng)變和位移狀態(tài)的影響，并未考慮管道上覆土壓力、孔隙水壓力等的影響，而這些關(guān)鍵變量隨管道埋深都可能會(huì)對(duì)管道應(yīng)力和變形產(chǎn)生顯著的不利影響，因此并不能簡(jiǎn)單的提出，管道埋深越大，管道就越安全的結(jié)論。

3.3 堆載距離對(duì)管道的影響規(guī)律

圖9為堆載體偏離管道中軸線不同程度時(shí)，管道軸向的Mises應(yīng)力分布圖，圖10為管道軸向距離應(yīng)變分布圖。圖中顯示，應(yīng)力值和應(yīng)變值隨堆載體-管道距離的增加而迅速減小，堆載體對(duì)埋地管道的影響越小，而且位于載荷投影面以內(nèi)(20 m<管道軸向距離<30 m)的Mises 應(yīng)力值和應(yīng)變值的降幅要遠(yuǎn)大于荷載投影面以外的降幅。同時(shí)由圖9可以看出，地表荷載導(dǎo)致的管道Mises 應(yīng)力在間距為2倍荷載長(zhǎng)度(A1，B1)時(shí)幾乎為0，故在本文中，地表荷載影響長(zhǎng)度可以取為荷載長(zhǎng)度的2倍，堆載體-管道間距超出這一數(shù)值，可認(rèn)為地表荷載對(duì)埋地管道無顯著影響。

圖11為堆載體偏離管道中軸線不同程度時(shí)，管道軸向位移分布圖，從圖11可知，當(dāng)荷載距離管線軸線位置增加時(shí)，管道位移降幅明顯。當(dāng)間距為2倍荷載長(zhǎng)度，即20 m時(shí)，管道的最大位移幾乎為0，這是因?yàn)榈孛婧奢d下方產(chǎn)生一個(gè)沉陷區(qū)，該沉陷區(qū)存在豎向和水平方向的位移，荷載位置移動(dòng)相當(dāng)于該沉陷區(qū)在移動(dòng)，隨荷載與管道距離增大，管道遠(yuǎn)離沉陷區(qū)，管道豎向和水平向位移均減小。

4 結(jié)論

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立了地表堆載工況下的埋地管道的土體-管道相互作用三維模型，通過數(shù)值模擬，研究了堆載重量、管道埋深、堆載體-管道間距對(duì)管道力學(xué)狀態(tài)和變形特征的影響規(guī)律。1)管道應(yīng)力值和變形程度會(huì)隨著外部荷載重量的增加而迅速增大，而且位于載荷投影面以內(nèi)的Mises應(yīng)力值、應(yīng)變值和位移的增幅要遠(yuǎn)大于荷載投影面以外的增幅。2)管道水平方向應(yīng)力、應(yīng)變、位移的峰值隨管道埋深增大而減小，但此時(shí)未考慮上覆土體、孔隙水壓力等對(duì)管道的作用，不能直接認(rèn)為管道埋深越深，管道越安全。3)管道應(yīng)力、應(yīng)變、位移隨堆載體與管道之間距離的增大而減小。當(dāng)堆載體與管道間距離超過20 m時(shí)，地表堆載幾乎不對(duì)管道產(chǎn)生影響。本文針對(duì)地表堆載工況下的埋地管道的土體-管道相互作用的研究可以為埋地管道的建設(shè)與防護(hù)提供一定參考。