考慮土結相互作用的逆斷層作用下埋地管道性能離心機試驗①

考慮土結相互作用的逆斷層作用下埋地管道性能離心機試驗①

E-mail：tangap@hit.edu.cn。

湯愛平1,2,3， 王連發1,3， 武百超1，4， 麥克·諾金5

(1.結構工程災變與控制教育部重點實驗室 哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150090；

2.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090； 3.黑龍江大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；

4.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080； 5.倫斯勒理工大學土木工程系，美國 特洛伊 12180)

摘要：埋地管道地震作用下的破壞因素源于地震引起的永久地面變形(PGD)，其中管道-土體間相互作用決定土體位移作用到管體的大小。利用離心機試驗技術模擬埋地管道在逆斷層大位移下的反應特性，重點討論斷層與管道的交角、斷層位移大小、管土相互作用、管徑和埋深五個參數對管道破壞的影響水平。實驗結果表明：上述參數對管道斷層作用的反應均有明顯影響，其中斷層的位移量、管土相互作用、埋深和管徑的影響更為顯著。本文的研究結果對于管道經過斷層區的抗震設計有十分重要的意義。

關鍵詞：離心模型試驗； 管土相互作用； 埋地管道； 抗震設計； 逆斷層

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：黑龍江大學高層次人才支持計劃(HDTD2010-13)；科技部國家十一五支撐計劃(2006BAJ03B03-02)

作者簡介：湯愛平(1968-)，男，教授、博士生導師，主要從事生命線地震工程、土動力和工程地質等方面的教學和科研。

中圖分類號:TU43文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0639

Centrifuge Model Test on a Buried Pipeline Crossing

Reverse Fault Considering Soil-structure Interactions

TANG Ai-ping1, 2,3, WANG Lian-fa1,3, WU Bai-chao1, 4, M. J. O’Rourke5

(1.KeyLaboratoryofStructuresDynamicBehaviorandControl(HarbinInstituteofTechnology,

MinistryofEducation,Harbin150090,Heilongjiang，China;

2.SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080,Heilongjiang，China;

3.SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,Heilongjiang,China;

4.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,Heilongjiang,China;

5.DepartmentofCivilEngineering,RensselaerPolytechnicInstitute,Troy,NY12180,USA)

Abstract：Buried pipeline systems are usually referred to as lifeline systems due to their support of human daily life and economic development, energy-transportation and water-transmission. The primary hazard for buried pipelines during earthquake events is permanent ground deformation (PGD). However, an important factor to control the response of the buried pipeline to PGD is the interaction between the soil and the pipeline. In this study, a centrifuge model test was conducted to investigate the effect of PGD on a pipeline. The normal pressure of the interface between pipeline and soil was measured using the smart tactile pressure sensor system, and other important parameters such as PGD, strain rate, pipeline diameter, the orientation of the pipeline and soil types were also tested to determine the influence on soil-pipeline interactions. All of the PGD, pipeline-PGD orientations, pipeline diameters, and soil types were key factors affecting the interaction between soil and pipeline. The results of this research could be used in the aseismic design of pipelines passing through the PGD.

Key words： centrifuge model test; soil-pipeline interaction; buried pipeline; aseismic design; reverse fault

0引言

地震中的永久地面變形(permanent ground deformation,PGD)是埋地管道遭受破壞的最主要因素之一，這些PGD一般是由斷層作用、砂土液化、振陷、邊坡失穩、地裂縫等因素引起。根據歷年來的地震管道系統的震害調查結果，發生了PGD地區的管道破壞概率為98%以上，多為管身的撕裂、屈曲，接頭的壓潰和拉裂等。舊金山地震(1906年)和圣費爾南多地震(1971年)中，大量埋地管道遭受直接破壞的根本原因是圣安德烈斯斷層系統活動和土體邊坡失穩[1]。1976年唐山地震中，供水管道系統的高破壞率也集中在斷層活動帶兩側和地面的大位移區域[2]。臺灣集集地震(1999年)中的大量管道破壞歸因于車籠埔斷裂的大位移及其次級斷裂帶[3]。1999年土耳其伊茲米特地震中，一條2.2 m直徑的鋼管在安納托利亞斷層3 m的位移作用下直接破壞[4]。我國昆侖山地震(2001年)中，輸氣、輸油鋼管由于斷層的大位移發生了撕裂和壓扁破壞[5]。汶川地震(2008年)中斜坡區的失穩和崩塌導致了跨龍門山斷層帶上的供水管、油氣管也多處遭到拉、壓和剪切破壞。PGD作用下管道破壞的基本特征為管身壓扁、撕裂、拉開、大尺度的彎曲，管道接頭壓潰、拉開、扭轉撕裂等，并常常呈現出張拉-彎曲、壓縮-彎曲、扭轉等受力狀態。由于PGD對埋地管道的巨大危險性，其破損機制為科學研究和工程實踐所重視。綜合地震震害調查、現代大型實驗和數值模擬等技術的研究手段是當今埋地管道PGD作用下破壞機理研究的發展趨勢。針對埋地管道在PGD作用下，尤其是在地震斷層作用下的破壞，一些學者提出了相應的分析模型，如國際上通用的紐馬克-豪爾模型(Newmark-Hall)、肯尼迪(Kennedy) 模型、王汝墚-葉何(Leon-Ru.L.Wang-Yeh)、麥克·諾金(O’Rourke)、高田至郎(S.Takada)模型、卡里米丘斯( D.K.Karamitros)模型等；我國學者也針對不同的PGD類型提出了一些先進的模型，如侯忠良-甘文水模型、梁建文殼模型、馮啟民的梁-殼模型等。一些大型的足試驗模擬也在近10年得以發展，如康奈爾大學-倫斯勒大學大型剪切足尺試驗、麥克·諾金等指導的倫斯勒大學離心機試驗、馮啟民指導的中國地震局工程力學所埋地管道斷層破壞試驗、李鴻晶指導的南京理工大學埋地管道試驗、李杰指導的同濟大學埋地管道非一致激勵和斷層作用反應機制、杜修力指導的北京工業大學埋地管道非一致激勵多臺振動臺試驗等。本文在上述研究成果的基礎上，選取逆斷層作用下管道的動力反應為研究對象，利用離心機試驗模擬埋地管道的反應機制，重點揭示逆斷層作用下埋地管道的反應規律，考慮土結相互作用，研究土體變形轉移到管道系統上去的傳遞機制和計算方法，以期為埋地管道系統經過斷層區的合理抗震設計提供理論和實踐指導。

1埋地管道離心機試驗模型

本試驗工作是在倫斯勒理工大學150 g-t的離心機實驗室中進行的。該離心機的旋轉中心至工作吊籃平臺的平臺直徑為3 m，有效旋轉半徑為2.7 m；吊籃有效容積為1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大載重1.5 t,最大加速度160 g(圖1)。離心機配備有一個光纖旋轉接頭、水力旋轉接頭，28個滑動環和一個無線網絡來進行獲取數據。模擬逆斷層的模型箱采用PVL技術公司(PVL Technologies Inc.)生產的雙盒剪切箱(圖1)，尺寸為1 140 mm×760 mm×200 mm，空重約222 kg。該剪切箱主要用于埋地管道系統地震作用下的反應規律方面的研究，可以模擬斷層的水平和垂直運動，最大水平位移為±40 mm，最大垂直方向位移為40 mm。剪切箱的位移控制系統由PVL公司開發。離心機試驗的模型相似率如表1所列。

圖1　離心機和試驗箱 Fig.1　Centrifuge model and test chamber

參數單位相似率參數單位相似率加速度m/s2n力kg·m/s21/n2長度m1/n彎矩kg·m2/s21/n3面積m21/n2時間(動力作用)s1/n體積m31/n3時間(固結與擴散)s1/n2應力kg/(m·s2)1時間(滲透)s1應變-1孔隙流體速度m/sn質量kg1/n3速度(動力)m/s1密度kg/m31頻率1/sn

為與康奈爾大學的大型管道原位試驗結果對比，本次試驗模擬直徑為407.5 mm(外徑)、壁厚為24.0 mm的高密度聚乙烯連續管道(HDPE)在大角度逆沖斷層作用下的反應。參考Da.H[5]的離心機實驗結果，本次實驗也采用12.2g的離心加速度。土層分層壓實，厚度為200 mm, 管道埋深為92 mm。試驗開始前，進行剪切箱的動力性能測試。管道的變形采用應變傳感器，分別粘貼在管道的上方、下方和中線的兩個側邊。用智能型觸覺壓力傳感系統測量土管道間的相互作用力，傳感器包裹整個管道。應變傳感器的數據采集系統采用由Bloomy公司開發的PXI系統。接觸壓力網片傳感器的數據采集應用I-Scan軟件系統。逆斷層的位移率為0.32～60 m/min，最大位移為98 mm, 模擬實際的斷層位移1.2 m。逆沖斷層面傾角分別為63.5°和85°。

2試驗方案

2.1管道和土的特性

試驗采用的埋地管道為直徑33.4 mm(外徑)、壁厚1.96 mm的高密度聚乙烯連續管道(HDPE)。已有試驗表明，管道的應力-應變關系與應變的速率有密切關系，因此在離心機試驗前，利用剪切箱進行了管道非軸向的張拉試驗，以確定無土體作用下管道在不同應變速率作用下的應力-應變關系(圖2)。

圖2　 不同應變速率下管道的應力應變關系 Fig.2　Stress-strain relation of pipeline at different strain rate

從圖2可以看出，應變速率對管道的應力-應變關系影響非常顯著。

填土采用平均粒徑為0.29 mm的中砂，干重度為14.7 kN/m3，內摩擦角為40°,分別采用含水量為0和4%的砂樣，不均勻系數為1.55，曲率系數1.0。由于砂的含水量對管土間的相互作用有較大影響，因此本試驗中采用了含水量為0%和4%的兩種土樣。

3試驗結果與分析

試驗主要研究逆斷層作用下離斷層面不同位置處的管道軸向應變、應力分布規律，考慮管-土相互作用下管道應力的變化特性和不同斷層位移作用下管道的變形特征。實驗的結果表明：

(1) 在斷層面上有明顯的管道應變幅值，且隨管道離斷層面距離的增大而迅速減小，但在斷層的上盤大概1.5 m處應變有一個突變，達到了4.5%。斷層位移愈大，管道的應變愈大。管道應變隨離斷層面距離的變化規律相似(圖3(a))。

(2) 管道彎曲應變在斷層傾角為85°時，以斷層面為對稱軸，管道在斷層兩側的應變呈近似的對稱(圖3(b))，但在斷層傾角為30°時上盤的應變明顯大于下盤。

圖3　管道逆斷層作用下的離心機實驗結果 Fig.3　Results of buried pipeline under reserve fault 　　　 based on centrifuge test

(3) 在模擬實際的1.2 m斷層位移作用下，管道出現壓扁現象，這與實際觀察到的均于管道破壞現象很相似。在0.4～1.2 m的斷層位移作用下，在離斷層面兩側1.7～1.9 m范圍內管道有明顯的起拱、脫離土體束縛現象，這與斷層為正斷層、走滑斷層對管道的作用有明顯不同。

(4) 管土相互作用的大小與斷層的位移大小、施加斷層位移的速率大小有明顯相關性。斷層位移速率加快一倍，則管土相互作用力增加9%。在離開斷層面1.5～7 m區域，大斷層位移速率作用下的管土相互作用力明顯大于低速率斷層位移的作用。斷層位移愈大，管土間相互作用效應愈明顯(圖3(c))。表明數值分析時，斷層作用下在斷層面附近(至少±7 m)應該考慮管土相互作用效應。

4結論與建議

本文通過開展離心模型試驗，初步探討利用離心機實驗模擬逆斷層作用下埋地管道的反應規律，取得初步的認識。將大量管道實際震害和實驗結果相比較，結果表明離心機實驗在一定程度上可以合理模擬管道在逆斷層作用下的破壞機制。通過與康奈爾大學的原位實驗相比較，兩者的實驗現象大致相似[5]，但也出現了一些差異，比如在斷層面上管道的應變普遍偏小約1%～2%，離開斷層面一定位置上管道的應變反而偏大，具體的原因還需要進一步的分析。

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