泡沫輕質混凝土回填油氣管道沖擊試驗模型研究

成文虎， 趙 江， 袁 萍, 王武斌

(1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司， 河北石家莊 050000；2. 四川科宏石油天然氣工程有限公司， 四川成都 610213;3. 西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031;4. 陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室, 四川成都 610031)

伴隨著我國四大油氣管道的大規模建設，沿途管道長距離的施工過程中，有效減少管道在碎石沖擊下的磨損破壞是亟需解決的工程問題[1]。同時在施工現場往往缺乏合適回填土壤，若長距離運輸土壤，會導致施工成本和施工難度大大增加[2]。泡沫輕質混凝土因其輕強度可控(0.5～15 MPa)、自立性強、抗震性良好、施工便捷、環保經濟，廣泛應用于公路、鐵路的施工填筑材料[3]。但泡沫輕質混凝土應用于管道回填的案例較少，缺乏理論指導。

本文基于模型試驗，驗證輕質混凝土回填料對管道保護的性能，從而為泡沫輕質混凝土應用于油氣管道回填提供理論支撐。

1 室內模型試驗

1.1 試驗模型建立

本試驗模擬石塊自由下落，垂直作用于管道的過程。其中管道直徑150 mm，長度500 mm,壁厚7.5 mm；石塊尺寸50 mm×250 mm×250 mm，質量39.5 kg，自由下落高度1.8 m，試驗裝置如圖1 所示。

圖1 可移動門式沖擊試驗

1.2 應變片布置

試驗中通過貼于管道表面的電阻應變計，來反映管道受力情況，分別于管道頂部、管道底部以及管道兩側貼片，同時將管道分為三個斷面，每個斷面4個測點進行測試，應變片布置如圖2所示。

圖2 管道內應變片粘貼(單位：mm)

1.3 試驗加載方案

試驗采用TST動態采集儀測試每次沖擊下的管道的動力響應情況。待試驗設備調試完成后，用尼龍繩通過起吊裝置將重物提升并固定于1.8 m高度處。隨后用剪刀將繩剪斷，使重物自由下落，垂直作用于管道保護層的正中央，數據采集結束，并記錄保護層受沖擊荷載后的下陷深度。重復上述過程，直至保護層破壞。

2 回填輕質混凝土基本性能

本試驗采用水膠比(水泥與膠凝材料的質量比)分別為0.4、0.6、0.8的水泥漿，添加泡沫進行攪拌至澆筑密度為400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3的泡沫輕質混凝土，對包裹不同濕密度的輕質混凝土管道進行室內模型對比沖擊試驗，研究不同密度條件下輕質混凝土的相關性能[4](表1)。

表1 輕質混凝土基準配合比 kg/m3

為了解三類不同濕密度下輕質混凝土的力學性能，采用WDW系列微機控制電子萬能試驗機對試樣開展單軸壓縮和彎折試驗。抗壓試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，通過壓縮曲線獲得的無側限抗壓強度和彈性模量兩參數。采用三點彎折法得到泡沫輕質混凝土的抗折強度，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm[5]。三類泡沫輕質混凝土基本力學性能如表2所示。

表2 泡沫輕質混凝土力學性能 MPa

3 結果分析

3.1 不同濕密度下加載后下陷深度

通過比較輕質混凝土不同濕密度400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3下的沖擊試驗，分析各管道保護層的下陷深度的變化規律，測試所得結果如圖3所示。

圖3 不同濕密度輕質混凝土保護層下陷深度

由圖3可知，6次沖擊后，同一種密度下，下陷深度隨加載次數線性增長，每次平均增長大約0.694 cm、0.923 cm、0.385 cm，另一方面400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm，可見400 kg/m3和600 kg/m3兩種濕密度下，總沉降量大致相等，而800 kg/m3密度下，由于抗壓強度、抗折強度以及彈性模量相較于前兩者變化較大，材料的抗沖擊性能提高。

3.2 管道有效應力

比較三種濕密度下，6次沖擊作用下，管道頂部、左右側、底部的應力變化。同時經試驗后發現，1#和3#斷面的由于對稱，結果相差較少，這里僅列舉出1#和2#斷面的結果(圖4、圖5)。

(a)管頂

(b)管底

(c)管左

(d)管右圖4 1#有效應力

由圖4可知，在1#處，對于同一濕密度試件管道最大應力隨沖擊次數的增加而增加，而另一方面高密度800 kg/m3的輕質混凝土回填管道，管道頂部、左右側處的管道所受的應力最大，同時隨著沖擊次數的增加，管道所受的應力增長率也最大，輕質混凝土回填層表面受到沖擊作用后，應力波四周傳遞，導致輕質混凝土內部氣泡破裂，輕質混凝土受擠壓愈密實，而高密度下，輕質混凝土內部氣泡含量少，泡沫破裂性能效果較差。

(a)管頂

(b)管底

(c)管左

(d)管右圖5 2#有效應力

由圖5可知，在2#處，同一密度下試件管道最大應力隨沖擊次數的增加而增加，最大密度處的因耗能較少，管道所受應力最大。管底受力由于應力波經過輕質土和管道內部傳遞，過程較復雜，規律不顯著，但由于最大應力為5.2 MPa不是管道的破壞受力最大位置，可以不作考慮。

結合圖4、圖5可知，2#各處管道應力均大于1#處的應力，2#處管頂應力最大，是管道受力的控制位置，三組密度下，產生的最大應力分別為-4.8 MPa、-5.8 MPa、-7.6 MPa。

管頂是主要受力部位，管頂上部的輕質混凝土保護層的厚度決定著管頂受力的大小。不同輕質混凝土保護層密度，通過多次加載后，管道應力增長趨勢來反映變化規律，各濕密度下的管頂應力如表3所示。

經線性回歸方程通過最小二乘法求出，得到y=ax+b的直線。其經驗擬合方程如下：

表3 管頂應力 MPa

擬合方程見表4。

表4 擬合方程參數

擬合方程中的參數a即為在沖擊過程中應力增長斜率，隨著輕質混凝土的濕密度的增大，沖擊過程中應力增長斜率也在增大，說明在多次沖擊荷載下，輕質混凝土濕密度越大其多次沖擊和在作用下應力增長的幅度就越大。

3.3 管道沖擊作用時間

受沖擊荷載作用后，管道在不同密度輕質混凝土包裹下產生的動響應的時間也不同，測試結果如圖6所示。

圖6 沖擊響應時間

由圖6可知，同一密度下因不斷的沖擊壓實，導致輕質混凝土彈性模量增大，沖擊時間減小。但不同密度下，各密度平均響應時間為0.02537 s、0.01754 s、0.0147 s，因吸能特性不同，導致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。

4 結論

本文通過室內模型試驗，研究了回填不同密度輕質混凝土的受沖擊作用下，輕質混凝土表面下陷深度、管道應力以及沖擊時間的變化規律。得到如下結論：

(1)隨著輕質混凝土密度的增加，下陷深度隨之較小，400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm；

(2)2#斷面的管頂處所受應力最大，各密度輕質混凝土 下分別為-4.8MPa、-5.8MPa、-7.6MPa，但管道均未發生破壞；

(3)隨著沖擊次數的增加，管頂應力增長率隨輕質混凝土密度的增加而增長，各密度下應力隨著沖擊次數的增長斜率分別為-0.376、-0.507、-0.679，6次沖擊后，2#截面的最大有效應力增大了1.86 MPa、2.79 MPa、3.24 MPa；

(4)但不同密度輕質混凝土下，因為吸能特性不同，導致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。