爆破地震荷載作用下承插式HDPE 管道動力失效機制*

張玉琦，蔣 楠,，周傳波，姚穎康，李海波，蔡忠偉，胡宗耀

（1. 中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2. 江漢大學爆破工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430056；3. 中國科學院巖土力學研究所，湖北 武漢 430071；4. 中國水利電力對外有限公司，北京 100120）

高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）管道具有良好的耐腐蝕性和耐沖擊性，已經成為城市地下排水系統重要的組成部分。受場地及管長限制，在施工安裝時，多采用橡膠圈密封承插的方式進行管段連接。在管道運營過程中，容易受到外界荷載作用導致接頭失效，出現滲流和排氣現象，進而可能會導致管道周圍的腐蝕[1-2]、周圍路面塌陷、交通堵塞、地上結構損壞、地下水污染等不良后果。隨著城區基礎建設的發展，爆破施工在城市堅硬基巖地層中被廣泛應用，施工產生的爆破荷載是影響管道安全的主要原因之一。為此，探究爆破振動荷載對承插式HDPE 管道的安全控制標準具有重要意義與工程價值。

目前，針對爆破地震波作用下埋地管道的動力響應規律，學者們已開展了大量研究[3-7]，Jiang 等[8-9]利用現場監測與數值模擬軟件LS-DYNA 分別研究了下穿隧道爆破與基坑開挖爆破作用下燃氣管道的動力響應。Wu 等[10]利用數值模擬軟件分析了不同條件的管道受地面爆炸荷載作用下的管道安全狀態。王海濤等[11]利用模型試驗研究了隧道鉆爆法施工過程中鄰近管道的動力響應特性。Zhang 等[12]建立了含內壓埋地燃氣管道的數值計算模型，研究發現管道內壓對管道抗爆性的提高存在積極的影響。在承插式柔性管道研究方面，Balkaya 等[13]利用有限元軟件分析了非均勻荷載作用下具有不連續墊層的承插式聚氯乙烯管道的穩定性特點；Chaallal 等[14]通過現場試驗研究了不同埋深條件下淺埋柔性承插管道在地表車輛荷載作用下管周土壓力與管道橫截面變形的特點。由此可以發現，針對管道抗震的研究多集中在管材為鑄鐵或鋼鐵的高壓燃氣管道，對HDPE 排水管道的研究較少；且針對承插式柔性管道的研究多集中于受正上方荷載的影響，而爆破振動荷載方面鮮有涉及。因此，研究帶有接頭的埋地柔性管道的爆破動力響應與安全控制標準具有重要意義。

本文中，以HDPE 排水管道系統為工程依托，開展足尺度直埋單段管道現場試驗；建立1∶1 數值計算模型，分析承插式HDPE 管道在爆破應力波作用下的響應規律；結合管道接口轉角控制標準，評判管道安全特性，提出承插式管道安全控制振速。

1 直埋單段HDPE 波紋管全尺寸現場試驗方案

選取武漢爆破公司的爆炸試驗場地，如圖1 所示。根據勘察資料與相關文獻[15-17]，試驗場覆土層選為粉質黏土。管道尺寸如圖1 所示。管道物理力學參數如表1 所示，管道埋深2 m，開挖溝槽長6 m，寬1 m，深3 m；炮孔直徑90 mm；炸藥采用2#巖石乳化炸藥。

表1 預埋管道力學參數Table 1 Mechanical parameters of buried pipeline

圖1 試驗背景與管道尺寸Fig. 1 Test background and pipe dimensions

根據試驗設計方案，為研究直埋單段HDPE 波紋管爆破振動響應的動態規律，選用TC-4850 測振儀采集振動速度，粘貼應變片來測量管道動應變。其測試點布置如圖2 所示，管口與A、B 斷面之間距離為2 m，S1～S6 為應變測點，D1～D7 為振速測點。其中A 斷面與炸藥在同一平面，并與管道垂直。

圖2 動應變測點與振動速度測點Fig. 2 Dynamic strain and vibration velocity measuring points

將預先選定的試驗場地進行平整作業，開挖寬約1 m、深約3 m 的溝槽，并在管道下方鋪設厚度為100 mm 的均勻粉質黏土底座。HDPE 波紋管回填土為場地開挖選取級配良好的粉質黏土。將粉質黏土分層回填，使用小型夯錘壓實每層回填土，并通過動態圓錐貫入儀（dynamic cone penetrometer, DCP）測試壓實度，所有壓實度均高于95%，滿足標準GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》[18]的要求。根據試驗方案中各工況的炮孔設計，工況詳細參數如圖3 所示。圖3 中，數字1～9 表示工況序號，工況1～工況4 的炸藥量為6.5 kg，工況5～工況9 的炸藥量為4.0 kg。利用鉆機打孔后，按照炮孔布置方案進行裝藥，并連接起爆裝置。將測試接收儀器與傳感器連接，調整儀器。準備就緒后，按工況起爆并進行數據采集。現場試驗管道動應變與振動速度結果可參照文獻[19]。

圖3 現場試驗工況參數及炮孔布置Fig. 3 Field test condition parameters and layout of blastholes

2 承插式HDPE 波紋管數值模擬及可靠性驗證

2.1 數值建模

選定工況8 為基礎研究對象，參數如圖3 所示，利用LS-DYNA 軟件建立數值模型。為驗證數值模擬的可靠性，首先建立與工況8 參數相同的模型，模擬爆破振動荷載下直埋單節管道的動力響應特性，再以此為基礎建立承插式管道模型。建立的整體模型如圖4 所示。模型長15 m、寬6 m、高10 m，管道和炮孔大小與現場一致，裝藥形式為耦合裝藥，炸藥網格與周圍巖土體采用共節點的形式，周圍巖土體采用自適應網格劃分，炮孔位置見圖4。為控制網格尺寸對模型的影響，網格尺寸控制在10～15 cm，波紋管模型不足10 cm 的部分設置為一個網格單元。含承插口管道模型兩節管道管身各長3 m，根據GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》[18]，橡膠位置位于管道口第3 個管節處，承插口處具體建模形狀如圖4 所示，其中管道承插口鐘形罩長度為30 cm，壁厚與管身壁厚一致，為1 cm。承插管道建模方法與無承插口管道模型一致，網格尺寸與材料模型取值一致。管道與粉質黏土、承插口管道與橡膠圈之間設置為面面接觸。模型中覆土為粉質黏土，基巖為強風化粉質砂巖。為模擬爆破應力波傳播規律，消除邊界效應影響，上表面設置為自由面，其余設置為無反射邊界。

圖4 整體模型及網格劃分Fig. 4 Overall model and grid division

2.2 模型參數

模型中有粉質砂巖、粉質黏土、HDPE、橡膠、炮泥、乳化炸藥6 種材料，基于材料本身的力學特性，根據LS-DYNA 材料庫所提供的相關材料模型，選取合適的材料模型進行參數設置。

巖土部分、粉質黏土的材料模型選用DRUCKER_PRAGER[20-21]。巖體和炮泥采用PLASTIC_KINEMATIC 材料模型[20-21]。HDPE 材料是一種黏彈性材料，可以采用PLASTICITY_POLYMER[21]材料模型，該模型可以模擬高聚物在高應變率下的動力響應問題。在HDPE 管道承插口處橡膠圈的材料采用MOONEY_ RIVLIN_RUBBER 模型[21]。材料參數見表2。

表2 管道、橡膠、粉質黏土與砂巖材料模型參數Table 2 Parameters of pipeline, rubber, silty clay and sandstone material models

模型中的炸藥材料采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN，添加JWL 狀態方程關鍵字，進行炸藥爆壓與相對體積的模擬：

式中：p為爆炸產物壓力，V為爆炸產物相對體積，R1、R2、ω、A、B為炸藥材料參數，E0為初始比內能。炸藥爆轟產物相關參數如表3 所示，表中：ρ 為密度。

表3 炸藥參數Table 3 Parameters of the explosive

2.3 數值模型及參數可靠性驗證

為驗證數值模擬的可靠性，選擇3 個方向矢量合成振動速度的數據進行對比。模型上質點的選取對應現場試驗的監測點，模擬結果與實測數據峰值合振速的波形如圖5 所示，δVR為峰值合振速誤差。由圖5 可知，二者峰值合振速誤差小于5%，證明模擬結果可靠。

圖5 數值模擬與現場試驗峰值合振速的對比Fig. 5 Comparison of peak resultant vibration velocities between numerical simulation and field test

3 承插式HDPE 管道動力特性分析

為模擬承插式HDPE 管道的動力響應特性，將建立的無承插口管道與有承插口管道進行對比，以此來分析含承插口管道的動力響應規律。

3.1 管道振動速度

為研究有無承插口管道軸向合振動速度的差異，在管道迎爆側，沿著管道軸線方向從管道一端至另一端均勻選取19 個監測點位，峰值合振速的統計結果如圖6 所示。由圖6 可知，管道與爆源相距最近的截面和管道模型中心對稱面上的振動速度最大，并沿軸線向兩端衰減，且兩端衰減程度基本相同，符合爆破地震波傳播規律。此外還可以發現，沿管道軸線方向，有承插口管道的合振速均大于無承插口管道，且在承插口處的合振速比同樣位置上無承插口管道的合振速更大；而沿軸線方向遠離承插口位置處，兩種管道的合振速差值小于無承插口處，說明承插口的存在對沿管道軸線方向的合振速存在影響；承插口處管道的合振速最大為22.05 cm/s，無承插口管道在相同位置處的合振速為17.75 cm/s，該點位的合振速在管道19 個軸向測點中是最大的。

圖6 沿管道軸線峰值合振速Fig. 6 Peak resultant vibration velocities along the pipeline axis

由于承插口處含有橡膠密封圈，為研究兩種管道振速最大位置所處截面的振速關系，將含承插口管道橡膠密封圈、密封圈外側管壁以及無承插口管道相同位置處的的峰值合振速進行統計，結果如圖7 所示。由圖7 可知，在管道迎爆側，即圖7 中45°附近，峰值合振速均達到最大，并向背爆側傳遞時衰減。其中合振速最大的為承插口管道插口處的管壁，無承插口管道合振速次之，最小的為承插口管道的橡膠密封圈。考慮原因為：橡膠作為高彈性聚合物材料且變形可逆，在受爆破地震荷載引起的應力作用時，由于其吸能效果良好，橡膠將沖擊產生的能量轉換為形變進行能量的儲存，并產生較大的變形，降低了振動速度幅值。

圖7 同一截面管道峰值合振速Fig. 7 Comparison of peak resultant vibration velocities at the same section of different pipelines

3.2 管道有效應力

同樣地，取管道橡膠密封圈處的橡膠圈與周圍管壁為研究對象，對比有無承插口管道之間的有效應力。截面各點處的有效應力統計結果如圖8 所示。由圖8 可以看出，有承插口管道的有效應力大于無承插口管道的有效應力，且由于橡膠材料的特殊性，橡膠密封圈的有效應力大于管壁的有效應力。此外還可以發現，有效應力最大的地方基本位于管道迎爆側，即45°附近，有承插口管壁、無承插口管道和橡膠密封圈處的最大有效應力分別為0.803、0.630 和2.480 MPa。

圖8 同一截面管道峰值有效應力Fig. 8 Comparison of peak effective stresses at the same section of different pipelines

3.3 管道合位移

將接口處截面合位移逐點統計，并與同樣位置處無承插口管道截面合位移數據進行對比，結果如圖9 所示。由圖9 可知，有承插口管道的合位移大于無承插口管道；與振動速度和有效應力峰值出現位置不同的是，最大合位移位于管道背爆側225°附近，達到0.937 cm。

圖9 同一截面管道峰值合位移Fig. 9 Comparison of peak resultant displacements at the same section of different pipelines

參照振動速度沿軸線取點，統計沿管道軸線背爆側225°各點合位移值，并與無承插口管道合位移結果進行對比，結果如圖10 所示。可以發現，無承插口管道沿軸線方向的合位移小于有承插口管道，此外，管道與爆源相距最近的截面及管道模型中心對稱面上合位移最大，并沿軸線向兩端衰減，且兩端衰減程度基本相同，符合爆破地震波傳播規律。

圖10 沿管道軸線峰值合位移Fig. 10 Peak resultant displacement along the pipeline axis

由于現行的標準GB 50032—2003《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》[22]對承插式HDPE 管道的安全控制標準為接口處的位移，一般規定由彈性材料（本文中采用橡膠密封圈）進行密封的承插口相對位移不得大于1 cm。因此，為防止承插管道接口處承口管道與插口管道產生較大的相對位移，將承插口處管道在同一時刻、同一方向產生的最大相對位移進行統計，結果如圖11 所示。由圖11 可以看出，承插口觀測點E處相對位移最小，為0.47 cm，F處為0.66 cm，G處最大為0.86 cm。承插口觀測點位置見圖4，其中E點位于承插口外側，F點位于橡膠上方，G點位于里側，EG兩點之間的距離為24 cm，F位于中點。

圖11 承插管道相對位移Fig. 11 Relative displacement of socket pipeline

4 承插式HDPE 管道動力特性安全評估

對于承插式管道來說，管道多由于承插口處橡膠圈老化或接口受外力作用造成接口脫出，內容物泄露導致管道失效。由于目前承插口處橡膠出現老化問題的管道多鋪設于20 世紀80 年代左右，而HDPE管道多在2000 年之后開始大量鋪設，因此本文中不考慮橡膠圈老化現象。此外，由于HDPE 材料耐沖擊，有較好的抗變形能力，參考規程[23]可知，該種管道允許最大變形為5%。與其他材質管道相比，該類型管道容許應變更大，但其材料強度較低。因此，用應變來判斷管道是否安全是不合理的。

有關承插式管道的安全性評估多基于管道承插接口相對于管身的旋轉角的大小，諸多學者利用多種方式來研究承插口的旋轉角度[24]，本文中采用圖12 所示的方式計算旋轉角[25]：

圖12 管道旋轉角度示意圖Fig. 12 Diagram of the rotation angle of the pipeline

式中：θ 為旋轉角度，Δh為插口管道接口與尾部的相對位移，L0為單段管道長度。

根據相似三角形定理，旋轉角的正弦值同樣等于管道承口段與插口段相對位移與承口鐘形罩的長度比，則式(2)可以表示為：

式中：Δd為接口處承口插口的相對位移，Lb為承口鐘形罩長度。

根據標準GB 50032—2003《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》[22]，地下直埋承插式圓形管道的結構應滿足規范要求，其中以橡膠材料為接頭的PE 管道單個接頭的設計允許位移量為10 mm。查閱相關規范及商家關于管道產品的說明書，管道允許旋轉角度最大為2°。據此，由前文可知，承口鐘形罩長度Lb=30 cm，根據式(3)可以求得容許相對位移[Δd]=1.05 cm。

根據標準GB 6722—2014《爆破安全規程》[26]，地下構筑物，如水工隧洞、交通隧道、礦山巷道等的最大安全振速為25 cm/s。但規程中并沒有提出HDPE 排水管道的安全振動速度。根據前文研究結果，相對于同等工況下的無承插口管道，承插口管道的動力響應程度更大。因此需要找到合適的承插管道安全判據，防止其在施工過程中被破壞。

計算需進行如下假設：相對位移計算應為2 節管道在同一時刻、同一方向上產生的位移差峰值，由圖11 可以看出，管道插口處的位移遠大于承口處位移，且承口處位移在承插口各位置處變化不大，插口合位移與該方向的相對位移相差不大，因此以合位移計算管道振速的安全判據是合理的。

由圖6 和10 可以看出，管道振動速度與位移沿軸線響應規律相似，因而可以通過曲線擬合找到振動速度與位移的相關關系。但由于承插管道中接口的存在，變量不一致，因此用無承插口管道沿軸線的振速位移數據進行擬合，擬合結果如圖13(a)所示，擬合得到：

式中：Dn為無承插口管道合位移，cm；vn為承插口管道峰值合振速，cm/s。

根據圖13(b)，可以得到在管道同一監測截面處無承插口管道與有承插口管道的位移曲線相關關系：

式中：Ds為有承插口管道合位移，cm。

同理，根據圖13(c)，可以得到同一截面處無承插口管道振動速度的相關關系：

圖13 數據擬合Fig. 13 Data fitting

式中：vn為承插口管道峰值合振速，cm/s。聯合式(4)～(6)，可得：

前文已經得到管道的容許相對位移為1.05 cm，根據式(4)～(6)，求得爆破振動作用下含有柔性接口承插式HDPE 排水管控制振動速度為24.77 cm/s。其中推導邏輯關系如圖14 所示。

圖14 推導公式邏輯關系Fig. 14 Logical relation of formula deduction

5 結 論

通過單段直埋足尺度現場試驗開展了高密度聚乙烯波紋管的動力特性研究，并通過數值模擬補充建立了承插式管道模型，分析了承插口動力學特性與管身的區別，得到以下主要結論。

(1) 管道中心對稱面上振動速度最大，并沿軸線向兩端衰減；兩種管道結構中合振速最大的為承插口管道的管壁，無承插口管道合振速次之，合振速最小的為承插口管道的橡膠密封圈。

(2) 在截面相同位置，承插口管壁、無承插口管道和橡膠密封圈處的最大有效應力分別為0.803、0.630 和2.480 MPa；有承插口管道的合位移大于無承插口管道；最大合位移位于管道背爆側225°附近，達0.937 cm；管道中心對稱面上合位移最大，并沿軸線向兩端衰減。

(3) 通過允許旋轉角度和管壁有效應力來判斷管道的安全性，可以得出管道是安全的，根據規范允許的旋轉角度，對管道合振速和合位移進行擬合分析，可以得到管道柔性承插口處的安全振動速度為24.77 cm/s，該結果可以為類似工程提供參考。