不同土体组合下地下管线抗震性能研究
2014-11-11黄舒鹏彭功勋魏立新等
黄舒鹏++彭功勋++魏立新等
摘 要：该文主要针对广州市特有的不同种类的不利地层组合，通过正交试验方法，对不同材质的管道在土体组合中的地震破坏情况进行数值分析和研究，得到其最不利的工况组合并对地下管线抗震性能进行评估，为实际工程的应用提供了参考。
关键词：正交试验 数值计算 土体组合 抗震性能 地下管线
中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2010）08（b）-0197-04
由于影响管线破坏的影响因素很多，沿管线方向不同的土体及土体长度对管道的破坏有很大影响，同时不同的管道材料以及不同的地震作用方向对管道的破坏也有不同的影响。如果采用全面试验组合，数值计算的模型数量很多，因此采用正交试验设计法，选取一定数量的有代表性的工况来进行分析，通过部分工况来得到全部工况中的普遍规律，找出最不利的组合。
该文选取广州地区特有的四种土体组合，分别为粉砂-残积土-粉砂、淤泥-残积土-淤泥、残积土-粉砂-残积土和残积土-淤泥-残积土，对每种土的组合单独考虑，每种组合中土体的长度分别取5 m、25 m和50 m；地震作用方向有三种情况，分别为轴向地震（沿管道方向，数值计算中为X方向）、侧向地震（垂直于管道且平行于地面方向，数值计算中为Y方向）和竖向地震（垂直于地面方向，数值计算中为Z方向）；管道材料有三种，分别为钢管、混凝土管、HDPE管，其中钢材采用Q235钢，混凝土采用C30混凝土。因此对每种土体的组合来说为三水平四因素试验[1]。
1 模型介绍
在数值计算中，土体采用摩尔-库伦模型，管道采用线弹性模型[2]。建模是采用单一土层，土体深度20 m，宽度50 m，管径取1200 mm，埋深4 m，位于土体中部。在静力计算过程中，采用土体底面和四周法向固定的边界条件[3]；动力计算过程中，土体底部采用静态边界条件，土体四周采用自由场边界条件。土体取局部阻尼为0.1571。地震波输入位置为模型底部[4]。土体模型和管道模型如图1、2所示。
由图1所示，不同的土层沿X方向布置，图中蓝色和绿色分别代表土一、土二两种不同的土体材料，土体长度根据不同的试验工况组合确定，最小为15 m，最大为150 m，沿Y方向土体宽度为50 m，沿Z方向土体深度为20 m，管道位于土体中央埋深4 m处。由图2所示，管道沿X方向布置，图中蓝色即表示管道模型，管道长度和土体的总长度一致，最小为15 m，最大为150 m，管道直径1200 mm。
数值计算中所采用的地震数据为EI Centro三向波，地震作用时间为6 s。图3为EI Centro三向波前6 s的加速度时程曲线。
根据广州地区的抗震设防等级对该地震波进行调幅处理，广州地区的抗震设防等级为7度（0.1 g），即将EI Centro三向波的加速度时程曲线的峰值均缩小至0.1 g，其余各点加速度值均按比例缩小，得到峰值均为0.1 g的三向加速度时程曲线。由于速度是加速度相对于时间的积分，将调幅之后的加速度时程曲线对时间积分得到速度时程曲线。
2 分析结果
采用极差分析法对最终结果进行处理，极差分析又称直观分析，是正交试验设计结果分析中直观的、常用的分析方法。极差分析法包括计算和判断两个步骤。其中为第j列因素第m水平所对应的试验指标和，为平均值。由大小可以判断第j列因素优水平。采用极差分析法分别对四组数据结果进行处理，可以得到各组土体组合中最不利组合，确定在何种工况下管道的泄漏风险最大[5]。
由于管道在地震作用下主要发生轴向的拉压以及垂直于截面的弯曲变形，这两种变形都主要产生轴向的拉压应力，因此试验结果选取管材的最大轴向拉应力为试验指标，同时，对于不同管材来讲，其抗拉能力不尽相同，因此要对不同工况下的最大轴向拉应力进行标准化，即除以该管材的抗拉强度，才能得到实际管材的变形或者是破坏程度。实验中钢材为Q235钢，取其屈服强度235 MPa，混凝土为C30，取其抗拉强度设计值1.43 MPa，HDPE材料取其抗拉强度25 MPa[6]。
2.1 第一组土体组合
2.1.1 试验工况
2.1.2 数值计算结果及分析
工况一中沿管道方向分别为粉砂5 m、残积土5 m和粉砂5 m，管道总长度为15 m，管道材料为Q235钢，地震作用方向为沿管道方向。工况二中沿管道方向分别为粉砂25 m、残积土25 m和粉砂25 m，管道总长度为75 m，管道材料为Q235钢，地震作用方向为垂直于管道且平行于地面方向，从数值分析可知：
工况一中管道最大轴向拉应力为7.3262 MPa，出现在管道中部的下半部分；
工况二中管道最大轴向拉应力为72.977vMPa，出现在管道中部的下半部分。
工况三中沿管道方向分别为粉砂50 m、残积土50 m和粉砂50 m，管道总长度为150 m，管道材料为Q235钢，地震作用方向为垂直于地面方向。工况四中沿管道方向分别为粉砂5 m、残积土25 m和粉砂5 m，管道总长度为35 m，管道材料为C30混凝土，地震作用方向为垂直于地面方向。
工况三中管道最大轴向拉应力为46.671 MPa，出现在土体变化处的上半部；
工况四中管道最大轴向拉应力为15.693 MPa，出现在管道端部的上半部。
工况五中沿管道方向分别为粉砂25 m、残积土50 m和粉砂25 m，管道总长度为100 m，管道材料为C30混凝土，地震作用方向为沿管道方向。工况六中沿管道方向分别为粉砂50 m、残积土5 m和粉砂50 m，管道总长度为105 m，管道材料为C30混凝土，地震作用方向为垂直于管道且平行于地面方向。
工况五中管道最大轴向拉应力为19.232 MPa，出现在土体变化处的上半部；endprint
工况六中管道最大轴向拉应力为7.5897 MPa，出现在管道中部的下半部。
工况七中沿管道方向分别为粉砂5 m、残积土50 m和粉砂5 m，管道总长度为60 m，管道材料为HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工况八中沿管道方向分别为粉砂25 m、残积土5 m和粉砂25 m，管道总长度为55 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为垂直于地面方向。
工况七中管道最大轴向拉应力为1.7128 MPa，出现在管道端部的上半部；
工况八中管道最大轴向拉应力为0.76483 MPa，出现在土体变化处的上半部。
工况九中沿管道方向分别为粉砂50 m、残积土25 m和粉砂50 m，管道总长度为125 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为沿管道方向。
工况九中管道最大轴向拉应力为1.4848 MPa，出现在土体变化处的上半部。
土体组合一试验结果极差分析见表5。
因此，在沿管道方向依次为25 m粉砂、50 m残积土和25 m粉砂的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏和泄漏的风险最大。
2.2 第二组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m淤泥、50 m残积土和25 m淤泥的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.3 第三组土体组合
因此，在沿管道方向依次为5 m残积土、25 m粉砂和5 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.4 第四组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m残积土、25 m淤泥和25 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
3 结语
由于在不同的工况组合下，地震作用主要引起的是管道的不均匀弯曲变形和轴向的拉压变形，这些情况均引起管道的轴向应力增大，由于混凝土属于脆性材料，且抗拉强度较低，同时进行数值计算时考虑的是混凝土管接口刚性连接，地震作用下很容易使其受到的轴向应力大于其抗拉强度导致破坏。而钢材和塑料均为柔性材料，抗拉强度大，因此破坏风险较小。
综上所述，在选择地下管道材料时，尽量选择钢管和塑料管这一类柔性材料，其抗拉/抗弯性能好，发生受拉和受弯破坏的风险较低。选择混凝土管道时，尽量使用柔性接口，增大其发生弯曲变形的能力。
参考文献
[1] 任露泉.试验设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3] 赵林，冯启民.埋地管线有限元建模方法研究[J].地震工程与工程振动，2001（2）.
[4] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.
[5] 李志西，杜双奎.试验优化设计及统计分析[M].北京：科学出版社，2010.
[6] 林均岐，胡明祎.跨越断层地下管道地震反应研究[J].地震工程与工程振动，2007（5）.endprint
工况六中管道最大轴向拉应力为7.5897 MPa，出现在管道中部的下半部。
工况七中沿管道方向分别为粉砂5 m、残积土50 m和粉砂5 m，管道总长度为60 m，管道材料为HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工况八中沿管道方向分别为粉砂25 m、残积土5 m和粉砂25 m，管道总长度为55 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为垂直于地面方向。
工况七中管道最大轴向拉应力为1.7128 MPa，出现在管道端部的上半部；
工况八中管道最大轴向拉应力为0.76483 MPa，出现在土体变化处的上半部。
工况九中沿管道方向分别为粉砂50 m、残积土25 m和粉砂50 m，管道总长度为125 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为沿管道方向。
工况九中管道最大轴向拉应力为1.4848 MPa，出现在土体变化处的上半部。
土体组合一试验结果极差分析见表5。
因此，在沿管道方向依次为25 m粉砂、50 m残积土和25 m粉砂的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏和泄漏的风险最大。
2.2 第二组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m淤泥、50 m残积土和25 m淤泥的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.3 第三组土体组合
因此，在沿管道方向依次为5 m残积土、25 m粉砂和5 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.4 第四组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m残积土、25 m淤泥和25 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
3 结语
由于在不同的工况组合下，地震作用主要引起的是管道的不均匀弯曲变形和轴向的拉压变形，这些情况均引起管道的轴向应力增大，由于混凝土属于脆性材料，且抗拉强度较低，同时进行数值计算时考虑的是混凝土管接口刚性连接，地震作用下很容易使其受到的轴向应力大于其抗拉强度导致破坏。而钢材和塑料均为柔性材料，抗拉强度大，因此破坏风险较小。
综上所述，在选择地下管道材料时，尽量选择钢管和塑料管这一类柔性材料，其抗拉/抗弯性能好，发生受拉和受弯破坏的风险较低。选择混凝土管道时，尽量使用柔性接口，增大其发生弯曲变形的能力。
参考文献
[1] 任露泉.试验设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3] 赵林，冯启民.埋地管线有限元建模方法研究[J].地震工程与工程振动，2001（2）.
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[5] 李志西，杜双奎.试验优化设计及统计分析[M].北京：科学出版社，2010.
[6] 林均岐，胡明祎.跨越断层地下管道地震反应研究[J].地震工程与工程振动，2007（5）.endprint
工况六中管道最大轴向拉应力为7.5897 MPa，出现在管道中部的下半部。
工况七中沿管道方向分别为粉砂5 m、残积土50 m和粉砂5 m，管道总长度为60 m，管道材料为HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工况八中沿管道方向分别为粉砂25 m、残积土5 m和粉砂25 m，管道总长度为55 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为垂直于地面方向。
工况七中管道最大轴向拉应力为1.7128 MPa，出现在管道端部的上半部；
工况八中管道最大轴向拉应力为0.76483 MPa，出现在土体变化处的上半部。
工况九中沿管道方向分别为粉砂50 m、残积土25 m和粉砂50 m，管道总长度为125 m，管道材料为HDPE，地震作用方向为沿管道方向。
工况九中管道最大轴向拉应力为1.4848 MPa，出现在土体变化处的上半部。
土体组合一试验结果极差分析见表5。
因此，在沿管道方向依次为25 m粉砂、50 m残积土和25 m粉砂的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏和泄漏的风险最大。
2.2 第二组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m淤泥、50 m残积土和25 m淤泥的情况下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.3 第三组土体组合
因此，在沿管道方向依次为5 m残积土、25 m粉砂和5 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
2.4 第四组土体组合
因此，在沿管道方向依次为25 m残积土、25 m淤泥和25 m残积土的情况下，C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破坏的风险最大。
3 结语
由于在不同的工况组合下，地震作用主要引起的是管道的不均匀弯曲变形和轴向的拉压变形，这些情况均引起管道的轴向应力增大，由于混凝土属于脆性材料，且抗拉强度较低，同时进行数值计算时考虑的是混凝土管接口刚性连接，地震作用下很容易使其受到的轴向应力大于其抗拉强度导致破坏。而钢材和塑料均为柔性材料，抗拉强度大，因此破坏风险较小。
综上所述，在选择地下管道材料时，尽量选择钢管和塑料管这一类柔性材料，其抗拉/抗弯性能好，发生受拉和受弯破坏的风险较低。选择混凝土管道时，尽量使用柔性接口，增大其发生弯曲变形的能力。
参考文献
[1] 任露泉.试验设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.
[2] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3] 赵林，冯启民.埋地管线有限元建模方法研究[J].地震工程与工程振动，2001（2）.
[4] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.
[5] 李志西，杜双奎.试验优化设计及统计分析[M].北京：科学出版社，2010.
[6] 林均岐，胡明祎.跨越断层地下管道地震反应研究[J].地震工程与工程振动，2007（5）.endprint
