场地变形条件下埋地管道接口试验研究综述

刘　洲 田林林 周　彪/华北理工大学

场地变形条件下埋地管道接口试验研究综述

刘洲 田林林 周彪/华北理工大学

埋地管道作为城市生命线工程在工业生产和人们的生活中应用广泛。但是在地震作用和场地变形作用下，管道会遭到严重破坏，尤其是在最薄弱的接口处。所以对埋地管道在场地变形作用下的研究就十分必要。本文根据项目组研发的箱体和MTS等设备设计相应的力学试验，为今后的试验提供依据。

埋地管道； 场地变形； 接口

前言

埋地管道作为重要的物流手段之一，已经被各大城市广泛应用，主要负责运输自来水、石油、天然气及供暖等。埋地管道系统是人类现代社会的经济能源动脉，被称为人类生命线系统的一部分。随着城市的发展和大型工程的增多，城市和大型工程对地下管道越来越依赖。而埋地管道一旦破坏，对人类的生活生产将会带来严重的影响。因此，地下管道破坏的研究对城市和大型工程的建设均具有重要的应用价值。

地下管道的主干、支路以及结点的地震破坏均可归结于地震波作用下的波动破坏和场地震害。前者主要指由于地震波的传播效应，导致土层产生波动变形而使管道发生破坏；而后者指地震振动引起的大面积地表移动、场地断裂等场地变形，主要包括土壤液化、地表塌陷、断层、滑坡等。如果不考虑管道自身的腐蚀，管道接口处的破坏最为严重。而埋地管道接口分为焊接、螺纹连接、法兰连接和沟槽连接等形式。所以，对管道不同接口处的抗震性能研究十分必要。

相比国内外关于埋地管道损伤的理论分析和数值模拟研究来说，试验研究还显得不足，尤其对于埋地管道接口处的力学性能试验研究。本文以埋地管道接口为主要对象，设计断层错动作用下的接口破坏试验方案，借助MTS设备和项目组自行制作的箱体对管道的不同接口形式开展模拟断层错动作用的试验，并对试验数据进行整理分析，总结出埋地管道的不同接口在断层错动作用下的力学性能，用于提高埋地管道抗震性能的研究。

1.研究意义

与地上管道相比，埋地管道通常分布的范围广，不可避免地涉及各种场地，在地震中极易遭受破坏，造成系统故障和中断，并有可能产生各种次生灾害，给人民的生活和生命财产带来严重危害。而且地震引起的断层、沉降、液化等场地变形也对埋地管道有着很大危害。历史震害表明，埋地管道面对灾害最薄弱的环节就是管道接口处。为了减少地震作用对管道工程造成的破坏，确保生命线工程的安全和防止次生灾害的发生，研究地震波及其所引起的场地变形对管道的损伤，尤其对于管道接口处的损伤，为输流管道的抗震性能研究提供必要的理论基础，有着十分重要的意义。深入开展断层错动作用下的埋地管道接头损伤的试验研究，可为埋地管道的力学设计和安全评估提供可靠的依据。

2.研究目标

以地震灾害发生时的管道薄弱环节——接头为研究对象，通过室内模拟断层错动的试验，研究埋地管道接头的变形与破坏，进而揭示埋地管道在断层作用下的破坏机理，为管道工程的抗震设计提供可靠的依据。

3.研究内容

考虑当前工程实际中的多种管道连接方式，基于项目组开发的已有试验装置，设计断层错动作用下埋管接口变形与破坏的试验方案，研究不同接口的受力和变形情况，结合理论分析，得出埋地管道不同接口的破坏机制和受力特征。

具体试验内容安排如下：

以不同接口的埋地管道为试验对象，分别在不同类型断层作用下，接口位置不同情况下，研究管道接口处的受力特征；进一步考虑组合场地条件下的接口受力与变形。

3.1考虑正断层作用下，接口位置远离断层，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.2考虑正断层作用下，接口位置在断层附近，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.3考虑正断层作用下，接口位置在断层处，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.4考虑逆断层作用下，接口位置远离断层，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.5考虑逆断层作用下，接口位置在断层附近，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.6考虑逆断层作用下，接口位置在断层处，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.7考虑走滑断层作用下，接口位置远离断层，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.8考虑走滑断层作用下，接口位置在断层附近，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

3.9考虑走滑断层作用下，接口位置在断层处，埋地管道接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接的破坏情况；

通过对试验数据的汇总和分析，得到埋地管道不同形式接口在断层错动作用下的应变、位移等相应变化情况；并对试验结果进行分析，与数值模拟结果进行对比。通过对不同因素下的埋地管道不同接口形式的力学性能试验，揭示埋地管道的损伤机理，进而验证数值模型的可靠性。

4.关键问题与预期创新点

4.1关键问题

如何模拟现实情况的加载方式，设计最符合实际情况的试验方案，把加载的力更精确地作用到接口处，从而得到最切合实际的数据和形变现象，才能更好地研究出埋地管道不同接口的破坏形式，并且为今后埋地管道施工提供可靠的理论依据和实践方案。

4.2预期创新点

本研究预期的创新点是：通过设计埋地管道不同接口在断层错动作用下力学性能研究的室内试验模型，借助MTS拟动力设备提供动力加载，研究不同形式的接口在断层错动作用下受力及变形状况，揭示埋地管道损伤机理。

5.实验方案

将试验管道埋置于三个无盖的箱体内，其中两侧箱体为1000×876×760mm3，中间箱体为1200×876×760mm3。中间箱体与MTS设备相连，可以通过设备使箱体上下移动；一侧箱体底部和侧面均有滑轮，可以前后移动；另一侧箱体与地面固定。放置管道时，将管道接口处放置于试验箱体的不同位置处，用于分析各种条件下的接口受力。每组试验将放置三根管道，接口分别为焊接、螺纹连接、法兰连接进行不同接口形式的试验；接口位置分别为远离断层、断层附近、断层处进行不同接口位置的试验。通过MTS设备和千斤顶等设备使箱体产生位移，从而模拟断层错动作用下不同管道接口的受力变形情况。通过在管道接口处安装应变片，并使用位移计等装置，得出管道接口处的受力、位移和变形等试验数值或现象。

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