地震作用下埋地管道动力响应研究进展及展望*

唐锦 杨志全 陈茂 李壮 张蕴韬

（昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南昆明 650093）

0 引言

为保障国家能源安全，促进经济发展，我国四大油气通道战略全面实施。埋地管道建设不可避免需要穿越地震活跃地区，在这些地区，地震作用下极易引发滑坡、断层运动、液化沉降等地质灾害，进而导致埋地管道结构损伤破裂，并最终引发油气泄漏、燃烧爆炸等二次灾害，因此，研究管道结构在地震（动荷载）作用下引起的结构运动、变形和应力（以下简称动力响应）对地震活跃地区埋地管道安全运行有重要意义。然而，地震作用下的埋地管道动力响应是一个多因素影响的复杂过程，通过查阅国内外相关文献发现，地震激励下的埋地管道动力响应规律主要受3 个方面因素影响：地震波、管道及场地条件，其中，涉及管土相互作用和管道失效模式2 个关键问题的研究。因此，本文基于以上3 个方面的影响规律、2 个关键问题对国内外研究现状及进展进行综述，提出当前研究的不足，并对地震作用下埋地管道动力响应未来研究方向进行展望。

1 国内外研究现状及分析

1.1 埋地管道动力响应规律

1.1.1 地震波影响规律

韩俊艳等［1］进行了非一致激励下埋地钢管振动台模型试验，代建波等［2］结合了振动台试验和有限元分析，均得到了相似的结论：非一致激励输入的结构反应大于对应一致输入下的结构反应，且差异随地震波加载等级的提高而增大，管道应变峰值呈现出沿管道中间大两端小的现象。YASUDA S 等［3］针对砂土液化埋地管道动力响应进行研究，发现在加速度幅度较高的情况下，管土上浮速度也较高。马越超［4］、刘懿［5］通过有限元模拟分析得到结论：地震波沿轴向输入更容易发生应力集中现象，地震波峰值加速度越大管道的应力应变越大。吴静波等［6］通过有限元模型分析，研究表明：入射角变化时，管内内壁不同位置的位移幅值发生变化，地震波45°入射时，管道的应力响应最大。刘炜坪［7］研究发现：频率较低时，河谷边缘效应的加速度放大效果较明显。ALAMANIS N［8］通过数值分析发现：地震激励频率含量对总位移会产生±40%范围内的各种结果。王竞雄等［9］考虑Raileigh 波的频散特性并模拟其作用下埋地管道地震响应，分析发现，在高频范围，Raileigh波在硬土中引起的管道应变更大，而在低频范围，较硬的下卧基岩能够减小管道应变。杨大慎等［10］通过沿山脊埋地管道动力响应模拟分析发现：竖向地震荷载对管道的内力影响较小，对坡体及管道整体位移影响较大。

以上研究表明，非一致激励埋地管道动力响应研究局限于其重要性，其影响规律还待深入研究，频率、峰值加速度、入射角、竖向地震分量等因素影响规律的研究结论主要为单个参数，而工程实例中埋地管道所受的地震波往往是多参数综合作用，因此，有必要对埋地管道地震波多参数正交影响规律进行研究。

1.1.2 管道影响规律

黄德龙等［11］通过埋地弯管地震响应振动台试验和有限元模拟分析发现：埋地弯管应力峰值随着埋深的增大而增大，随管径、壁厚和弯管弯头角度的增大而减小。刘炜坪［7］通过河床场地条件下的埋地管道地震响应模拟分析发现，非液化场地条件下，管径增大有利于抗震，但是土层发生大范围液化时，管径增大管道上浮反应反而增大。MA C 等［12］、CHENG X D 等［13］对断层位移作用下埋地管道展开有限元模型研究，得到以下结论：管道轴向应变极值随径厚比的增加明显增大，最大轴向压缩应变随管道与断层之间的夹角增大而减小，影响管道应变响应的因素从高到低相关参数排序为：埋深＞断层位移＞断层带宽度＞管道与断层的夹角。张浩［14］建立考虑三维腐蚀缺陷管土温度场模型，计算结果表明：腐蚀对管道应力应变影响范围为10 m 以内，腐蚀对管道各部位的应力应变影响程度从大到小依次为底部、侧面、顶部；关于腐蚀参数的敏感性得到结论：对比腐蚀深度和宽度，腐蚀长度对管道影响较小，腐蚀深度、流体压力和流体温度对腐蚀管道的力学性能有明显影响。谭现东等［15］通过数值模拟分析发现：当腐蚀深度超过管道壁厚20%时，必须进行强度修复，内部腐蚀深度接近管道壁厚60%或者外部腐蚀深度接近管道壁厚70%时，管道有断裂危险，管道外部腐蚀缺陷比内部腐蚀缺陷影响更显著，同等情况下Ⅰ类场地上抗震完整性更差。

以上结果表明，学者们关于管道参数（管径、壁厚、径厚比、埋深、管道走向、弯管弯头角度等）对不同场地内埋地管道动力响应影响规律开展了研究，取得了丰硕成果。同时，管道各因素影响规律在特殊场地条件下呈现出差异性，因此，对埋地管道进行不同特殊场地环境下管道多参数正交影响规律研究是今后需进一步完善的工作。由于管道腐蚀损伤的形成具有时间依赖性，国内外学者主要依靠数值模拟分析研究局部缺陷管道动力响应影响规律，这方面的理论和试验研究还较为薄弱。

1.1.3 场地影响规律

CHENG X D 等［13］讨论了穿越斜逆断层埋地管道沟槽设计参数的影响，结果表明：浅埋深、松砂回填、增加沟坡坡度及减少回填土厚度可减少埋管应变变形，回填土类型变化影响显著。刘炜坪［7］发现，对于河谷内埋地管道，尽量采用不易液化的干燥密实粗砂回填。郭思远［16］通过有限元模拟发现，随剪切波速和土体泊松比增大，管道应力减小。张立松等［17］研究了断层土体力学性质对输气管道影响规律，结果表明：在较小的断层位移下，土体弹性模量和内摩擦角对最大轴向应变有较大影响，土体内聚力对其影响较小；随断层位移的增大，土体弹性模量和内摩擦角影响降低。王大永等［18］建立考虑2 种力学性能的场地土有限元模型，分析发现：不均匀场地交界面附近埋地管线最大应力异常增大。张宏涛等［19］通过不均匀土体变形作用下离心振动台试验研究发现：埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中，软土中管道更易发生拉伸应变，硬土中更易发生压缩应变，硬土中的管道残余应变为压应变，软土中为拉压应变交替分布。ALAMANIS N［8］通过对土体参数的二维可变性对永久位移发展影响研究发现：土体参数的二维变异性可能会对边坡的安全系数产生约±13%的影响，忽略土体参数的可变性可能会导致对斜坡内地下管道的地震行为的错误（非保守）估计。

以上研究表明，国内外学者针对管周土的类型、埋深、坡度、厚度、泊松比、剪切波速、内摩擦角、弹性模量等参数影响规律开展了相关研究，取得了丰富的成果。同时，学者们研究了断层土体非均匀分布和土体参数随机性、二维可变性对埋地管道地震行为的影响。然而，以上研究多局限于有限元模拟研究，缺少试验研究的充分验证。

综上所述，地震波作用下，埋地管道动力响应的主要影响因素包括：地震波频率、峰值加速度、入射角、竖向地震分量；管道管径、壁厚、径厚比、埋深、管道走向、弯管弯头角度及局部腐蚀缺陷；管周土类型、埋深、坡度、厚度、泊松比、剪切波速、内摩擦角、弹性模量、土体非均匀分布和参数随机性，各因素影响规律如表1 所示。

表1 地震波作用下埋地管道损伤失效的主要影响因素及其影响规律

1.2 管土相互作用

地震波动荷载作用下埋地管道的变形破坏，往往不是由地震波直接作用导致，而是受永久地面变形（Permanent Ground Deformation，PGD）作用，包括滑坡、断层运动、液化沉降等地质灾害，进而导致埋地管道结构损伤破裂。管道与周围土体处于未分离状态时，管道受到土体迫压可发生局部屈曲，管道受力不均匀时，径向位移差异则可导致管道发生拉伸断裂，分离状态时，管土之间产生滑移、摩擦，进而造成管道悬空等；与此同时，管周土体产生位移时也受到管道的抵抗，阻止土体进一步运动；在此过程中，管土间发生的非线性接触力学行为即管土相互作用。显然，管土相互作用对管道动力响应结果有重要影响，探明二者相互作用过程对管道的动力响应研究显得尤为关键。

针对这一关键问题的研究，学者们或通过解析计算方法计算管土位移传递关系；或利用数值模拟精确模拟管土相互作用过程；或开展模型试验获得管土相互作用实际位移数据。按照研究方法划分可分为：解析法、数值分析法和试验法，而已有研究至多结合其中2 种研究方法。

1.2.1 解析法

韩俊艳等［22］推导了地震行波有夹角入射地下管道的运动微分方程和管土间的位移传递系数，得出横波、纵波具有相同的位移传递系数，进而求得管道的最大应变及应力。黄德龙等［11］通过弯管与土体的缩尺振动台试验及三维有限元模拟，得出地震作用下埋地弯管的变形传递系数的拟合公式。马越超［4］参考既有理论和试验成果，提出了用于估算埋地弯管最大应变处的管土变形传递系数的经验公式。陈勇等［23］根据已有规范和试验数据研究浅埋管道管土间位移传递系数的范围，得出钢管的位移传递系数为0.2 ～0.6。

以上研究表明，学者们对管土相互作用的变形传递系数研究主要包括各因素作用下变形传递系数的经验系数和公式。然而，未能充分考虑场地条件和地震波空间变异性的影响，得出的经验系数和公式的适用范围及误差还需研究，工程实例应用存在困难。

1.2.2 数值分析法

目前应用较为广泛的管-土相互作用模型是：弹性地基梁模型（梁-土弹簧模型）、壳-土弹簧模型及壳/实体-接触面模型。其中，弹性地基梁模型能较好反映埋管在地震行波作用下轴向和横向形变，不足的是，无法模拟薄壁管道的局部屈曲，且土弹簧刚度的计算源自经验公式，高估管道抵抗变形的能力，对于非均匀土场地大直径管道局部变形分析适用性较差。为解决这一问题，壳-土弹簧模型采用壳单元模拟埋地管道，该模型在考虑管道内压、几何尺寸、局部屈曲变形分析时具有明显优势。管土相互作用本质上是管土非线性接触力学问题，采用无厚度的接触单元（即壳/实体-接触面模型）进行模拟能够精确模拟管土重合到互相滑动或脱开的现象，该模型的缺点是十分消耗计算资源，且精确性依赖于准确参数的设定。ASHRAFY M 等［24］开发了埋地管道-土壤相互作用优化软件（BPSIOS），可以通过导入管道实验位移数据确定模拟时土壤等效弹簧的刚度。李立云等［25］基于埋地管道振动台试验结果，建议ABAQUS有限元软件平台中接触面摩擦系数的合理取值为0.3～0.6。采用一般的有限元模型模拟埋地管道在地震下反应时，地震波产生的能量辐射效应会使计算结果产生一定震荡，为此，引入人工边界条件来提高计算结果的准确性。吴静波等［7］建立了三参量固体模型，以弥补两参数粘弹性边界无法完整描述蠕变、松弛、回复的粘弹性特性。BANUSHI G 等［26］利用ABAQUS 软件在管道两端引入改进的等效边界弹簧，通过与标定模型计算结果的比较，证明了该模型计算精度高和计算速度快。

以上结果表明，管土相互作用模型是国内外学者们较为关注的研究热点，模型趋于精细化，目前最贴合实际情况的是壳/实体-接触面模型，但该模型中的参数取值方法的研究有待补充。为提高模拟准确性，学者们多选择粘弹性边界作为场地边界，然而，所设置粘弹性边界能否有效规避不希望的边界效应受所截取模型范围影响，因此，合理的埋地管道模型范围值得学者们加以明确。处理管道半无限体边界时，已有成果均为考虑断层作用下的等效边界弹簧研究，关于非断层作用下该等效边界弹簧研究还待完善。

1.2.3 试验法

韩俊艳等［27］在试验之前采用有限元分析软件对振动台试验过程进行模拟，确定结构可能的地震反应强烈的位置及抗震设计薄弱环节，为主观测断面及辅助观测断面的位置及观测断面上传感器布置的位置提供依据，分析表明：三维数值模拟分析可优化分配信息采集通道。代建波等［2］研发了层状剪切连续体模型土箱，共选取2 条试验记录波和1 条人工合成波进行双向四自由度逐级加载，采用增加管道内压模拟管道运行状态，在相似关系的设计中，管道和土体分别采用完备模型和忽略重力模型。李立云等［25］针对试验模型相似关系的选取问题进行试验和模拟研究，结果表明：管道和土体取相同相似比时效果比较理想，不建议输入原始地震波，管、土相似关系不统一的情况，应以土的相似关系输入地震动。陈国兴等［28］总结了地基土-地下结构体系模型试验技术要点，如图1 所示。

图1 地基土-地下结构体系模型试验技术要点

以上结果表明，目前学者们针对埋地管道动力响应进行了离心机试验、振动台试验和全尺试验。相比缩尺试验，由于试验设备和场地要求，埋地管道地震响应的全尺试验开展较少。试验中土体多处理为完全干燥状态，而未考虑实际情况中土体的非饱和状态。此外，学者们开展的主要是对数值模拟的验证性试验，针对埋地管道地震响应规律的设计性试验较少。

1.3 管道失效模式

通过总结埋地管道在地震作用下的动力响应特征，学者们发现管道最终破坏形态表现为以下几种模式：局部屈曲失效、拉伸断裂失效、截面椭圆化（以上3 种属局部破坏失效）和梁式屈曲失效（整体失稳失效）。管道的动力响应特征和管道失效模式明显相关，二者是过程和结果的关系，管道动力响应形态、位置和范围的变化表现为管道失效模式的转换，同时，对管道失效模式的预测也是动力响应特征的规律研究。因此，不同条件下管道失效模式形成与变换成为管道动力响应过程研究的关键问题，学者们针对这一问题开展了以下研究。

MELISSIANOS V E 等［29］通过建立逆断层下管道数值模型，分析发现：低径厚比（D/t）的浅埋管道倾向于全局屈曲，而高D/t深埋管道倾向于局部屈曲；通过对数值结果进行统计处理，结果表明：断层交叉几何形状在更大程度上控制着失效模式，因为它决定了弯曲和压缩水平，土壤财产的影响较小，钢级的影响最小。马川［30］通过建立埋地管线在断层作用下有限元分析模型得到结论：大管径管道和小管径管道断层作用下失效模式存在差异，随着管径的增大，管道的壳体行为逐渐明显，管道的失效长度也随之扩大；当满足临界最小埋深值（一般为0.8 m）并采用大口径厚壁管道时，梁式屈曲失稳和弯曲破坏这2 种失效破坏模式基本不可能发生。赵雷等［31］利用ANSYS有限元程序建立了埋地钢管地震反应的有限元模型，分析逆断层作用下管道的失效模式，结果显示：管道失效模式与逆断层倾角、断层垂直位错量相关，逆断层倾角≤45°，管道发生屈曲失效，倾角为50°～70°，当断层垂直位错量为0.7 ～1.0 m 时，管道出现梁式失稳失效：当位错量大，错动速度快时，管道在与断层破裂线相交处发生屈曲失效。倾角在75°～80°，管道屈曲失效和梁式失稳失效可能相伴发生。刘啸奔等［32］建立了埋地X80 高强钢管道在断层作用下的有限元模型，得到以下类似结论：断层倾角对管道的失效模式有很大影响，断层倾角＜60°时，先发生局部屈曲失效，然后发生横截面椭圆化、梁式屈曲失效，但不会发生拉伸断裂，当断层倾角≥75°时，梁式屈曲失效不会发生，其他失效模式都发生；并且随着断层倾角的增加，这3 种失效方式将相互转换；当壁厚较大或管道埋深较小时，先发生梁式屈曲失效随后迅速发生局部屈曲失效；内压是控制断层作用下管道最终破坏模式的最关键变量，拉伸断裂只能发生在高压管道中；管道的径厚比和埋深对失效模式的转换影响不大；在不同工况下，管道的破坏模式依次为局部屈曲＞截面椭圆化、梁式屈曲＞拉伸断裂。

以上研究表明，地震作用下，通常地面永久变形作用（塑性）引起的管道失效模式按严重程度依次有拉伸断裂失效、壳式局部屈曲失效、梁式整体屈曲失效和横截面椭圆化失效4 种。学者们目前多通过数值模拟手段研究控制失效模式的重要因素，缺乏具体试验结果的支持。此外，已有研究未考虑多种失效模式联合损伤机制的影响，不能充分反映各种失效模式的后续耦合作用。

2 不足与展望

纵观国内外研究发现，地震作用下的埋地管道动力响应研究已得到大量关注，但面对这一多因素影响的复杂问题，目前的研究明显还不够完善。结合以上内容分析，研究还存在以下难点和不足：

（1）多因素正交作用下的埋地管道动力响应影响规律及其机理研究还需深入。

（2）管土相互作用的解析法可行性区域和可用范围有待确定；壳/实体-接触面模型精确性依赖于接触参数，且未能形成较为成熟的参数取值方法；非断层作用下管道端部的人工边界设置研究明显不足；管土相互作用的全尺试验开展较少，验证性试验较多，设计性试验较少；试验中土体未考虑实际情况中的非饱和状态。

（3）控制单种失效模式的影响因素数值模拟研究取得了较为丰富的成果，但未经过试验验证，未考虑多种失效模式联合损伤机制的影响。

通过对以上文献的归纳分析和对研究不足与难点的讨论，本文对地震作用下埋地管道动力响应的研究未来发展提出以下建议：

（1）开展多因素正交作用下的埋地管道动力响应影响规律试验和模拟研究，为埋地管道抗震设计提供依据。

（2）完善简化的解析计算方法，明确其适用范围。

（3）开展全尺试验，为解析法和数值模拟法研究提供数据支撑。

（4）建立更贴近实际情况的管土相互作用精细化数值模型，补充其参数取值和人工边界设置的原则及方法。

（5）结合试验和模拟研究，开展失效模式联合损伤机制研究。

3 结论

基于国内外文献，本文对埋地管道地震动力响应的一些研究进展进行了梳理和总结，特别关注学者们的研究热点和较为关键的问题。

总体而言，近年来国内外学者们的研究方法更加丰富和细致，较为活跃的是埋地管道动力响应的数值模拟研究，学者们致力于建立更加贴合实际的管土相互作用模型；数值模型的优化往往伴随着试验的验证，故此也一定程度上推动了试验模型和方法的改进，非一致激励下埋地管道动力响应影响规律研究也随之进入学者们的研究视野；与前两者相比，理论研究的成果产出需要大量试验数据和模拟结果的具体支持，发展相对缓慢，目前的关注热点为管土变形传递系数拟合公式研究。