不同土體組合下地下管線抗震性能研究

黃舒鵬++彭功勛++魏立新等

摘 要：該文主要針對廣州市特有的不同種類的不利地層組合，通過正交試驗方法，對不同材質的管道在土體組合中的地震破壞情況進行數值分析和研究，得到其最不利的工況組合并對地下管線抗震性能進行評估，為實際工程的應用提供了參考。

關鍵詞：正交試驗 數值計算 土體組合 抗震性能 地下管線

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2010）08（b）-0197-04

由于影響管線破壞的影響因素很多，沿管線方向不同的土體及土體長度對管道的破壞有很大影響，同時不同的管道材料以及不同的地震作用方向對管道的破壞也有不同的影響。如果采用全面試驗組合，數值計算的模型數量很多，因此采用正交試驗設計法，選取一定數量的有代表性的工況來進行分析，通過部分工況來得到全部工況中的普遍規律，找出最不利的組合。

該文選取廣州地區特有的四種土體組合，分別為粉砂-殘積土-粉砂、淤泥-殘積土-淤泥、殘積土-粉砂-殘積土和殘積土-淤泥-殘積土，對每種土的組合單獨考慮，每種組合中土體的長度分別取5 m、25 m和50 m；地震作用方向有三種情況，分別為軸向地震（沿管道方向，數值計算中為X方向）、側向地震（垂直于管道且平行于地面方向，數值計算中為Y方向）和豎向地震（垂直于地面方向，數值計算中為Z方向）；管道材料有三種，分別為鋼管、混凝土管、HDPE管，其中鋼材采用Q235鋼，混凝土采用C30混凝土。因此對每種土體的組合來說為三水平四因素試驗[1]。

1 模型介紹

在數值計算中，土體采用摩爾-庫倫模型，管道采用線彈性模型[2]。建模是采用單一土層，土體深度20 m，寬度50 m，管徑取1200 mm，埋深4 m，位于土體中部。在靜力計算過程中，采用土體底面和四周法向固定的邊界條件[3]；動力計算過程中，土體底部采用靜態邊界條件，土體四周采用自由場邊界條件。土體取局部阻尼為0.1571。地震波輸入位置為模型底部[4]。土體模型和管道模型如圖1、2所示。

由圖1所示，不同的土層沿X方向布置，圖中藍色和綠色分別代表土一、土二兩種不同的土體材料，土體長度根據不同的試驗工況組合確定，最小為15 m，最大為150 m，沿Y方向土體寬度為50 m，沿Z方向土體深度為20 m，管道位于土體中央埋深4 m處。由圖2所示，管道沿X方向布置，圖中藍色即表示管道模型，管道長度和土體的總長度一致，最小為15 m，最大為150 m，管道直徑1200 mm。

數值計算中所采用的地震數據為EI Centro三向波，地震作用時間為6 s。圖3為EI Centro三向波前6 s的加速度時程曲線。

根據廣州地區的抗震設防等級對該地震波進行調幅處理，廣州地區的抗震設防等級為7度（0.1 g），即將EI Centro三向波的加速度時程曲線的峰值均縮小至0.1 g，其余各點加速度值均按比例縮小，得到峰值均為0.1 g的三向加速度時程曲線。由于速度是加速度相對于時間的積分，將調幅之后的加速度時程曲線對時間積分得到速度時程曲線。

2 分析結果

采用極差分析法對最終結果進行處理，極差分析又稱直觀分析，是正交試驗設計結果分析中直觀的、常用的分析方法。極差分析法包括計算和判斷兩個步驟。其中為第j列因素第m水平所對應的試驗指標和，為平均值。由大小可以判斷第j列因素優水平。采用極差分析法分別對四組數據結果進行處理，可以得到各組土體組合中最不利組合，確定在何種工況下管道的泄漏風險最大[5]。

由于管道在地震作用下主要發生軸向的拉壓以及垂直于截面的彎曲變形，這兩種變形都主要產生軸向的拉壓應力，因此試驗結果選取管材的最大軸向拉應力為試驗指標，同時，對于不同管材來講，其抗拉能力不盡相同，因此要對不同工況下的最大軸向拉應力進行標準化，即除以該管材的抗拉強度，才能得到實際管材的變形或者是破壞程度。實驗中鋼材為Q235鋼，取其屈服強度235 MPa，混凝土為C30，取其抗拉強度設計值1.43 MPa，HDPE材料取其抗拉強度25 MPa[6]。

2.1 第一組土體組合

2.1.1 試驗工況

2.1.2 數值計算結果及分析

工況一中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土5 m和粉砂5 m，管道總長度為15 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向為沿管道方向。工況二中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土25 m和粉砂25 m，管道總長度為75 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向為垂直于管道且平行于地面方向，從數值分析可知：

工況一中管道最大軸向拉應力為7.3262 MPa，出現在管道中部的下半部分；

工況二中管道最大軸向拉應力為72.977vMPa，出現在管道中部的下半部分。

工況三中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土50 m和粉砂50 m，管道總長度為150 m，管道材料為Q235鋼，地震作用方向為垂直于地面方向。工況四中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土25 m和粉砂5 m，管道總長度為35 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向為垂直于地面方向。

工況三中管道最大軸向拉應力為46.671 MPa，出現在土體變化處的上半部；

工況四中管道最大軸向拉應力為15.693 MPa，出現在管道端部的上半部。

工況五中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土50 m和粉砂25 m，管道總長度為100 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向為沿管道方向。工況六中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土5 m和粉砂50 m，管道總長度為105 m，管道材料為C30混凝土，地震作用方向為垂直于管道且平行于地面方向。

工況五中管道最大軸向拉應力為19.232 MPa，出現在土體變化處的上半部；endprint

工況六中管道最大軸向拉應力為7.5897 MPa，出現在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為垂直于地面方向。

工況七中管道最大軸向拉應力為1.7128 MPa，出現在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應力為0.76483 MPa，出現在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為沿管道方向。

工況九中管道最大軸向拉應力為1.4848 MPa，出現在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗結果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風險最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風險最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

3 結語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強度較低，同時進行數值計算時考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應力大于其抗拉強度導致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強度大，因此破壞風險較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發生受拉和受彎破壞的風險較低。選擇混凝土管道時，盡量使用柔性接口，增大其發生彎曲變形的能力。

參考文獻

[1] 任露泉.試驗設計及其優化[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 趙林，馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究[J].地震工程與工程振動，2001（2）.

[4] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[5] 李志西，杜雙奎.試驗優化設計及統計分析[M].北京：科學出版社，2010.

[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應研究[J].地震工程與工程振動，2007（5）.endprint

工況六中管道最大軸向拉應力為7.5897 MPa，出現在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為垂直于地面方向。

工況七中管道最大軸向拉應力為1.7128 MPa，出現在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應力為0.76483 MPa，出現在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為沿管道方向。

工況九中管道最大軸向拉應力為1.4848 MPa，出現在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗結果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風險最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風險最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

3 結語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強度較低，同時進行數值計算時考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應力大于其抗拉強度導致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強度大，因此破壞風險較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發生受拉和受彎破壞的風險較低。選擇混凝土管道時，盡量使用柔性接口，增大其發生彎曲變形的能力。

參考文獻

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[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應研究[J].地震工程與工程振動，2007（5）.endprint

工況六中管道最大軸向拉應力為7.5897 MPa，出現在管道中部的下半部。

工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m，管道總長度為60 m，管道材料為HDPE，地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m，管道總長度為55 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為垂直于地面方向。

工況七中管道最大軸向拉應力為1.7128 MPa，出現在管道端部的上半部；

工況八中管道最大軸向拉應力為0.76483 MPa，出現在土體變化處的上半部。

工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m，管道總長度為125 m，管道材料為HDPE，地震作用方向為沿管道方向。

工況九中管道最大軸向拉應力為1.4848 MPa，出現在土體變化處的上半部。

土體組合一試驗結果極差分析見表5。

因此，在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風險最大。

2.2 第二組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下，C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風險最大。

2.3 第三組土體組合

因此，在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

2.4 第四組土體組合

因此，在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下，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壞的風險最大。

3 結語

由于在不同的工況組合下，地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形，這些情況均引起管道的軸向應力增大，由于混凝土屬于脆性材料，且抗拉強度較低，同時進行數值計算時考慮的是混凝土管接口剛性連接，地震作用下很容易使其受到的軸向應力大于其抗拉強度導致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料，抗拉強度大，因此破壞風險較小。

綜上所述，在選擇地下管道材料時，盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料，其抗拉/抗彎性能好，發生受拉和受彎破壞的風險較低。選擇混凝土管道時，盡量使用柔性接口，增大其發生彎曲變形的能力。

參考文獻

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[6] 林均岐，胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應研究[J].地震工程與工程振動，2007（5）.endprint