機(jī)械侵入荷載下格柵用于防護(hù)柔性埋地管道的試驗(yàn)研究

王嘉勇, 肖成志, 2, 何晨曦

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2. 河北工業(yè)大學(xué) 河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401)

當(dāng)前，隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，以挖掘機(jī)械侵入為主的第三方施工荷載成為國(guó)內(nèi)外油、氣和水等埋地管道破壞的主要因素[1-2]。Brooker[3-5]、姚安林[6]、楊建功[7]和李軍[8]等先后通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析了挖掘機(jī)斗齒荷載對(duì)管道的影響，發(fā)現(xiàn)因挖掘機(jī)鏟尖剛度大，挖掘侵入土體速度較快，而埋地管道常以鋼管或塑料柔性管等為主，一旦挖掘機(jī)侵入觸碰管道極易使其發(fā)生變形或破裂，從而引發(fā)油氣泄漏或爆炸等危險(xiǎn)事故。因此，如何針對(duì)埋地管道進(jìn)行防護(hù)引起了大量研究人員的關(guān)注。土工格柵作為巖土工程加筋材料依靠其造價(jià)低、性能好、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi)發(fā)展迅速，在擋土墻和橋臺(tái)臺(tái)背與軟基處理和道路工程加固等方面發(fā)揮著重要的作用[9]。目前，國(guó)內(nèi)外在土工格柵用于防護(hù)埋地管道方面的研究已取得了一定的成果。Selvadura[10]試驗(yàn)指出在埋地管道上方鋪設(shè)格柵可有效提高承載能力；Hegde等[11]研究了靜載作用下土工格柵和土工格室對(duì)埋地管道防護(hù)減災(zāi)性能，指出格柵加筋能夠大大降低管道變形、管頂土壓力和管道應(yīng)變；肖成志等[12-13]針對(duì)格柵加筋防護(hù)HDPE埋地管道開(kāi)展了靜載試驗(yàn)分析，提出了格柵最佳敷設(shè)參數(shù)。Palmeira[14]試驗(yàn)?zāi)M分析了施工機(jī)械侵入筋材防護(hù)埋地管道的變形與受力特點(diǎn)。但施工機(jī)械侵入時(shí)管道破壞機(jī)制的研究尚不成熟，且管道設(shè)計(jì)中尚無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范明確挖掘機(jī)侵入等第三方施工所產(chǎn)生的影響。因此，針對(duì)第三方施工荷載作用對(duì)油氣管道力學(xué)性能的影響亟待研究。本文擬通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬施工機(jī)械持續(xù)侵入過(guò)程，以此分析土工格柵對(duì)管道防護(hù)性能的影響，并對(duì)比分析筋材長(zhǎng)度、筋材埋深、間距和層數(shù)等對(duì)防護(hù)效果的影響。

1 土工格柵加筋防護(hù)埋地管道模型試驗(yàn)

為了研究施工機(jī)械侵入時(shí)埋地管道力學(xué)響應(yīng)以及土工格柵對(duì)埋地管道的防護(hù)性能，這里開(kāi)展了室內(nèi)模型試驗(yàn)，如圖1所示。模型箱的長(zhǎng)、寬和高分別為120、40和100 cm，并參照美國(guó)AASHTO(1998)[15]和埋地管道相關(guān)規(guī)范[16]對(duì)具體模型尺寸進(jìn)行選取。試驗(yàn)通過(guò)電液伺服作動(dòng)器控制力和位移，將長(zhǎng)、高和厚分別為20、25和2 cm的鋼板于埋地管道頂部地表貫入土層以模擬挖掘機(jī)鏟斗的持續(xù)侵入過(guò)程。

1.反力架；2.電液伺服作動(dòng)器；3.鋼板侵入體；4.模型箱 (a) 試驗(yàn)加載平臺(tái)系統(tǒng)裝置圖

(b) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)模型圖圖1 埋地管道模型試驗(yàn)平臺(tái)與裝置圖(cm)Fig.1 Model test platform and device of buried pipe

1.1 回填土

管周填土采用干凈河砂，其最大和最小干重度分別19.90和15.63 kN/m3，基于砂土篩分試驗(yàn)得到其顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，不均勻系數(shù)Cu為2.65，曲率系數(shù)Cc為0.99，土樣細(xì)粒(粒徑小于0.075 mm)含量小于5%，屬于級(jí)配不良砂土。試驗(yàn)回填砂土相對(duì)密實(shí)度為70%，按5 cm分層填壓，鋪設(shè)筋材時(shí)筋材層及其上下鄰層用紅色彩砂標(biāo)示，以便于觀察土層沉降，如圖1(b)所示。

圖2 回填河砂顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distribution of river sand for filling

1.2 管道和筋材

選用外徑110 mm、壁厚5.3 mm的高密度聚乙烯(HDPE)管道和聚丙烯EG3030雙向格柵，管道密度為0.965 g/cm3；格柵極限抗拉強(qiáng)度為30 kN/m，應(yīng)變?yōu)?%和5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的拉力分別為10.5和21.0 kN/m。

1.3 試驗(yàn)與測(cè)試方案

試驗(yàn)在管頂?shù)乇聿捎贸掷m(xù)靜壓鋼板侵入體來(lái)模擬挖掘機(jī)械侵入，圖3給出了試驗(yàn)的不同工況。

(a) 模式1(b) 模式2(c) 模式3(d) 模式4

圖3 試驗(yàn)與加筋防護(hù)模式

Fig.3 Test and reinforcement protection modes

工況1：無(wú)筋材防護(hù)；

工況2：?jiǎn)螌咏畈淖钃鯔C(jī)械侵入；

工況3：多層筋材阻擋機(jī)械侵入；

工況4：筋材分別用于阻擋機(jī)械侵入和防護(hù)管道。

通過(guò)改變筋材的長(zhǎng)度L、埋深u、間距s以及層數(shù)n等參數(shù)，綜合分析模擬機(jī)械侵入荷載作用下筋材對(duì)埋地管道的防護(hù)效果。試驗(yàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)各因素影響下的侵入荷載、管道變形和管道外表面環(huán)向應(yīng)變。模型試驗(yàn)采用自制百分表固定于管道內(nèi)部，監(jiān)測(cè)管道徑向變形U(水平:Uh和垂直:Uv) (如圖4(a)所示)；同時(shí)，沿管周布置8個(gè)環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖4(b)所示)。

試驗(yàn)中按照侵入體貫入砂土的深度Hb進(jìn)行加載，每次貫入1 cm且每級(jí)載荷持續(xù)5 min，直至侵入深度達(dá)到15 cm(約1.4D)時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，詳細(xì)試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

(a) 管道徑向變形監(jiān)測(cè)(b) 管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4 管道變形與應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of deformation and strains monitoring of pipes表1 施工機(jī)械侵入荷載下埋地管道力學(xué)機(jī)理及防護(hù)研究方案Tab.1 Mechanical mechanism and protection research scheme of buried pipes under intrusive load of construction machinery

2.1 筋材長(zhǎng)度對(duì)加筋防護(hù)效果的影響

這里采用單層筋材防護(hù)模式，選取管道埋深H/D=2、筋材埋深u/D=1.0，對(duì)比筋材長(zhǎng)度L/D分別為2、3和4時(shí)的加筋效果，結(jié)果如圖5所示。

(a) P Vs Hb/D

(b) Pr/Pu Vs Hb/D圖5 不同筋材長(zhǎng)度下侵入荷載隨侵入深度的變化Fig.5 Variation of the intrusive load with intrusive depth under different length of reinforcements

圖5(a)給出了加筋前、后侵入荷載P隨侵入深度Hb的變化曲線；為便于對(duì)比，圖5(b)對(duì)應(yīng)給出了加筋后與加筋前侵入荷載之比Pr/Pu與Hb/D的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著侵入深度Hb/D的增加，侵入荷載P逐漸增大；Pr/Pu整體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且在Hb=u附近達(dá)到極值；當(dāng)侵入深度Hb/D相同時(shí)，筋材越長(zhǎng)，Pr/Pu越大。取Hb=15 cm(約1.4D)時(shí)分析，L/D由2增加至3時(shí)，Pr/Pu(或Pr)增加了3.74%，L/D由3增加至4時(shí)，Pr/Pu(或Pr)增加了9.01%，表明隨著筋材長(zhǎng)度L/D的增加，達(dá)到相同深度侵入荷載不斷增加，加筋防護(hù)效果越好。

究其原因：試驗(yàn)中侵入體貫入時(shí)主要受到土體摩擦阻力f和筋材阻礙力Fr的作用，即P=f+Fr。隨著侵入深度Hb增加，f和Fr的總作用持續(xù)增大，使得侵入荷載P單調(diào)遞增。其中，當(dāng)侵入深度較小，如Hb<0.8D時(shí)，由于淺層土體自重小，強(qiáng)度低，且此時(shí)侵入體距離加筋區(qū)較遠(yuǎn)，因此f和Fr均較小，使得侵入時(shí)荷載P很小，加筋效果不明顯，Pr/Pu接近1；當(dāng)0.8D≤Hb≤u=D時(shí)，侵入體逐漸接近并達(dá)到筋材所在位置，筋材作用也越來(lái)越顯著，而筋材對(duì)侵入體的抵抗作用主要由筋材在土體間的抗拉拔阻力提供，現(xiàn)有研究表明[16]，砂土中格柵法向應(yīng)力越小，拉拔阻力達(dá)到峰值時(shí)的所對(duì)應(yīng)的拉拔位移越小，由于本文試驗(yàn)中格柵只受到覆土較小的壓力作用，因此筋材一旦與土體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)其拉拔力已基本達(dá)到最大值，從而使得筋材的作用在Hb=u附近發(fā)揮至極致，Pr/Pu出現(xiàn)峰值；當(dāng)Hb>u時(shí)，由圖6可知，筋材未發(fā)生斷裂破壞，其與土體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)然后隨著侵入體一起向下運(yùn)動(dòng)，但在此過(guò)程中由于加筋作用趨于穩(wěn)定，Pr增長(zhǎng)速率降低，導(dǎo)致Pr/Pu值減小。另外，隨著筋材長(zhǎng)度L/D的增加，筋材與土體的相互作用面增大，其二者間摩擦和嵌咬作用增強(qiáng)，故加筋效果越來(lái)越好。

圖6 加載后的格柵變形Fig.6 Deformation of geogrid after loading

2.2 筋材埋深對(duì)加筋防護(hù)效果的影響

針對(duì)單層筋材加筋，選取管道埋深H/D=2、筋材長(zhǎng)度L/D=4，對(duì)比筋材埋深u/D分別為0.5、1.0和1.5時(shí)的加筋效果。圖7給出了不同筋材埋深下P-Hb/D和Pr/Pu-Hb/D關(guān)系曲線。由圖可知，不同筋材埋深u/D對(duì)應(yīng)的侵入荷載P均持續(xù)增長(zhǎng)，但P-Hb/D曲線的拐點(diǎn)位置和變化幅度有所不同；此外，當(dāng)Hb均為15 cm(約1.4D)時(shí)，u/D由0.5增加至1.0，Pr增加了11.8%，而u/D由1.0增加至1.5，Pr減小了23.5%。

(a) P Vs Hb/D

(b) Pr/Pu Vs Hb/D圖7 不同筋材埋深下侵入荷載隨侵入深度的變化

Fig.7 Variation of the intrusive load with intrusive depth under different depths of reinforcements

究其原因，當(dāng)u/D=0.5時(shí)，由于筋材埋深小，筋材對(duì)侵入體阻礙作用力Fr在侵入深度Hb較小時(shí)便有了明顯的體現(xiàn)，所以P-Hb/D曲線較早出現(xiàn)拐點(diǎn)，但筋材上覆土層厚度過(guò)薄導(dǎo)致筋材與土體間的相互作用(摩擦和嵌咬作用)較弱，因此加載后期P和Pr/Pu值相對(duì)較小；當(dāng)u/D=1.0時(shí)，筋材埋深增大，且筋土間相互作用增強(qiáng)，使得筋材對(duì)侵入體的阻擋作用顯著提高；當(dāng)u/D=1.5時(shí)，由筋材埋深過(guò)大，侵入體始終未到達(dá)筋材所在位置，筋材沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生直接的阻擋，加筋作用未能充分發(fā)揮，從而造成其加筋效果與u/D=1.0時(shí)比略顯遜色。

2.3 筋材間距對(duì)加筋防護(hù)效果的影響

在多層筋材防護(hù)模式基礎(chǔ)上，選取管道埋深H=2D、筋材長(zhǎng)度L=4D和筋材層數(shù)n=2，首層筋材埋深u/D=0.5，對(duì)比筋材間距s/D分別為0.5和1.0時(shí)的加筋防護(hù)效果。

圖8給出了不同筋材間距下的P-Hb/D和Pr/Pu-Hb/D關(guān)系曲線。由圖可知，增加筋材層數(shù)可明顯提高侵入荷載，且侵入深度Hb/D相等時(shí)，筋材間距s/D=0.5時(shí)的Pr和Pr/Pu值均比s/D=1.0時(shí)大。其中，當(dāng)s/D=0.5時(shí)，Pr/Pu整體上為先增大后減小的變化趨勢(shì)，其最大值(Pr/Pu)max位于2層筋材的中間位置附近(即Hb=u+s/2處附近)；當(dāng)s/D=1.0時(shí)，Pr/Pu隨Hb/D的增加波動(dòng)較大，其最大值(Pr/Pu)max出現(xiàn)在靠近底層筋材處。

(a) P Vs Hb/D

(b) Pr/Pu Vs Hb/D圖8 不同筋材間距下侵入荷載隨侵入深度的變化

Fig.8 Variation of the intrusive load with intrusive depth under different spacing of reinforcements

其原因在于：當(dāng)s/D=0.5時(shí)，筋材間距較小，筋材對(duì)土體的側(cè)向約束作用較強(qiáng)，且侵入過(guò)程中侵入體與上層筋材接觸作用不久后又受到下層筋材的約束，上下層筋材協(xié)同作用良好，使侵入荷載得到很好地?cái)U(kuò)散，因此加筋效果顯著；而當(dāng)s/D=1.0時(shí)，侵入體最終侵入深度未抵達(dá)下一層筋材，因此下層筋材作用未能有效發(fā)揮，使得其整體加筋效果要比s/D=0.5時(shí)稍差。結(jié)合圖7對(duì)比分析可知，同等條件下，筋材層數(shù)越多，P和Pr/Pu值越大，表明增加筋材層數(shù)可使加筋效果更顯著。

2.4 管道徑向變形

在管道埋深H/D=2和筋材長(zhǎng)度L/D=4的前提下，根據(jù)圖3中所示的不同加筋模式選取以下4種工況：

(1)n=0；

(2)n=1，u/D=0.5；

(3)n=2，u/D=0.5，s/D=0.5；

(4)n=2，u/D=0.5，s/D=1.0。

對(duì)比分析鋼板侵入體貫入時(shí)侵入荷載P與管道徑向變形比U/D(即管道徑向變形U與管道外徑D之比)的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 不同加筋模式下的管道徑向變形比Fig.9 Radial deformation ratio of pipes under different reinforcement modes

由圖可知，隨著Hb/D的增大，侵入荷載P和管道變形比U/D顯著增加，其中管道水平方向徑向擴(kuò)張，垂直方向徑向收縮，由于左右兩側(cè)受到土體約束，管道水平徑向變形比Uh/D始終小于垂直徑向變形比Uv/D；當(dāng)侵入荷載相同時(shí)(如P=15和30 kN/m)，筋材層數(shù)越多，管道變形比越小，表明增加筋材層數(shù)可以有效提高土體強(qiáng)度，在管道上方形成保護(hù)層，但隨著侵入荷載的持續(xù)增加，荷載作用效果越來(lái)越大，管道變形逐漸達(dá)到規(guī)范限值5%D[15-16]。

2.5 管周環(huán)向應(yīng)變

基于H/D=2、L/D=4、u/D=0.5和s/D=0.5，對(duì)比筋材層數(shù)分別為n=0、1和2時(shí)管道應(yīng)變的變化和分布規(guī)律。圖10給出了試驗(yàn)過(guò)程中侵入深度Hb/D分

(a) Hb/D=0.6

(b) Hb/D=0.8

(c) Hb/D=1.0

(d) Hb/D=1.2圖10 加載過(guò)程中不同加筋層數(shù)下的管周環(huán)向應(yīng)變Fig.10 Circumferential strains of pipes under different layers of reinforcement during loading

別為0.6、0.8、1.0和1.2時(shí)不同加筋層數(shù)下的管周環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽取Ｓ蓤D可知，隨著鋼板侵入深度Hb的增加，管周各點(diǎn)的應(yīng)變?cè)絹?lái)越顯著；且在相同的侵入深度Hb下，管周應(yīng)變隨著加筋層數(shù)n的增加而增大。其主要原因是：筋材層數(shù)越多，加筋層間土體的強(qiáng)度越高，同時(shí)其傳遞荷載的性能越好，達(dá)到相同侵入深度所需施加荷載明顯增加。因此，加筋層對(duì)管道產(chǎn)生的荷載作用效果也就越顯著。

另外，觀察管道環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽鹊姆植夹问娇梢园l(fā)現(xiàn)，由于侵入體貫入時(shí)將土體向兩側(cè)擠壓，造成管道兩肩附近(30°～90°、270°～330°)受到的壓力顯著，因此該范圍內(nèi)應(yīng)變值小于0，為受壓，而在管頂(0°)和管底附近(135°～225°)的應(yīng)變值大于0，為受拉。

3 結(jié) 論

(1) 機(jī)械侵入荷載作用下，采用土工格柵加筋防護(hù)埋地管道效果顯著，其中在侵入體與格柵接觸初期，即Hb=u時(shí)，加筋效果最為突出，隨后筋材在土體間發(fā)生滑動(dòng)，加筋效果減弱。

(2) 同等條件下，Hb=15 cm(約1.4D)時(shí)，L/D由3增至4，P增加了9.01%；u/D由0.5增至1.0，P增加了11.8%，表明增加筋材長(zhǎng)度或埋深后侵入荷載明顯增加，加筋效果更為顯著；筋材間距較小時(shí)，上下層筋材協(xié)同抵抗侵入荷載的作用良好，加筋效果明顯。埋地管道的徑向變形隨侵入荷載的增加而增大，且垂直方向徑向變形始終大于水平方向；同級(jí)荷載作用下，增多加筋層數(shù)，管道徑向變形顯著減少。

(3) 侵入體從埋地管道正上方貫入時(shí)其兩側(cè)擠土效應(yīng)顯著，管道應(yīng)變隨侵入深度的增加而增大，其分布規(guī)律為管道兩肩附近(30°～90°、270°～330°)受壓，管頂(0°)和管底附近(135°～225°)受拉。