考慮土結(jié)相互作用的逆斷層作用下埋地管道性能離心機(jī)試驗(yàn)①

E-mail：tangap@hit.edu.cn。

湯愛平1,2,3， 王連發(fā)1,3， 武百超1，4， 麥克·諾金5

(1.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090； 3.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；

4.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080； 5.倫斯勒理工大學(xué)土木工程系，美國 特洛伊 12180)

摘要：埋地管道地震作用下的破壞因素源于地震引起的永久地面變形(PGD)，其中管道-土體間相互作用決定土體位移作用到管體的大小。利用離心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)模擬埋地管道在逆斷層大位移下的反應(yīng)特性，重點(diǎn)討論斷層與管道的交角、斷層位移大小、管土相互作用、管徑和埋深五個(gè)參數(shù)對管道破壞的影響水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上述參數(shù)對管道斷層作用的反應(yīng)均有明顯影響，其中斷層的位移量、管土相互作用、埋深和管徑的影響更為顯著。本文的研究結(jié)果對于管道經(jīng)過斷層區(qū)的抗震設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：離心模型試驗(yàn)； 管土相互作用； 埋地管道； 抗震設(shè)計(jì)； 逆斷層

收稿日期：①2014-08-20

基金項(xiàng)目：黑龍江大學(xué)高層次人才支持計(jì)劃(HDTD2010-13)；科技部國家十一五支撐計(jì)劃(2006BAJ03B03-02)

作者簡介：湯愛平(1968-)，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事生命線地震工程、土動(dòng)力和工程地質(zhì)等方面的教學(xué)和科研。

中圖分類號:TU43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0639

Centrifuge Model Test on a Buried Pipeline Crossing

Reverse Fault Considering Soil-structure Interactions

TANG Ai-ping1, 2,3, WANG Lian-fa1,3, WU Bai-chao1, 4, M. J. O’Rourke5

(1.KeyLaboratoryofStructuresDynamicBehaviorandControl(HarbinInstituteofTechnology,

MinistryofEducation,Harbin150090,Heilongjiang，China;

2.SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080,Heilongjiang，China;

3.SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,Heilongjiang,China;

4.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,Heilongjiang,China;

5.DepartmentofCivilEngineering,RensselaerPolytechnicInstitute,Troy,NY12180,USA)

Abstract：Buried pipeline systems are usually referred to as lifeline systems due to their support of human daily life and economic development, energy-transportation and water-transmission. The primary hazard for buried pipelines during earthquake events is permanent ground deformation (PGD). However, an important factor to control the response of the buried pipeline to PGD is the interaction between the soil and the pipeline. In this study, a centrifuge model test was conducted to investigate the effect of PGD on a pipeline. The normal pressure of the interface between pipeline and soil was measured using the smart tactile pressure sensor system, and other important parameters such as PGD, strain rate, pipeline diameter, the orientation of the pipeline and soil types were also tested to determine the influence on soil-pipeline interactions. All of the PGD, pipeline-PGD orientations, pipeline diameters, and soil types were key factors affecting the interaction between soil and pipeline. The results of this research could be used in the aseismic design of pipelines passing through the PGD.

Key words： centrifuge model test; soil-pipeline interaction; buried pipeline; aseismic design; reverse fault

0引言

地震中的永久地面變形(permanent ground deformation,PGD)是埋地管道遭受破壞的最主要因素之一，這些PGD一般是由斷層作用、砂土液化、振陷、邊坡失穩(wěn)、地裂縫等因素引起。根據(jù)歷年來的地震管道系統(tǒng)的震害調(diào)查結(jié)果，發(fā)生了PGD地區(qū)的管道破壞概率為98%以上，多為管身的撕裂、屈曲，接頭的壓潰和拉裂等。舊金山地震(1906年)和圣費(fèi)爾南多地震(1971年)中，大量埋地管道遭受直接破壞的根本原因是圣安德烈斯斷層系統(tǒng)活動(dòng)和土體邊坡失穩(wěn)[1]。1976年唐山地震中，供水管道系統(tǒng)的高破壞率也集中在斷層活動(dòng)帶兩側(cè)和地面的大位移區(qū)域[2]。臺灣集集地震(1999年)中的大量管道破壞歸因于車籠埔斷裂的大位移及其次級斷裂帶[3]。1999年土耳其伊茲米特地震中，一條2.2 m直徑的鋼管在安納托利亞斷層3 m的位移作用下直接破壞[4]。我國昆侖山地震(2001年)中，輸氣、輸油鋼管由于斷層的大位移發(fā)生了撕裂和壓扁破壞[5]。汶川地震(2008年)中斜坡區(qū)的失穩(wěn)和崩塌導(dǎo)致了跨龍門山斷層帶上的供水管、油氣管也多處遭到拉、壓和剪切破壞。PGD作用下管道破壞的基本特征為管身壓扁、撕裂、拉開、大尺度的彎曲，管道接頭壓潰、拉開、扭轉(zhuǎn)撕裂等，并常常呈現(xiàn)出張拉-彎曲、壓縮-彎曲、扭轉(zhuǎn)等受力狀態(tài)。由于PGD對埋地管道的巨大危險(xiǎn)性，其破損機(jī)制為科學(xué)研究和工程實(shí)踐所重視。綜合地震震害調(diào)查、現(xiàn)代大型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等技術(shù)的研究手段是當(dāng)今埋地管道PGD作用下破壞機(jī)理研究的發(fā)展趨勢。針對埋地管道在PGD作用下，尤其是在地震斷層作用下的破壞，一些學(xué)者提出了相應(yīng)的分析模型，如國際上通用的紐馬克-豪爾模型(Newmark-Hall)、肯尼迪(Kennedy) 模型、王汝墚-葉何(Leon-Ru.L.Wang-Yeh)、麥克·諾金(O’Rourke)、高田至郎(S.Takada)模型、卡里米丘斯( D.K.Karamitros)模型等；我國學(xué)者也針對不同的PGD類型提出了一些先進(jìn)的模型，如侯忠良-甘文水模型、梁建文殼模型、馮啟民的梁-殼模型等。一些大型的足試驗(yàn)?zāi)M也在近10年得以發(fā)展，如康奈爾大學(xué)-倫斯勒大學(xué)大型剪切足尺試驗(yàn)、麥克·諾金等指導(dǎo)的倫斯勒大學(xué)離心機(jī)試驗(yàn)、馮啟民指導(dǎo)的中國地震局工程力學(xué)所埋地管道斷層破壞試驗(yàn)、李鴻晶指導(dǎo)的南京理工大學(xué)埋地管道試驗(yàn)、李杰指導(dǎo)的同濟(jì)大學(xué)埋地管道非一致激勵(lì)和斷層作用反應(yīng)機(jī)制、杜修力指導(dǎo)的北京工業(yè)大學(xué)埋地管道非一致激勵(lì)多臺振動(dòng)臺試驗(yàn)等。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，選取逆斷層作用下管道的動(dòng)力反應(yīng)為研究對象，利用離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M埋地管道的反應(yīng)機(jī)制，重點(diǎn)揭示逆斷層作用下埋地管道的反應(yīng)規(guī)律，考慮土結(jié)相互作用，研究土體變形轉(zhuǎn)移到管道系統(tǒng)上去的傳遞機(jī)制和計(jì)算方法，以期為埋地管道系統(tǒng)經(jīng)過斷層區(qū)的合理抗震設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1埋地管道離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)工作是在倫斯勒理工大學(xué)150 g-t的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。該離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心至工作吊籃平臺的平臺直徑為3 m，有效旋轉(zhuǎn)半徑為2.7 m；吊籃有效容積為1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大載重1.5 t,最大加速度160 g(圖1)。離心機(jī)配備有一個(gè)光纖旋轉(zhuǎn)接頭、水力旋轉(zhuǎn)接頭，28個(gè)滑動(dòng)環(huán)和一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)。模擬逆斷層的模型箱采用PVL技術(shù)公司(PVL Technologies Inc.)生產(chǎn)的雙盒剪切箱(圖1)，尺寸為1 140 mm×760 mm×200 mm，空重約222 kg。該剪切箱主要用于埋地管道系統(tǒng)地震作用下的反應(yīng)規(guī)律方面的研究，可以模擬斷層的水平和垂直運(yùn)動(dòng)，最大水平位移為±40 mm，最大垂直方向位移為40 mm。剪切箱的位移控制系統(tǒng)由PVL公司開發(fā)。離心機(jī)試驗(yàn)的模型相似率如表1所列。

圖1　離心機(jī)和試驗(yàn)箱 Fig.1　Centrifuge model and test chamber

參數(shù)單位相似率參數(shù)單位相似率加速度m/s2n力kg·m/s21/n2長度m1/n彎矩kg·m2/s21/n3面積m21/n2時(shí)間(動(dòng)力作用)s1/n體積m31/n3時(shí)間(固結(jié)與擴(kuò)散)s1/n2應(yīng)力kg/(m·s2)1時(shí)間(滲透)s1應(yīng)變-1孔隙流體速度m/sn質(zhì)量kg1/n3速度(動(dòng)力)m/s1密度kg/m31頻率1/sn

為與康奈爾大學(xué)的大型管道原位試驗(yàn)結(jié)果對比，本次試驗(yàn)?zāi)M直徑為407.5 mm(外徑)、壁厚為24.0 mm的高密度聚乙烯連續(xù)管道(HDPE)在大角度逆沖斷層作用下的反應(yīng)。參考Da.H[5]的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)也采用12.2g的離心加速度。土層分層壓實(shí)，厚度為200 mm, 管道埋深為92 mm。試驗(yàn)開始前，進(jìn)行剪切箱的動(dòng)力性能測試。管道的變形采用應(yīng)變傳感器，分別粘貼在管道的上方、下方和中線的兩個(gè)側(cè)邊。用智能型觸覺壓力傳感系統(tǒng)測量土管道間的相互作用力，傳感器包裹整個(gè)管道。應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用由Bloomy公司開發(fā)的PXI系統(tǒng)。接觸壓力網(wǎng)片傳感器的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用I-Scan軟件系統(tǒng)。逆斷層的位移率為0.32～60 m/min，最大位移為98 mm, 模擬實(shí)際的斷層位移1.2 m。逆沖斷層面傾角分別為63.5°和85°。

2試驗(yàn)方案

2.1管道和土的特性

試驗(yàn)采用的埋地管道為直徑33.4 mm(外徑)、壁厚1.96 mm的高密度聚乙烯連續(xù)管道(HDPE)。已有試驗(yàn)表明，管道的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)變的速率有密切關(guān)系，因此在離心機(jī)試驗(yàn)前，利用剪切箱進(jìn)行了管道非軸向的張拉試驗(yàn)，以確定無土體作用下管道在不同應(yīng)變速率作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖2)。

圖2　 不同應(yīng)變速率下管道的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 Fig.2　Stress-strain relation of pipeline at different strain rate

從圖2可以看出，應(yīng)變速率對管道的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響非常顯著。

填土采用平均粒徑為0.29 mm的中砂，干重度為14.7 kN/m3，內(nèi)摩擦角為40°,分別采用含水量為0和4%的砂樣，不均勻系數(shù)為1.55，曲率系數(shù)1.0。由于砂的含水量對管土間的相互作用有較大影響，因此本試驗(yàn)中采用了含水量為0%和4%的兩種土樣。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)主要研究逆斷層作用下離斷層面不同位置處的管道軸向應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律，考慮管-土相互作用下管道應(yīng)力的變化特性和不同斷層位移作用下管道的變形特征。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：

(1) 在斷層面上有明顯的管道應(yīng)變幅值，且隨管道離斷層面距離的增大而迅速減小，但在斷層的上盤大概1.5 m處應(yīng)變有一個(gè)突變，達(dá)到了4.5%。斷層位移愈大，管道的應(yīng)變愈大。管道應(yīng)變隨離斷層面距離的變化規(guī)律相似(圖3(a))。

(2) 管道彎曲應(yīng)變在斷層傾角為85°時(shí)，以斷層面為對稱軸，管道在斷層兩側(cè)的應(yīng)變呈近似的對稱(圖3(b))，但在斷層傾角為30°時(shí)上盤的應(yīng)變明顯大于下盤。

圖3　管道逆斷層作用下的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Fig.3　Results of buried pipeline under reserve fault 　　　 based on centrifuge test

(3) 在模擬實(shí)際的1.2 m斷層位移作用下，管道出現(xiàn)壓扁現(xiàn)象，這與實(shí)際觀察到的均于管道破壞現(xiàn)象很相似。在0.4～1.2 m的斷層位移作用下，在離斷層面兩側(cè)1.7～1.9 m范圍內(nèi)管道有明顯的起拱、脫離土體束縛現(xiàn)象，這與斷層為正斷層、走滑斷層對管道的作用有明顯不同。

(4) 管土相互作用的大小與斷層的位移大小、施加斷層位移的速率大小有明顯相關(guān)性。斷層位移速率加快一倍，則管土相互作用力增加9%。在離開斷層面1.5～7 m區(qū)域，大斷層位移速率作用下的管土相互作用力明顯大于低速率斷層位移的作用。斷層位移愈大，管土間相互作用效應(yīng)愈明顯(圖3(c))。表明數(shù)值分析時(shí)，斷層作用下在斷層面附近(至少±7 m)應(yīng)該考慮管土相互作用效應(yīng)。

4結(jié)論與建議

本文通過開展離心模型試驗(yàn)，初步探討利用離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M逆斷層作用下埋地管道的反應(yīng)規(guī)律，取得初步的認(rèn)識。將大量管道實(shí)際震害和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，結(jié)果表明離心機(jī)實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以合理模擬管道在逆斷層作用下的破壞機(jī)制。通過與康奈爾大學(xué)的原位實(shí)驗(yàn)相比較，兩者的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象大致相似[5]，但也出現(xiàn)了一些差異，比如在斷層面上管道的應(yīng)變普遍偏小約1%～2%，離開斷層面一定位置上管道的應(yīng)變反而偏大，具體的原因還需要進(jìn)一步的分析。

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