王云翔，陳艷華,2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山063210)

引言

進入二十一世紀以來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，天然氣作為一種清潔能源，是現(xiàn)階段我國建設(shè)清潔低碳，安全高效能源體系的重要一環(huán)，其需求與日俱增。隨著城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)的不斷升級，燃氣普及率在個別一線城市可以達到99%，中小城市可以達到60%，自2019年各地出臺天然氣進村惠農(nóng)政策，天然氣的使用以及普及率再創(chuàng)新高。

對于天然氣而言，管道是其主要的運輸方式。當(dāng)天然氣管道敷設(shè)在地下時，受人為因素影響小、運輸安全可靠、耗能少、成本低且不占用地面空間，但是受土壤液化、地基斷層等場地變形的影響較大，管道敷設(shè)路段一旦發(fā)生較大場地變形，管道破損將會造成不可估量的經(jīng)濟損失。因此，對于場地變形下城鎮(zhèn)地下敷設(shè)的天然氣管道的力學(xué)性能研究尤為重要。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對地下敷設(shè)管道做了一系列的研究，從理論研究、數(shù)值模擬、試驗研究這3個方面分析了場地變形下埋地管道的力學(xué)性能。在地下管道模型試驗研究方面，日本學(xué)者高田至郎[1]率先設(shè)計了基于沙箱的振動臺試驗?zāi)Ｐ?，對土壤液化下的聚氯乙烯管道進行了分析，討論了管道應(yīng)力分布和位移反應(yīng)等，推動了場地變形下埋地管道的研究。馮啟民等[2]通過靜力和動力加載試驗，測量了加載過程中管道的應(yīng)變和位移，以及管道相對變形最大值出現(xiàn)的位置，取得了理想的試驗數(shù)據(jù)以及結(jié)論。Hayakawa S[3]采用兩段箱體模擬斷層運動，設(shè)計模擬了滑動斷層和逆斷層作用下的地下管道試驗，研究了管道埋深、管徑、跨越角和剪切波速等因素對管道的影響，得出管道最大彎曲應(yīng)力隨埋深、管徑和跨越角的增大而增大，并且淺埋有助于減小管道橫向彎曲破壞的概率。部分研究者[4-6]設(shè)計了離心機加載試驗，對兩箱體試驗?zāi)Ｐ瓦M行加載，模擬了正斷層和走滑斷層，得到了斷層作用下管土相互作用下力和變形之間的p-y關(guān)系曲線。張志超等[7]針對跨斷層地下管線進行了振動臺模型試驗研究，對地下管線承受斷層錯動時應(yīng)變的分布規(guī)律及管周動土壓力進行了分析，試驗得出在跨斷層地下管道中，管土系統(tǒng)本身動力效應(yīng)影響較小，可忽略不計。文獻[8]采用全尺寸試驗對逆斷層作用下管道力學(xué)響應(yīng)進行了分析，分析了水平和垂直偏移、埋深、徑厚比以及交叉角等因素對管道抗震行為的影響。文獻[9]研究了埋地充液管道不同接口在走滑斷層下的力學(xué)性能，結(jié)果表明在走滑斷層作用下埋地管道接口應(yīng)該使用焊接連接，不適合法蘭連接；并且埋地管道接口不應(yīng)設(shè)置在斷層附近。Rofooei FR[10]通過管道-砂土橫向相互作用試驗，研究了砂土密實度、深徑比等因素對土體抗力的影響，探討了不同埋深下管道與土體相互作用的規(guī)律。這些試驗大多針對空管或者輸液管道進行研究，對于穿越走滑斷層的輸氣管道研究較少。因此，該試驗著重研究城鎮(zhèn)埋地天然氣管道在走滑穿層作用下的力學(xué)性能，選取管內(nèi)介質(zhì)壓力、輸氣管道與斷層面夾角為變量對管道的力學(xué)性能進行分析。為減少城鎮(zhèn)輸氣管道的破壞，確定走滑斷層變形下天然氣管道最薄弱位置以及發(fā)生斷層時管道的動態(tài)破壞過程，為埋地天然氣管網(wǎng)的設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)，并為埋地天然氣管網(wǎng)數(shù)值模擬提供參考。

1試驗概況

1.1 試驗裝置

考慮走滑斷層附近土體與管道的相互作用，改進前期自主研發(fā)的用于模擬走滑斷層和不均勻沉降試驗的三箱體試驗裝置，使其更加符合試驗研究情況。裝置如圖1所示，左側(cè)兩箱體為固定區(qū)，右側(cè)帶滑輪箱體為錯動區(qū)；箱體高為1 m，其中箱內(nèi)土體總高為0.8 m，箱體寬為0.8 m，總長為4 m(其中)固定區(qū)為2.7 m、錯動區(qū)為1.3 m，斷層位于固定區(qū)與錯動區(qū)銜接處。

圖1 試驗裝置示意圖

根據(jù)張志超[7]提出的相似比，試驗采用42*3.5 mm的無縫鋼管，屈服強度為282.5 MPa、抗拉強度為365.4 MPa，彈性模量為201 GPa，管長為4.6 m，其中箱體內(nèi)管長4 m，箱體兩側(cè)各為0.3 m。由于試驗條件限制以及出于安全考慮，試驗中采用壓縮空氣來代替天然氣，利用空氣壓縮機將空氣加壓到所需壓力后充入管內(nèi)以模擬管道內(nèi)部不同壓強。管道一側(cè)連接壓力表，用來觀測管內(nèi)實時壓力。管道埋深設(shè)計為0.5 m，土體選用唐山市附近一施工基坑中挖掘出的土體，經(jīng)過觀測土體為砂質(zhì)粘土，用環(huán)刀法測得土體濕密度為2 030 kg/m3，干密度為1 760 kg/m3。再通過三軸壓縮試驗及相關(guān)試驗測得土體內(nèi)摩擦角為φ=7.8°、泊松比為μ=0.38、彈性模量為0.008 GPa、內(nèi)聚力c=35.5 kPa。為使試驗所用土樣具有足夠的密實度，覆土10 cm夯實一次并且在夯實后采用環(huán)刀法觀測土體密實度，達到預(yù)定密實度后繼續(xù)下一層的填壓。

1.2 試驗方案

共設(shè)計5組工況來研究埋地天然氣管道在穿越走滑斷層時的力學(xué)性能。具體如表1所示：

表1 試驗設(shè)計方案

工況1、2、3管內(nèi)壓力分別為0.1 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa，根據(jù)試驗設(shè)計方案完成這3組試驗，研究走滑斷層作用下管內(nèi)不同壓力對天然氣管道力學(xué)性能的影響。

工況3、4、5管道與斷層面交角分別為90°、86°、81°，根據(jù)試驗設(shè)計方案完成這3組試驗，研究走滑斷層作用下斷層面交角對天然氣管道力學(xué)性能的影響。

1.3 試驗加載及數(shù)據(jù)測量

根據(jù)張志超[7]試驗得出，地震加速度對于埋地管道的力學(xué)性能影響并不大，故采用靜力加載，即用機械千斤頂對錯動區(qū)箱體施加勻速位移荷載，所用機械千斤頂位移極限為150 mm，為使試驗結(jié)果更加準確，以防特殊原因?qū)е虑Ы镯斘茨苓_到極限位移，故設(shè)計錯動區(qū)最大位移為130 mm。根據(jù)試驗室實際情況，加載速率確定為1 mm/s。為使得試驗加載過程中錯動區(qū)箱體能夠平緩地向前移動，在錯動區(qū)箱體后側(cè)加裝一根承力梁，機械千斤頂將作用于承力梁的中部并將位移荷載傳遞到錯動區(qū)箱體。

以往研究表明在管線的正常運行中，地下管線的軸向變形往往占據(jù)主導(dǎo)地位，因此試驗中主要測量沿管軸方向的軸向拉壓應(yīng)變。應(yīng)變片采用箔式電阻應(yīng)變片，粘貼于管道兩側(cè)各主要測點處。每組試驗選取10個測點，從右往左依次為測點1～10，測點沿斷層面對稱分布且同一側(cè)點前后側(cè)各布設(shè)1個應(yīng)變片，共布設(shè)20個應(yīng)變片，具體應(yīng)變片布置方式見圖2(圖中標注單位為mm)。

圖2 應(yīng)變片布置圖

試驗開始后，當(dāng)箱體錯動位移達到10 mm時停止加載并對采集數(shù)據(jù)進行保存，并對各個測定處應(yīng)變數(shù)據(jù)進行校對。若數(shù)據(jù)存在問題，則及時找到問題的根源并解決；若數(shù)據(jù)無較大出入，則對錯動區(qū)箱體繼續(xù)加載，當(dāng)加載至預(yù)定最大位移量后停止加載并再次保存數(shù)據(jù)。

2試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

千斤頂在開始加載后，錯動區(qū)箱體勻速向前移動。箱體錯動位移達到5 mm之前土體沒有明顯的變化，當(dāng)錯動位移超過5 mm之后，斷層面附近土體開始產(chǎn)生錯動，土體被剪切成為兩部分，且隨著錯距的增大土體被剪切的越明顯。斷層面上方土體被擠壓拱起，遠離斷層面的土體沒有明顯變化。土體中管道跟隨土體一起運動并發(fā)生變形，且管道變形沿斷層面呈中心對稱。管道從試驗前的一字型變形為最終的Z字型，觀察發(fā)現(xiàn)管道最大變形發(fā)生在距離斷層面400 mm處，大約為10倍管徑處。圖3為管道前側(cè)應(yīng)變沿管軸變化情況，最大應(yīng)變出現(xiàn)在測點3與測點8處，這與管道最大變形出現(xiàn)在10倍管徑相對應(yīng)。5組試驗中，錯動位移量都沒有達到管道受力極限，因此管道沒有發(fā)生破壞。試驗后斷層面附近土體變化如圖4所示。

圖3 管道前側(cè)應(yīng)變沿管軸變化 圖4 斷層面附近土體變化

2.2 管內(nèi)氣壓對埋地天然氣管道的影響

圖5為工況1時，不同斷層錯距下管道前后側(cè)各測點軸向應(yīng)變變化幅值。從圖5中可以看出，管道在穿越走滑斷層時，錯動區(qū)管道前側(cè)為拉應(yīng)變、后側(cè)為壓應(yīng)變，說明此時錯動區(qū)管道前側(cè)受拉、后側(cè)受壓；而固定區(qū)管道前后側(cè)應(yīng)變幅值與錯動區(qū)管道應(yīng)變符號相反，大小相近。并且當(dāng)斷層錯距小于60 mm時，管道前后側(cè)各測點應(yīng)變變化緩慢，分析可知這是由于斷層錯距較小時管周土體和管道作為一個整體發(fā)揮作用，管道在土體中既承受管周土體的重力荷載而發(fā)生變形同時管周土體的彈性抗力又約束管道發(fā)生變形，從而增強管道強度和剛度。當(dāng)斷層錯距超過60 mm后，測點3和測點8處應(yīng)變迅速增大，其他測點應(yīng)變增長速率較之前沒有較大變化。分析可知，當(dāng)斷層錯距達到一定距離后，管道周圍覆土已經(jīng)達到最大荷載而屈服，管道失去管周覆土的彈性抗力作用，因而應(yīng)變值顯著增大。當(dāng)斷層錯距達到120 mm時錯動區(qū)管道前后側(cè)最大微應(yīng)變均為5 295.9，已經(jīng)達到箔式電阻應(yīng)變片最大應(yīng)變限值；而固定區(qū)管道前側(cè)最大微應(yīng)變?yōu)? 140.36，后側(cè)最大微應(yīng)變?yōu)? 087.41，也已接近應(yīng)變片最大應(yīng)變限值。

圖5 工況1時沿管軸應(yīng)變幅值

圖6為斷層錯距達到最大值120 mm時,不同內(nèi)壓工況下管道前后側(cè)軸向應(yīng)變沿管軸的分布。從圖6中可以看出斷層錯距達到最大值時，管內(nèi)壓強為0.4 MPa和0.6 MPa的管道應(yīng)變沿管軸分布趨勢與管內(nèi)壓強為0.1 MPa時相比較，沒有大的差異。都是錯動區(qū)前側(cè)受拉后側(cè)受壓，固定區(qū)前側(cè)受壓后側(cè)受拉。但是從圖6中可以看出，隨著管內(nèi)壓強的增大，管道各測點應(yīng)變值都普遍減小，其中測點3和測點8處最為明顯；管內(nèi)壓強為0.1 MPa時，測點3處前側(cè)微應(yīng)變?yōu)? 832.47；管內(nèi)壓強為0.4 MPa時，測點3處前側(cè)微應(yīng)變值為3 858.28，相對于0.1 MPa時應(yīng)變減小了20.2%；管內(nèi)壓強為0.6 MPa時，測點3處前側(cè)微應(yīng)變?yōu)? 289.36，相對于0.1 MPa時應(yīng)變減小了31.9%，相對于0.4 MPa時應(yīng)變減小了14.7%。說明了對于埋地天然氣不銹鋼管道而言，管內(nèi)氣體壓力能夠在一定程度上增強管道的力學(xué)性能，并且在一定程度上可以減緩管道出現(xiàn)應(yīng)變集中。并且觀察測點2處可以看出，0.4 MPa和0.6 MPa內(nèi)壓時應(yīng)變大于0.1 MPa時的應(yīng)變，通過分析可知，這是由于測點3處于錯動區(qū)中，管內(nèi)氣體壓力、管道以及管周土體共同作用使得測點3處管道性能增強，而測點2處受測點3處的影響，應(yīng)變增大。

圖6 最大錯距應(yīng)變沿管軸變化幅值 圖7 測點3處應(yīng)變沿錯距變化幅值

圖7為不測點3在不同內(nèi)壓工況下前后側(cè)隨斷層錯距的應(yīng)變變化趨勢，從圖7中可以看到，隨著斷層錯距的增加，管道前后側(cè)應(yīng)變都緩慢增大，并且在錯距達到70 mm之前應(yīng)變大小及增長速率都相差不大。但是在錯距達到70 mm過后，壓強為0.1 MPa的內(nèi)壓管道應(yīng)變迅速增大，而0.4 MPa和0.6 MPa內(nèi)壓管道增長趨勢依舊平緩，且0.6 MPa內(nèi)壓管道比0.4 MPa內(nèi)壓管道的應(yīng)變增長速率更緩慢。

綜上所述，對于埋地天然氣管道而言，管內(nèi)氣體壓力能夠在一定程度上增強管道的力學(xué)性能，并且在一定程度上可以減緩管道出現(xiàn)應(yīng)變集中。

2.3 管道與斷層面交角大小的影響

圖8～圖10為埋地天然氣管道與斷層面不同夾角時，管道沿管軸各測點的應(yīng)變幅值。觀察圖8、圖9和圖10管道前后側(cè)應(yīng)變變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道與斷層面夾角為90°時，管道各測點應(yīng)變值沿管軸以斷層面為對稱軸近似對稱；隨著管道與斷層面夾角的減小，管道前后側(cè)沿管軸應(yīng)變值以斷層面為對稱軸近似對稱不明顯，管道各測點平均應(yīng)變較90°交角時變小，并且管道前側(cè)應(yīng)變小于管道后側(cè)應(yīng)變，分析可知，埋地管道以小于90°交角穿越走滑斷層時，隨著錯距的增加，管道后側(cè)的土體會逐漸與管道分離，而管道前側(cè)土體受管道的擠壓會變得更加的密實并和管道緊緊貼合，而角度越小土體與管道作用力就會越強，這就使得管道前后側(cè)受力不同，管道前側(cè)剛度大于管道后側(cè)，導(dǎo)致前側(cè)應(yīng)變較小后側(cè)應(yīng)變較大。如圖9所示，當(dāng)管道與斷層面夾角為86°時，管道前后側(cè)應(yīng)變隨斷層錯距的變化增長相對平緩。如圖10所示為管道與斷層面交角為81°時，應(yīng)變沿管軸的分布，從圖中可以看出81°交角相較于90°、86°交角而言，最大拉伸和壓應(yīng)變都有變小，分析可知，管道以小于90°交角穿越走滑斷層時，土體對管道的軸向拉伸分量大，這使得管道主要受拉應(yīng)力作用，而90°交角時土體會受到更大的壓力。同時還可以看出交角為81°時，錯動區(qū)后側(cè)最大壓應(yīng)變轉(zhuǎn)移到測點4處，應(yīng)變數(shù)值略大于測點3處應(yīng)變，說明當(dāng)管道與斷層面交角減小時，錯動區(qū)應(yīng)變峰值有向斷層面靠近的趨勢。

圖8 交角為90°時沿管軸應(yīng)變幅值

圖9 交角為86°時沿管軸應(yīng)變幅值

圖10 交角為81°時沿管軸應(yīng)變幅值

圖11為管道與斷層面不同交角時，錯動區(qū)管道應(yīng)變最大測點處應(yīng)變隨著斷層錯距的變化情況，從圖11中可以直觀地看出，當(dāng)斷層錯距小于50 mm時，不同交角管道最大應(yīng)變趨于一致，而當(dāng)斷層錯距超過50 mm后，90°交角工況的管道最大應(yīng)變變化明顯，應(yīng)變增長速度急劇增大，另外2個工況會產(chǎn)生更小的壓縮應(yīng)變。由圖11可知，90°、86°、81°交角工況下最大壓應(yīng)變測點處平均應(yīng)變分別為2 284.3、2 039.6、1 857.5，其中81°交角工況管道平均應(yīng)變明顯小于其他工況。綜上所述，埋地天然氣管道以較小角度穿越走滑斷層更安全。

圖11 不同工況測點3壓應(yīng)變變化幅值

3結(jié)論

(1)埋地天然氣管道管內(nèi)氣壓在一定程度上強化了管道的力學(xué)性能，減緩管道產(chǎn)生應(yīng)力集中，進一步增強管道抵抗斷層錯動的影響，且隨著管內(nèi)氣壓的增大抵抗走滑斷層作用效果更好。

(2)埋地管道與斷層面交角為90°時，應(yīng)變幅值以斷層面為中心大致呈反對稱分布，且同一測點前后側(cè)應(yīng)變大小基本相等、方向相反；而交角小于90°時，應(yīng)變幅值以斷層面為中心反對稱分布不明顯，且管道后側(cè)應(yīng)變大于前側(cè)應(yīng)變。

(3)管道與斷層面不同交角會導(dǎo)致管道受力的不同，交角在80°～90°之間時，交角越小管道所承受的拉壓應(yīng)力均會變小，且角度越小管道最大應(yīng)變處變化越明顯，因此管道以較小的夾角穿越走滑斷層有利于管道安全。