考虑土结相互作用的逆断层作用下埋地管道性能离心机试验①

考虑土结相互作用的逆断层作用下埋地管道性能离心机试验①

E-mail：tangap@hit.edu.cn。

汤爱平1,2,3， 王连发1,3， 武百超1，4， 麦克·诺金5

(1.结构工程灾变与控制教育部重点实验室 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090；

2.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090； 3.黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；

4.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080； 5.伦斯勒理工大学土木工程系，美国 特洛伊 12180)

摘要：埋地管道地震作用下的破坏因素源于地震引起的永久地面变形(PGD)，其中管道-土体间相互作用决定土体位移作用到管体的大小。利用离心机试验技术模拟埋地管道在逆断层大位移下的反应特性，重点讨论断层与管道的交角、断层位移大小、管土相互作用、管径和埋深五个参数对管道破坏的影响水平。实验结果表明：上述参数对管道断层作用的反应均有明显影响，其中断层的位移量、管土相互作用、埋深和管径的影响更为显著。本文的研究结果对于管道经过断层区的抗震设计有十分重要的意义。

关键词：离心模型试验； 管土相互作用； 埋地管道； 抗震设计； 逆断层

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：黑龙江大学高层次人才支持计划(HDTD2010-13)；科技部国家十一五支撑计划(2006BAJ03B03-02)

作者简介：汤爱平(1968-)，男，教授、博士生导师，主要从事生命线地震工程、土动力和工程地质等方面的教学和科研。

中图分类号:TU43文献标志码：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

地震中的永久地面变形(permanent ground deformation,PGD)是埋地管道遭受破坏的最主要因素之一，这些PGD一般是由断层作用、砂土液化、振陷、边坡失稳、地裂缝等因素引起。根据历年来的地震管道系统的震害调查结果，发生了PGD地区的管道破坏概率为98%以上，多为管身的撕裂、屈曲，接头的压溃和拉裂等。旧金山地震(1906年)和圣费尔南多地震(1971年)中，大量埋地管道遭受直接破坏的根本原因是圣安德烈斯断层系统活动和土体边坡失稳[1]。1976年唐山地震中，供水管道系统的高破坏率也集中在断层活动带两侧和地面的大位移区域[2]。台湾集集地震(1999年)中的大量管道破坏归因于车笼埔断裂的大位移及其次级断裂带[3]。1999年土耳其伊兹米特地震中，一条2.2 m直径的钢管在安纳托利亚断层3 m的位移作用下直接破坏[4]。我国昆仑山地震(2001年)中，输气、输油钢管由于断层的大位移发生了撕裂和压扁破坏[5]。汶川地震(2008年)中斜坡区的失稳和崩塌导致了跨龙门山断层带上的供水管、油气管也多处遭到拉、压和剪切破坏。PGD作用下管道破坏的基本特征为管身压扁、撕裂、拉开、大尺度的弯曲，管道接头压溃、拉开、扭转撕裂等，并常常呈现出张拉-弯曲、压缩-弯曲、扭转等受力状态。由于PGD对埋地管道的巨大危险性，其破损机制为科学研究和工程实践所重视。综合地震震害调查、现代大型实验和数值模拟等技术的研究手段是当今埋地管道PGD作用下破坏机理研究的发展趋势。针对埋地管道在PGD作用下，尤其是在地震断层作用下的破坏，一些学者提出了相应的分析模型，如国际上通用的纽马克-豪尔模型(Newmark-Hall)、肯尼迪(Kennedy) 模型、王汝墚-叶何(Leon-Ru.L.Wang-Yeh)、麦克·诺金(O’Rourke)、高田至郎(S.Takada)模型、卡里米丘斯( D.K.Karamitros)模型等；我国学者也针对不同的PGD类型提出了一些先进的模型，如侯忠良-甘文水模型、梁建文壳模型、冯启民的梁-壳模型等。一些大型的足试验模拟也在近10年得以发展，如康奈尔大学-伦斯勒大学大型剪切足尺试验、麦克·诺金等指导的伦斯勒大学离心机试验、冯启民指导的中国地震局工程力学所埋地管道断层破坏试验、李鸿晶指导的南京理工大学埋地管道试验、李杰指导的同济大学埋地管道非一致激励和断层作用反应机制、杜修力指导的北京工业大学埋地管道非一致激励多台振动台试验等。本文在上述研究成果的基础上，选取逆断层作用下管道的动力反应为研究对象，利用离心机试验模拟埋地管道的反应机制，重点揭示逆断层作用下埋地管道的反应规律，考虑土结相互作用，研究土体变形转移到管道系统上去的传递机制和计算方法，以期为埋地管道系统经过断层区的合理抗震设计提供理论和实践指导。

1埋地管道离心机试验模型

本试验工作是在伦斯勒理工大学150 g-t的离心机实验室中进行的。该离心机的旋转中心至工作吊篮平台的平台直径为3 m，有效旋转半径为2.7 m；吊篮有效容积为1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大载重1.5 t,最大加速度160 g(图1)。离心机配备有一个光纤旋转接头、水力旋转接头，28个滑动环和一个无线网络来进行获取数据。模拟逆断层的模型箱采用PVL技术公司(PVL Technologies Inc.)生产的双盒剪切箱(图1)，尺寸为1 140 mm×760 mm×200 mm，空重约222 kg。该剪切箱主要用于埋地管道系统地震作用下的反应规律方面的研究，可以模拟断层的水平和垂直运动，最大水平位移为±40 mm，最大垂直方向位移为40 mm。剪切箱的位移控制系统由PVL公司开发。离心机试验的模型相似率如表1所列。

图1　离心机和试验箱 Fig.1　Centrifuge model and test chamber

参数单位相似率参数单位相似率加速度m/s2n力kg·m/s21/n2长度m1/n弯矩kg·m2/s21/n3面积m21/n2时间(动力作用)s1/n体积m31/n3时间(固结与扩散)s1/n2应力kg/(m·s2)1时间(渗透)s1应变-1孔隙流体速度m/sn质量kg1/n3速度(动力)m/s1密度kg/m31频率1/sn

为与康奈尔大学的大型管道原位试验结果对比，本次试验模拟直径为407.5 mm(外径)、壁厚为24.0 mm的高密度聚乙烯连续管道(HDPE)在大角度逆冲断层作用下的反应。参考Da.H[5]的离心机实验结果，本次实验也采用12.2g的离心加速度。土层分层压实，厚度为200 mm, 管道埋深为92 mm。试验开始前，进行剪切箱的动力性能测试。管道的变形采用应变传感器，分别粘贴在管道的上方、下方和中线的两个侧边。用智能型触觉压力传感系统测量土管道间的相互作用力，传感器包裹整个管道。应变传感器的数据采集系统采用由Bloomy公司开发的PXI系统。接触压力网片传感器的数据采集应用I-Scan软件系统。逆断层的位移率为0.32～60 m/min，最大位移为98 mm, 模拟实际的断层位移1.2 m。逆冲断层面倾角分别为63.5°和85°。

2试验方案

2.1管道和土的特性

试验采用的埋地管道为直径33.4 mm(外径)、壁厚1.96 mm的高密度聚乙烯连续管道(HDPE)。已有试验表明，管道的应力-应变关系与应变的速率有密切关系，因此在离心机试验前，利用剪切箱进行了管道非轴向的张拉试验，以确定无土体作用下管道在不同应变速率作用下的应力-应变关系(图2)。

图2　 不同应变速率下管道的应力应变关系 Fig.2　Stress-strain relation of pipeline at different strain rate

从图2可以看出，应变速率对管道的应力-应变关系影响非常显著。

填土采用平均粒径为0.29 mm的中砂，干重度为14.7 kN/m3，内摩擦角为40°,分别采用含水量为0和4%的砂样，不均匀系数为1.55，曲率系数1.0。由于砂的含水量对管土间的相互作用有较大影响，因此本试验中采用了含水量为0%和4%的两种土样。

3试验结果与分析

试验主要研究逆断层作用下离断层面不同位置处的管道轴向应变、应力分布规律，考虑管-土相互作用下管道应力的变化特性和不同断层位移作用下管道的变形特征。实验的结果表明：

(1) 在断层面上有明显的管道应变幅值，且随管道离断层面距离的增大而迅速减小，但在断层的上盘大概1.5 m处应变有一个突变，达到了4.5%。断层位移愈大，管道的应变愈大。管道应变随离断层面距离的变化规律相似(图3(a))。

(2) 管道弯曲应变在断层倾角为85°时，以断层面为对称轴，管道在断层两侧的应变呈近似的对称(图3(b))，但在断层倾角为30°时上盘的应变明显大于下盘。

图3　管道逆断层作用下的离心机实验结果 Fig.3　Results of buried pipeline under reserve fault 　　　 based on centrifuge test

(3) 在模拟实际的1.2 m断层位移作用下，管道出现压扁现象，这与实际观察到的均于管道破坏现象很相似。在0.4～1.2 m的断层位移作用下，在离断层面两侧1.7～1.9 m范围内管道有明显的起拱、脱离土体束缚现象，这与断层为正断层、走滑断层对管道的作用有明显不同。

(4) 管土相互作用的大小与断层的位移大小、施加断层位移的速率大小有明显相关性。断层位移速率加快一倍，则管土相互作用力增加9%。在离开断层面1.5～7 m区域，大断层位移速率作用下的管土相互作用力明显大于低速率断层位移的作用。断层位移愈大，管土间相互作用效应愈明显(图3(c))。表明数值分析时，断层作用下在断层面附近(至少±7 m)应该考虑管土相互作用效应。

4结论与建议

本文通过开展离心模型试验，初步探讨利用离心机实验模拟逆断层作用下埋地管道的反应规律，取得初步的认识。将大量管道实际震害和实验结果相比较，结果表明离心机实验在一定程度上可以合理模拟管道在逆断层作用下的破坏机制。通过与康奈尔大学的原位实验相比较，两者的实验现象大致相似[5]，但也出现了一些差异，比如在断层面上管道的应变普遍偏小约1%～2%，离开断层面一定位置上管道的应变反而偏大，具体的原因还需要进一步的分析。

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