基于應(yīng)變準(zhǔn)則對(duì)管道橫向滑坡響應(yīng)規(guī)律的研究①

王黎明，署恒木，黃小光

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580)

0 引 言

滑坡是指山體斜坡上的巖土，在重力作用下沿著一定的軟弱結(jié)構(gòu)面(帶)產(chǎn)生剪切位移而向斜坡下方移動(dòng)的現(xiàn)象［1］.地震、強(qiáng)降雨等因素均可誘發(fā)山體滑坡.土體的永久性變形導(dǎo)致埋地管道產(chǎn)生不均勻沉降，從而引發(fā)管道彎曲、拉裂甚至整體失穩(wěn).對(duì)滑坡作用下埋地管道的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析，可以判斷埋地管道在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害作用下的失效行為，確定埋地管道的極限承載能力，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害下埋地管道的設(shè)計(jì)提供分析依據(jù).

滑坡作用下埋地管道的分析模型涉及管道－土體的相互作用.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于埋地管道的管土相互作用問(wèn)題的進(jìn)行了不同程度的研究［1～14］.張東臣根據(jù)不同的地滑力，分析了不同滑坡方向條件下管道的應(yīng)力、應(yīng)變分布［6］.劉慧基于管土相互作用的雙線性模型，給出了管道在軸向滑坡、橫向滑坡和深層圓弧滑坡作用下軸向應(yīng)變的解析預(yù)測(cè)方法［7］.周曉瑩等、王聯(lián)偉等、練章富等分別利用有限元軟件，考慮管土之間相互作用的非線性特征，模擬滑坡條件下管道的變形和應(yīng)力特點(diǎn)，從不同角度研究了管道內(nèi)壓、滑坡長(zhǎng)度、滑坡位移、滑坡方向與管道軸向的夾角等工程參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力的影響［8～10］.

本文根據(jù)薄殼大變形理論，利用ANSYS 軟件建立橫向滑坡作用下埋地管道的管土耦合模型，基于應(yīng)變準(zhǔn)則對(duì)埋地管道的有限元分析結(jié)果進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步探討各種因素對(duì)滑坡條件下管道響應(yīng)規(guī)律的影響.

1 橫向滑坡管道的有限元模型

1.1 管材性能參數(shù)

以西氣東輸二線工程某管道為例，管材為X80HD2，管材力學(xué)參數(shù)如表1 所示，真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1 所示［11］.有限元分析中管材的本構(gòu)模型采用Ramberg－Osgood 方程擬合.

表1 管道材料的力學(xué)性能

1.2 土彈簧模型及參數(shù)

滑坡作用下埋地管道的運(yùn)動(dòng)受到軸向、垂向及橫向土體的作用，在有限元計(jì)算模型中，建立軸向、水平橫向和垂直橫向3 個(gè)方向的非線性土彈簧來(lái)模擬管土之間的耦合作用.取水平橫向土彈簧為例，極限抗力－位移關(guān)系如圖2 所示，Pu為極限抗力，xu為極限位移.土壤類(lèi)型為砂土，土壤容重選取為18kN/m3，內(nèi)摩擦角為35°，管道埋深為2.1m和1.8m 時(shí)的各個(gè)方向的彈簧參數(shù)，如表2 所示［11］.

圖1 管道X80 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

表2 土彈簧參數(shù)

1.3 位移載荷

滑坡過(guò)程中，埋地管道和周?chē)馏w都會(huì)產(chǎn)生不均勻的偏移，土體對(duì)管道的作用力難以精確描述.因此滑坡對(duì)埋地管道的作用通過(guò)施加位移載荷更為合理，而移位載荷形式以多項(xiàng)式最為簡(jiǎn)單［12～13］.如將坐標(biāo)原點(diǎn)取在滑坡中心，如圖3 所示，則位移載荷函數(shù)為偶函數(shù).考慮到滑坡寬度兩端位置管道變形的光滑連續(xù)條件，將滑坡位移載荷函數(shù)簡(jiǎn)化為四次多項(xiàng)式形式:

根據(jù)滑坡寬度及最大滑坡位移，結(jié)合滑坡寬度兩端的光滑連續(xù)條件計(jì)算系數(shù)A，B.

圖3 滑坡示意圖

2 橫向滑坡下管道的大變形分析

算例管道長(zhǎng)度為60m，山體坡度為30°，管材為X80 鋼管，內(nèi)壓為12MPa，管徑為1.016m，壁厚為0.022m，埋深為2.1m，滑坡跨度為20m，滑移最大距離為1m.利用ANSYS 有限元軟件建立滑坡條件下的管土耦合有限元模型，如圖4 所示.管道采用shell181 單元，非線性土彈簧采用combin39 單元.考慮到滑坡坡角，在滑坡區(qū)域土彈簧上施加滑坡方向位移荷載，以模擬土體下滑對(duì)管道的作用.

圖4 橫向滑坡管道受力示意圖

圖5 管道位移

圖5 為滑坡管道的位移矢量分布，最大值為0.853m，小于滑移的最大距離.管道的最大的Mises 應(yīng)力為612MPa，在滑坡區(qū)域的正中心，即最大滑坡位移處.可知，管道已進(jìn)入塑性階段.最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.0272，滑坡區(qū)正中心處取到，最大軸向壓應(yīng)變0.0197，在滑坡區(qū)與非滑坡區(qū)交界處取到.根據(jù)文獻(xiàn)［14］中的應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，X80HD2 在斷層中有內(nèi)壓的容許拉伸應(yīng)變?yōu)?.0115，容許的壓縮應(yīng)變?yōu)?.76%，由此可以判斷，埋地管道在滑坡條件下將發(fā)生失效.

圖6 不同滑坡寬度下最大等效應(yīng)力分布

圖7 不同滑坡寬度下最大軸向拉應(yīng)變分布

3 管道滑坡響應(yīng)規(guī)律分析

根據(jù)以上模型，分析滑坡位移、滑坡寬度、滑坡角度、管道埋深、管道內(nèi)壓等對(duì)管道響應(yīng)規(guī)律的影響，計(jì)算參數(shù)如表3 所示.

表3 滑坡管道計(jì)算參數(shù)

圖8 不同坡角下最大等效應(yīng)力分布

圖9 不同坡角下最大軸向拉應(yīng)變分布

3.1 滑坡寬度的影響

以60m 為計(jì)算管道長(zhǎng)度，取滑坡寬度10 ～30m 進(jìn)行計(jì)算，分析滑坡寬度的影響.從圖6 中發(fā)現(xiàn)在滑坡位移小于0.4m 的時(shí)，應(yīng)力變化比較明顯;大于0.6m 時(shí)，管道進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力變化比較緩慢.從圖7 中發(fā)現(xiàn)滑坡寬度為20m 時(shí)，軸向拉應(yīng)變最大，且隨滑坡位移變化明顯;而滑坡寬度為10m 時(shí)基本不隨滑坡位移變化，此時(shí)土彈簧已進(jìn)入塑性階段，滑坡位移對(duì)管道變形影響不大.從20m和30m 的滑坡寬度比較下，相同的滑坡位移，滑坡寬度越小，管道所要承受的軸向拉應(yīng)變?cè)酱螅艿涝揭资?因此，防止埋地管道局部的大位移滑動(dòng)，能有效避免管道破壞.

3.2 滑坡坡角的影響

從圖8 中發(fā)現(xiàn)在滑坡位移小于0.4m 的時(shí)，應(yīng)力變化比較明顯;大于0.4m 時(shí)，坡角為30°和45°的管道進(jìn)入塑性階段，而90°的管道還處于彈性階段，但由于土彈簧失效，故三者應(yīng)力變化都比較緩慢.從圖9 中發(fā)現(xiàn)滑坡角度為90°時(shí)，軸向拉應(yīng)變最小，且隨滑坡位移基本不變，此時(shí)土彈簧已進(jìn)入塑性階段;而從30°和45°的滑坡角度比較來(lái)看，相同的滑坡位移，滑坡角度越小，管道軸向拉應(yīng)變?cè)酱?

3.3 內(nèi)壓的影響

從圖10 中發(fā)現(xiàn)在滑坡位移小于0.4m 的時(shí)，應(yīng)力變化比較明顯;大于0.6m 時(shí)，管道進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力變化緩慢.從圖11 中發(fā)現(xiàn)滑坡位移小于0.4m 時(shí)，管道軸向拉應(yīng)變基本不受內(nèi)壓影響，三種情況變化一致.滑坡位移大于0.4m 時(shí)，相同的滑坡位移，內(nèi)壓越大，管道軸向拉應(yīng)變?cè)酱?

圖10 不同內(nèi)壓下最大等效應(yīng)力分布

圖11 不同內(nèi)壓下最大軸向拉應(yīng)變分布

圖12 不同埋深下最大等效應(yīng)力分布

3.4 埋深的影響

從圖12 中發(fā)現(xiàn)在滑坡位移小于0.4m 的時(shí)，應(yīng)力變化比較明顯;大于0.4m 時(shí)，管道進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力變化緩慢.從圖13 中發(fā)現(xiàn)相同的滑坡位移，埋深越大，管道承受的軸向拉應(yīng)變?cè)酱螅艿涝揭资?這是由于管道的埋深影響土體對(duì)管道的約束程度，埋置越深，管道周?chē)馏w壓實(shí)程度越高，管道所受的各向土反力越大，管道變形也就越大.因此，管道應(yīng)盡量淺埋.

圖13 不同埋深下最大軸向拉應(yīng)變分布

4 結(jié) 論

結(jié)合有限元軟件對(duì)橫向滑坡管道進(jìn)行了響應(yīng)規(guī)律分析，得到如下結(jié)論:

(1)橫向滑坡時(shí)，管道受到滑坡土體的作用，發(fā)生顯著的彎曲變形，管道的高應(yīng)力、應(yīng)變主要出現(xiàn)在滑坡區(qū)中間和滑坡區(qū)與非滑坡區(qū)交界處3 個(gè)明顯的彎曲區(qū)域，管道主要由于過(guò)大的軸向拉應(yīng)變導(dǎo)致失效，必要時(shí)可使用柔性接頭，提高管道的變形能力.

(2)滑坡寬度越小，管道所的軸向拉應(yīng)變?cè)酱螅陆嵌仍叫?，管道的軸向拉應(yīng)變?cè)酱?因此，在沿坡鋪設(shè)管道時(shí)，應(yīng)注意山坡寬度與坡角，以防止埋地管道局部的大位移滑動(dòng).

(3)管道應(yīng)盡量淺埋，管道內(nèi)壓不宜過(guò)大.

［1］ 周吉祥，何仁洋，高建，等.橫向滑坡作用下埋地管道影響因素分析［C］.壓力管道技術(shù)研究進(jìn)展精選集－全國(guó)管道技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，2010.

［2］ 劉全林，楊敏.地埋管與土相互作用分析模型及其參數(shù)確定［J］.巖土力學(xué)，2004，25(5):728－731.

［3］ 李華，徐震，楊永和，等.滑坡作用下的埋地管道強(qiáng)度失效分析［J］.化工設(shè)備與管道，2012，49(6):54－57.

［4］ 朱秀星，仝興華，薛世峰.跨越斷層的埋地管道抗震設(shè)計(jì)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(10):30－33.

［5］ 閆相禎，張立松，楊秀娟.管道穿越地震斷層管土耦合大變形殼模型的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(8):132－139.

［6］ 張東臣.滑坡條件下埋地管道受力分析［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2001，2(6):l－6.

［7］ 劉慧.滑坡作用下埋地管線反應(yīng)分析［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［8］ 周曉瑩，郭永華，呂曉華，等.地質(zhì)滑坡條件下不同因素對(duì)油氣管道危險(xiǎn)性影響分析［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38(5):42－44.

［9］ 王聯(lián)偉，張雷，董紹華，等.基于土彈簧模型的管道滑坡力學(xué)影響因素分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33(4):380－384.

［10］ 練章富，李風(fēng)雷.滑坡帶埋地管道力學(xué)強(qiáng)度分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(2):165－170.

［11］ 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部.Q/SY GJX 0135—2008 西氣東輸二線管道工程強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)段埋地管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.北京:石油工業(yè)出版社，2008.

［12］ 張伯君.山體滑坡區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2013.

［13］ ZHENG JY，ZHANG BJ，LIU PF.Failure Analysis and Safety Evaluation of Buried Pipeline due to Deflection of Landslide Process［J］.Engineering Failure Analysis.2012，25:156－168.

［14］ 王國(guó)麗，韓景寬，趙忠德，等.基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在管道工程建設(shè)中的應(yīng)用研究［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22(5):1－6.