泡沫輕質(zhì)混凝土回填油氣管道沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2019-09-03 09:33:10成文虎王武斌
四川建筑 2019年2期
成文虎， 趙 江， 袁 萍, 王武斌
(1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司， 河北石家莊 050000；2. 四川科宏石油天然氣工程有限公司， 四川成都 610213;3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031;4. 陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)
伴隨著我國四大油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，沿途管道長距離的施工過程中，有效減少管道在碎石沖擊下的磨損破壞是亟需解決的工程問題[1]。同時在施工現(xiàn)場往往缺乏合適回填土壤，若長距離運(yùn)輸土壤，會導(dǎo)致施工成本和施工難度大大增加[2]。泡沫輕質(zhì)混凝土因其輕強(qiáng)度可控(0.5～15 MPa)、自立性強(qiáng)、抗震性良好、施工便捷、環(huán)保經(jīng)濟(jì)，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路的施工填筑材料[3]。但泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于管道回填的案例較少，缺乏理論指導(dǎo)。
本文基于模型試驗(yàn)，驗(yàn)證輕質(zhì)混凝土回填料對管道保護(hù)的性能，從而為泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于油氣管道回填提供理論支撐。
1 室內(nèi)模型試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>
本試驗(yàn)?zāi)M石塊自由下落，垂直作用于管道的過程。其中管道直徑150 mm，長度500 mm,壁厚7.5 mm；石塊尺寸50 mm×250 mm×250 mm，質(zhì)量39.5 kg，自由下落高度1.8 m，試驗(yàn)裝置如圖1 所示。
圖1 可移動門式?jīng)_擊試驗(yàn)
1.2 應(yīng)變片布置
試驗(yàn)中通過貼于管道表面的電阻應(yīng)變計，來反映管道受力情況，分別于管道頂部、管道底部以及管道兩側(cè)貼片，同時將管道分為三個斷面，每個斷面4個測點(diǎn)進(jìn)行測試，應(yīng)變片布置如圖2所示。
圖2 管道內(nèi)應(yīng)變片粘貼(單位：mm)
1.3 試驗(yàn)加載方案
試驗(yàn)采用TST動態(tài)采集儀測試每次沖擊下的管道的動力響應(yīng)情況。待試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試完成后，用尼龍繩通過起吊裝置將重物提升并固定于1.8 m高度處。隨后用剪刀將繩剪斷，使重物自由下落，垂直作用于管道保護(hù)層的正中央，數(shù)據(jù)采集結(jié)束，并記錄保護(hù)層受沖擊荷載后的下陷深度。重復(fù)上述過程，直至保護(hù)層破壞。
2 回填輕質(zhì)混凝土基本性能
本試驗(yàn)采用水膠比(水泥與膠凝材料的質(zhì)量比)分別為0.4、0.6、0.8的水泥漿，添加泡沫進(jìn)行攪拌至澆筑密度為400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，對包裹不同濕密度的輕質(zhì)混凝土管道進(jìn)行室內(nèi)模型對比沖擊試驗(yàn)，研究不同密度條件下輕質(zhì)混凝土的相關(guān)性能[4](表1)。
表1 輕質(zhì)混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3
為了解三類不同濕密度下輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能，采用WDW系列微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣開展單軸壓縮和彎折試驗(yàn)。抗壓試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，通過壓縮曲線獲得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量兩參數(shù)。采用三點(diǎn)彎折法得到泡沫輕質(zhì)混凝土的抗折強(qiáng)度，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm[5]。三類泡沫輕質(zhì)混凝土基本力學(xué)性能如表2所示。
表2 泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能 MPa
3 結(jié)果分析
3.1 不同濕密度下加載后下陷深度
通過比較輕質(zhì)混凝土不同濕密度400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3下的沖擊試驗(yàn)，分析各管道保護(hù)層的下陷深度的變化規(guī)律，測試所得結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同濕密度輕質(zhì)混凝土保護(hù)層下陷深度
由圖3可知，6次沖擊后，同一種密度下，下陷深度隨加載次數(shù)線性增長，每次平均增長大約0.694 cm、0.923 cm、0.385 cm，另一方面400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm，可見400 kg/m3和600 kg/m3兩種濕密度下，總沉降量大致相等，而800 kg/m3密度下，由于抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量相較于前兩者變化較大，材料的抗沖擊性能提高。
3.2 管道有效應(yīng)力
比較三種濕密度下，6次沖擊作用下，管道頂部、左右側(cè)、底部的應(yīng)力變化。同時經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，1#和3#斷面的由于對稱，結(jié)果相差較少，這里僅列舉出1#和2#斷面的結(jié)果(圖4、圖5)。
(a)管頂
(b)管底
(c)管左
(d)管右圖4 1#有效應(yīng)力
由圖4可知，在1#處，對于同一濕密度試件管道最大應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加而增加，而另一方面高密度800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土回填管道，管道頂部、左右側(cè)處的管道所受的應(yīng)力最大，同時隨著沖擊次數(shù)的增加，管道所受的應(yīng)力增長率也最大，輕質(zhì)混凝土回填層表面受到?jīng)_擊作用后，應(yīng)力波四周傳遞，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土內(nèi)部氣泡破裂，輕質(zhì)混凝土受擠壓愈密實(shí)，而高密度下，輕質(zhì)混凝土內(nèi)部氣泡含量少，泡沫破裂性能效果較差。
(a)管頂
(b)管底
(c)管左
(d)管右圖5 2#有效應(yīng)力
由圖5可知，在2#處，同一密度下試件管道最大應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加而增加，最大密度處的因耗能較少，管道所受應(yīng)力最大。管底受力由于應(yīng)力波經(jīng)過輕質(zhì)土和管道內(nèi)部傳遞，過程較復(fù)雜，規(guī)律不顯著，但由于最大應(yīng)力為5.2 MPa不是管道的破壞受力最大位置，可以不作考慮。
結(jié)合圖4、圖5可知，2#各處管道應(yīng)力均大于1#處的應(yīng)力，2#處管頂應(yīng)力最大，是管道受力的控制位置，三組密度下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為-4.8 MPa、-5.8 MPa、-7.6 MPa。
管頂是主要受力部位，管頂上部的輕質(zhì)混凝土保護(hù)層的厚度決定著管頂受力的大小。不同輕質(zhì)混凝土保護(hù)層密度，通過多次加載后，管道應(yīng)力增長趨勢來反映變化規(guī)律，各濕密度下的管頂應(yīng)力如表3所示。
經(jīng)線性回歸方程通過最小二乘法求出，得到y(tǒng)=ax+b的直線。其經(jīng)驗(yàn)擬合方程如下：
表3 管頂應(yīng)力 MPa
擬合方程見表4。
表4 擬合方程參數(shù)
擬合方程中的參數(shù)a即為在沖擊過程中應(yīng)力增長斜率，隨著輕質(zhì)混凝土的濕密度的增大，沖擊過程中應(yīng)力增長斜率也在增大，說明在多次沖擊荷載下，輕質(zhì)混凝土濕密度越大其多次沖擊和在作用下應(yīng)力增長的幅度就越大。
3.3 管道沖擊作用時間
受沖擊荷載作用后，管道在不同密度輕質(zhì)混凝土包裹下產(chǎn)生的動響應(yīng)的時間也不同，測試結(jié)果如圖6所示。
圖6 沖擊響應(yīng)時間
由圖6可知，同一密度下因不斷的沖擊壓實(shí)，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土彈性模量增大，沖擊時間減小。但不同密度下，各密度平均響應(yīng)時間為0.02537 s、0.01754 s、0.0147 s，因吸能特性不同，導(dǎo)致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。
4 結(jié)論
本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了回填不同密度輕質(zhì)混凝土的受沖擊作用下，輕質(zhì)混凝土表面下陷深度、管道應(yīng)力以及沖擊時間的變化規(guī)律。得到如下結(jié)論：
(1)隨著輕質(zhì)混凝土密度的增加，下陷深度隨之較小，400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm；
(2)2#斷面的管頂處所受應(yīng)力最大，各密度輕質(zhì)混凝土 下分別為-4.8MPa、-5.8MPa、-7.6MPa，但管道均未發(fā)生破壞；
(3)隨著沖擊次數(shù)的增加，管頂應(yīng)力增長率隨輕質(zhì)混凝土密度的增加而增長，各密度下應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)的增長斜率分別為-0.376、-0.507、-0.679，6次沖擊后，2#截面的最大有效應(yīng)力增大了1.86 MPa、2.79 MPa、3.24 MPa；
(4)但不同密度輕質(zhì)混凝土下，因?yàn)槲芴匦圆煌?，?dǎo)致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。
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本文基于模型試驗(yàn)，驗(yàn)證輕質(zhì)混凝土回填料對管道保護(hù)的性能，從而為泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于油氣管道回填提供理論支撐。
1 室內(nèi)模型試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>
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圖1 可移動門式?jīng)_擊試驗(yàn)
1.2 應(yīng)變片布置
試驗(yàn)中通過貼于管道表面的電阻應(yīng)變計，來反映管道受力情況，分別于管道頂部、管道底部以及管道兩側(cè)貼片，同時將管道分為三個斷面，每個斷面4個測點(diǎn)進(jìn)行測試，應(yīng)變片布置如圖2所示。
圖2 管道內(nèi)應(yīng)變片粘貼(單位：mm)
1.3 試驗(yàn)加載方案
試驗(yàn)采用TST動態(tài)采集儀測試每次沖擊下的管道的動力響應(yīng)情況。待試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試完成后，用尼龍繩通過起吊裝置將重物提升并固定于1.8 m高度處。隨后用剪刀將繩剪斷，使重物自由下落，垂直作用于管道保護(hù)層的正中央，數(shù)據(jù)采集結(jié)束，并記錄保護(hù)層受沖擊荷載后的下陷深度。重復(fù)上述過程，直至保護(hù)層破壞。
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表1 輕質(zhì)混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3
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表2 泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能 MPa
3 結(jié)果分析
3.1 不同濕密度下加載后下陷深度
通過比較輕質(zhì)混凝土不同濕密度400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3下的沖擊試驗(yàn)，分析各管道保護(hù)層的下陷深度的變化規(guī)律，測試所得結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同濕密度輕質(zhì)混凝土保護(hù)層下陷深度
由圖3可知，6次沖擊后，同一種密度下，下陷深度隨加載次數(shù)線性增長，每次平均增長大約0.694 cm、0.923 cm、0.385 cm，另一方面400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm，可見400 kg/m3和600 kg/m3兩種濕密度下，總沉降量大致相等，而800 kg/m3密度下，由于抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量相較于前兩者變化較大，材料的抗沖擊性能提高。
3.2 管道有效應(yīng)力
比較三種濕密度下，6次沖擊作用下，管道頂部、左右側(cè)、底部的應(yīng)力變化。同時經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，1#和3#斷面的由于對稱，結(jié)果相差較少，這里僅列舉出1#和2#斷面的結(jié)果(圖4、圖5)。
(a)管頂
(b)管底
(c)管左
(d)管右圖4 1#有效應(yīng)力
由圖4可知，在1#處，對于同一濕密度試件管道最大應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加而增加，而另一方面高密度800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土回填管道，管道頂部、左右側(cè)處的管道所受的應(yīng)力最大，同時隨著沖擊次數(shù)的增加，管道所受的應(yīng)力增長率也最大，輕質(zhì)混凝土回填層表面受到?jīng)_擊作用后，應(yīng)力波四周傳遞，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土內(nèi)部氣泡破裂，輕質(zhì)混凝土受擠壓愈密實(shí)，而高密度下，輕質(zhì)混凝土內(nèi)部氣泡含量少，泡沫破裂性能效果較差。
(a)管頂
(b)管底
(c)管左
(d)管右圖5 2#有效應(yīng)力
由圖5可知，在2#處，同一密度下試件管道最大應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加而增加，最大密度處的因耗能較少，管道所受應(yīng)力最大。管底受力由于應(yīng)力波經(jīng)過輕質(zhì)土和管道內(nèi)部傳遞，過程較復(fù)雜，規(guī)律不顯著，但由于最大應(yīng)力為5.2 MPa不是管道的破壞受力最大位置，可以不作考慮。
結(jié)合圖4、圖5可知，2#各處管道應(yīng)力均大于1#處的應(yīng)力，2#處管頂應(yīng)力最大，是管道受力的控制位置，三組密度下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為-4.8 MPa、-5.8 MPa、-7.6 MPa。
管頂是主要受力部位，管頂上部的輕質(zhì)混凝土保護(hù)層的厚度決定著管頂受力的大小。不同輕質(zhì)混凝土保護(hù)層密度，通過多次加載后，管道應(yīng)力增長趨勢來反映變化規(guī)律，各濕密度下的管頂應(yīng)力如表3所示。
經(jīng)線性回歸方程通過最小二乘法求出，得到y(tǒng)=ax+b的直線。其經(jīng)驗(yàn)擬合方程如下：
表3 管頂應(yīng)力 MPa
擬合方程見表4。
表4 擬合方程參數(shù)
擬合方程中的參數(shù)a即為在沖擊過程中應(yīng)力增長斜率，隨著輕質(zhì)混凝土的濕密度的增大，沖擊過程中應(yīng)力增長斜率也在增大，說明在多次沖擊荷載下，輕質(zhì)混凝土濕密度越大其多次沖擊和在作用下應(yīng)力增長的幅度就越大。
3.3 管道沖擊作用時間
受沖擊荷載作用后，管道在不同密度輕質(zhì)混凝土包裹下產(chǎn)生的動響應(yīng)的時間也不同，測試結(jié)果如圖6所示。
圖6 沖擊響應(yīng)時間
由圖6可知，同一密度下因不斷的沖擊壓實(shí)，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土彈性模量增大，沖擊時間減小。但不同密度下，各密度平均響應(yīng)時間為0.02537 s、0.01754 s、0.0147 s，因吸能特性不同，導(dǎo)致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。
4 結(jié)論
本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了回填不同密度輕質(zhì)混凝土的受沖擊作用下，輕質(zhì)混凝土表面下陷深度、管道應(yīng)力以及沖擊時間的變化規(guī)律。得到如下結(jié)論：
(1)隨著輕質(zhì)混凝土密度的增加，下陷深度隨之較小，400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3濕密度下的總沉陷量為6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm；
(2)2#斷面的管頂處所受應(yīng)力最大，各密度輕質(zhì)混凝土 下分別為-4.8MPa、-5.8MPa、-7.6MPa，但管道均未發(fā)生破壞；
(3)隨著沖擊次數(shù)的增加，管頂應(yīng)力增長率隨輕質(zhì)混凝土密度的增加而增長，各密度下應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)的增長斜率分別為-0.376、-0.507、-0.679，6次沖擊后，2#截面的最大有效應(yīng)力增大了1.86 MPa、2.79 MPa、3.24 MPa；
(4)但不同密度輕質(zhì)混凝土下，因?yàn)槲芴匦圆煌?，?dǎo)致沖擊時間不同，密度越大，吸能特性越低，沖擊時間越小。
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