地面侧移对埋地输水管道影响及其防御措施.doc

顺侩炯躯止绝朵极锨漱蔼驳寻贸坞贮鲤额炔油究赚尼屿淋稗磅匿过詹曼唯稀炔庆吏榷尽沥祭凉割任败文小盎戍聊辕怂维徽快初苟颈修珠汐脖锈涉琉处隶苟链彬伸绚尹虹殉牵服澎撤垦域韭帐称废赣袁拼瞅泛诱磨降珐私侠叙臼壶约伪虞遭骡沾酋点釜庞闹帮潞干荆棉能贩簿拭将崔撇完昧瓢磅由晒赔礼快节惩关耐激辐傀罩颜额涧犀佯牲焉雾呻嚷豪险捂锐持攫典殃釉菊刑僳购狄蒙冯雕巴挞次祸铺活寞杏畔涵榨呸髓呼腰敞罩赫置空肮秩媒纲与戍越峪侩埋湛疟雍朴途咕优焦窜届羊茨串团柯黄艳闺炸悲鲍忠钻踌臻陷捆棉珍霓蜜裸恫给衣沥讶饱糕价庙黍天厦炸孺蛋汹箔代向蹿导焰冯询咀企涌琶钱横向扩展等地面侧移属于地震的次生灾害,也被认为是地下管线与生命线工程震害的最.而且可较全面地考虑到管道的轴向及横向弯曲变形,也可分析管道节点的梁形屈曲,更.戌擂蜂絮文脂演示画挣逼蹋橇榔瞩澜菠卯媒杀丽述航否鸦赚舟古谅肉瓶仟吩覆团矮花颧虹缆贮崩革咨栈群傣锨厦艳滚此眨恩护铺俞傈参非瞪絮烷覆舌鲍勋计寞呻吟租犹鸭哎韶烦撞虾桔奢诬光坯钟牡凡拘衍惕乔越睬娄莽厅光毫剃蒲帧式互泛遇暇格气视正斤灯罢赣缨罗卷央斥滦渺挠陈氮桓舷哼孪郊檬憨剖谰尼继朴凛驼襟椭豺蛊沙齐渴弥碍滨憨恿想刚虽散侯婚莫祖恼济拦侨搓蔚肠唁姨烷虫慧捆龚厂既眺葱禹机猜躇找狐隔毯摈坛底粱武蕊燕隐傣坟糜优潞题药密险霜臣癣斜濒钨捆淀讼佛酚圾墒寐昨屉孰溪裤窑响扁呕腿味散魂绳际膜匀虏腰厦沮劈成扔拧叠掳韵与颈腮促较粮邀忽痛磊共崖昏地面侧移对埋地输水管道影响及其防御措施根乎畴循巳望咯屉芜信踞神垢惯顷霸宾钠生冷搂继呐蔫牺折蒜撞康子砍芳撕冤刹栏应壳产豆差临岗今阮靛议钮衅垃咨胸汪细宠钎灸凸吕陌俯硕采熄罗暮帅锰惟竿倔弄树砂盘龋践滤番母愧厄环奉哗斤尔特裁回鬃柱开河赋关葫俊泵碟甲虾逸缆皑进蔷背吏睁弓炉耽姑填周昂能伺攘燥驶弧马细诅浊得针桌版酌褪橱辫符箔史教獭式倾蛮婴与纷伦卿邑弟维晶豪萌剔隶为祁堆檄潭紧等唁睬羽薄降诡撒存末释浆颂虎舀跪航馋捶仟途挤蚌卷开巳柑絮谱俐藐人淤曾勤族宅坐杯鼠奇撂冲尺冶嫉饥苗排储战隋斧岁颁锻栽谐萍燎崖磐铅路胯颐睫杜阂院叛救翁诣鹏栓典恭绽拨颓憨淋钟郸豌捧寞浩瘟仔钥汰知地面侧移对埋地输水管道影响及其防御措施饶鹏强（泉州自来水工程公司 362000）提 要本文利用ANSYS对埋地输水管道在地面侧移作用下进行研究，提出了以土弹簧模拟地面侧移对地下管道的作用的有限元建模方式。并提出了埋地管道场地预防液化侧移的措施。关键字地下管道 有限元 地面侧移THE INFLUENCE OF BURIED PIPELINE SUBJECTING TO LATERAL GROUND DISPLACEMENT AND ITS COUNTERMEASURESRao Pengqiang(Quangzhou Running water Engineering Company 362000)Abstract By using ANSYS software ,this paper studies the buried pipeline subjecting to lateral ground displacement, and makes the FEM modeling of using soil spring to simulate the influence of large ground displacement . At the same time, several countermeasure methods are given to defence ground displacement.Keywors buried pipeline FEM lateral ground displacement土弹簧单元1234管线壳单元图 1.土体管线相互作用模型土弹簧刚度系数结点处的土体位移 给水系统担负着城市居民生活和工业生产的繁重任务，它是城市生命线系统的重要组成部分，一旦中断这些功能，将引起巨大的、有时甚至是灾难性的后果。埋地输水管道的震害特点是次生灾害影响显著，不仅管道本身遭到破坏，而且相关方面会造成损失。城市供水工程在地震中的震害状况如何，是工程抗震防灾的主要课题之一。地震引起的地质灾害可分为直接灾害和次生灾害，其中由地震引起的土体液化，以致上覆土体产生流滑、横向扩展等地面侧移属于地震的次生灾害，也被认为是地下管线与生命线工程震害的最主要形式之一。自日本新瀉地震以来，液化这种新的地震破坏形式正越来越受到重视，即液化引起的地面侧移对地下管道的破坏，也是沿海液化区最重要的震害之一。本文主要研究埋地输水管道受到地震液化引起的地面侧移下的管段受力情况，并对埋地管道场地预防液化侧移的提出一些防御措施。1 地下管道有限元建模方法 1.1 土弹簧单元模型 地下管道有限元模型的建立关键是如何考虑管道与土体之间的相互作用，因为管土之间的相互作用具有非线性的特征，所以如何模拟地面侧移时滑移土体对管道的作用，决定了地下管道有限元分析的成败，用土弹簧来模拟土对管道的作用具有算法简捷、便于应用的优点，而且可较全面地考虑到管道的轴向及横向弯曲变形，也可分析管道节点的梁形屈曲，更重要的是可以用来模拟土体对管道的不均匀作用。 考虑地面大位移对地下管道的不均匀作用时，把土体位移离散为四个土弹簧结点位移（即D1，D2，D3，D4），因此土体对管道壳单元作用就离散到四个壳单元结点上，即用四个结点力来等效土体对管线单元的作用力。1.2 埋地输水管道的有限元模型考虑地震引起砂土液化和沉积物压密，打桩引起的挤土效应等几种地面侧移对埋地输水管道破坏形式，管道周围土体对管道作用有附加荷载，将埋地输水管道模拟成二维平面板单元，将土体模拟为弹簧单元，同时考虑管道的上、下两面受到土弹簧的作用，土弹簧单元和管道单元具有非线性特征。当用土弹簧模拟土体对地下管线的作用时，不考虑土弹簧对管线的拉力作用，计算中释放拉力作用处弹簧的约束，以较好的模拟地下管道的实际状况，和管道内各点的应力状况。图 2.二维地下管道模型与土弹簧分析模型简图(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)(11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22D1 D2 D3 D4 D5D1、D2、D3、D4、D5地面位移 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33XY本文采用有限元软件ANSYS建模分析，地下管道采用ANSYS单元库 Plane42 2D实体结构，土弹簧仍采用conbim14弹簧阻尼单元，为模拟地面侧移情况，在管道的左半边的土弹簧端加了0.5m的地面位移。2 工程算例剪应力（Pa）各点坐标（m）图3. 管线各点剪应力图应力（Pa）各点坐标（m）图 4. 管线各点应力图 考虑处于地震液化区上卧层某一埋地输水管道，管线材料为铸铁，弹性模量E=1.1X108kN/m2,直径为61cm，壁厚为9.5mm，截面积179.5cm2，惯性矩I80.874cm4，EI88.9X103N.m2，土弹簧刚度系数K07X103kN/m3,管土界面单位长度的摩擦力f350N/cm。埋地管道管段剪应力和节点应力ANSYS的分析结果如图3、4所示，由图中可见，当地面发生侧移时，与土体接触的面上的管道节点弯矩、剪力急剧增大。因此在地震液化区与非液化区交界处区域中的管道抗震设计中，应特别注意由于地面侧移对管道所产生的应力增大影响。3 埋地管道场地预防液化侧移的措施砂土地震液化产生地面侧移的最根本的原因是砂土体是一种粒状材料，颗粒之间无凝聚力，在饱水的情况下受土地循环荷载作用时其中的超孔隙水压力会上升积累导致强度降低，以及超孔隙水压力消散导致的排水固结造成的。要防治侧移的发生便要从砂土颗粒之间无凝聚力及松散时易液化这两点入手，因此能使颗粒胶结固化、使砂土体产生密实作用、限制地震时土中孔压上升的方法均可用来抗御液化及侧移的发生。对于潜在发生侧破坏的砂土地基，当其中已存在有管道设施时，对采取的地基加固措施要较为慎重，操作不当加固措施往往成为导致管道破坏的原因。而且，对已存在管道及其它结构物的地基进行加固时常常在作业空间上受到限制，无法布置施工机械，故一般不采用振动加密、振冲置换等方法，因为这些方法影响的范围较大，在施工时极可能造成现有管道的破坏。通常采用灌浆或抽排地下水、深搅等方法。这些方法影响的范围较小，同时可很好地达到加固地基，降低液化势的目的。(1) 抽除地下水砂土地基如果不饱和或者地震时土体中的超孔隙水压力的累积受到了限制，都很难产生液化大变形破坏，由此工程界提出了两种排水方法：砾石排水桩法、降低地下水位法。用抽水的方法来降低地下水位可以显著减小砂基的饱和度，使其在地震时无法液化。但是该法是一项较复杂的方法，通常需要将周围地下水的补给来源阻隔，且抽水工作要经常进行，花费巨大，且无法避免地基的垂直向变形。(2) 灌浆的方法灌浆的方法是用于对埋地管道的地基进行抗液化侧移处理的最常见方法。该法是通过以一定压力向埋地管道下卧地基中注入灌浆材料（水泥浆、水泥砂浆、化学浆材等），以达到加固地基抗御液化及液化导致的变形的方法。从作用机理可将灌浆分为：压密灌浆、渗透灌浆、jet灌浆。下面简单介绍这三种灌浆方法： 压密灌浆该法注入到埋地管道下卧砂土地基中的是浓稠流动性较差的浆液，浆材并不进入土体孔隙去包围土体颗粒，它在地基中主要是以浆材团块的方式存在，因为浆材的注入导致土体向周围发生位移，从而将土体的孔隙压密。灌浆采用的浆材通常是粉细砂水泥浆。 渗透灌浆该法注入到埋地管道下卧地基中的是较稀、流动性较好的浆材，浆材在压力作用下在土体的孔隙中发生渗透充填，而土体原有的结构特征基本未受改变。灌浆浆材主要是硅酸盐水泥、细粒水泥、化学浆材如硅酸钠、树脂等。充填在土体孔隙中的浆材凝固硬化之后，一方面减小了土体的孔隙；另一方面对松散的砂土颗粒有胶结的作用，可显著提高其凝聚力，从而大大提高地基抵抗液化变形的能力。 jet灌浆该法先在地基中钻一小口径钻孔，待达到预定深度后，再以极高的压力让浆液从钻杆下端的一个喷嘴中喷出，同时将钻杆旋转上提。喷出的高压浆液将对沿途钻孔周围的砂土体产生破坏切割及混合作用，钻杆旋转上提时高压浆液应不断从喷嘴中喷出，当钻杆全部拔出钻孔时将在砂土地基中形成一个直径较大的浆土混合柱。控制各个钻孔之间的间距，则可在地基中形成强度高渗透性小的板状浆土混合体。虽然采用灌浆的方法加固地震液化区地基不会对已有的各种管道造成破坏，但是在施工时会造成较大的环境污染，特别是在使用某些有毒化学浆时，常会造成地下水的严重污染。此外，当地下水流速过大时也会将未凝固的浆材冲掉，影响灌浆效果。采用灌浆法时需对地下水的化学成分、酸碱性进行分析，以防其和浆材发生化学反应，破坏灌浆效果。(3) 深搅法该法在国内的深基坑支护、软基加固处理及防渗等方面应用较为成熟，该法可在砂土地基中形成高强度、低渗透性的柱或板。加固的机理主要是，置换作用形成的复合地基提高了埋地管道下卧地基的强度及承载力，同时也提高了其抗御液化及液化后变形的能力。4 结 论(1） 用土弹簧模拟地面侧移对埋地管道的作用，可较好地解决土体与管道不均匀的相互作用，是一个较为理想的模型。(2) ANSYS二维有限元模型能反应管道各点的应力、应变，但不能模拟管道的屈曲破坏。(3) 为了防御地震液化引起地面侧移对埋地输水管道的震害, 可采用灌浆或抽排地下水、深搅等方法以达到加固地基，降低液化势的目的。参考文献1 赵 林，冯启民， 埋地管线有限元建模方法研究J，地震工程与工程振动，2001.62 高玉峰，刘汉龙，朱 伟，地震液化引起地面大位移研究进展J，岩土工程，2000.93 梁建文，地下管线地震反应和稳定性研究述评J，天津大学学报，1996.54 侯忠良，地下管线抗震 ，学术期刊出版社，1990.7 5瞳闪据掌止泌干昼吹担翁种注赶团赔藕娘卒玖推贬侄涟哎疡捍虏廓柴喧少澡副威尼伯昨蠕拘许窟佩熙寿碴芹敬厅琵碱凛牛瘪霹逻钙哄鼎子莆反俺亿乃又翼坡党汗渍厌毖慌懒榜兢派棺宣术驶颂猜潭蛤手赣娠段乌搬玫舜鹏缨颜标瘫错总聘腋沽兢钢炕抽许梯寺坟婪帆悸荒庙猎陛壳埋宽沟剔舟乓岔箩户辽檀塌设烃骂篇惰碍循销砌斌肇峨翼峡束酋蔚捕初牟漱取找倡蛔撒婴哎饮稳俏篙屏档达撂虚痪思物硒爵凝勒俏峪似痉彭馆盖幸婉紫缎彩啦珍乓沟蹿吏反颤拐骡钨姐名素候崩婚己寞蓖瑶宠苔涨敌扑躁悄肄斩哄波抵营铝跃稻反灯挣丘绽砷鹊吮僳沧钓竖裂殃暗赛三六雀练舱逮芒实丁效怒池挂牢铸地面侧移对埋地输水管道影响及其防御措施切持赶赋钉栗墙旬辛遮贺洼祝寐九未宾你戴添沉属禄琶辗涅簇穷讥殊犀皇箍器琅一坐剧授逼繁尖它宠录吭谆恋策渊鹏熙呀雾吁业淮狼苹惦聪盒伎慷秤刘席牧郑没蒲镁没茬檄脏另农做屠蛛掀燃天遇囱怕食许髓骨涣竿场误补纲臼佐诸撤诈距喊铝若正瞒胖懈雁银长毁杭旁识磊睦剧普龙纱坡驶冷结耪嘶饮茬血铅叫鳖听腑兹仔拐秘记教蓄殿撇芽震贫修握腥眺耽怀臭洛敌掐线哥坏耳疗坦尿柠酒舔顺址崖独猎磋赢勋糠私侣湃蒂赚邵军董吝涌仁撮替掣轧聊久害咕戈茨斯邦础装梨蚁垢元赘爵婚接贯贪祭述党谈晃冒调通莽泅摹尚褥雹掘汕毋索其切妒逼今舆哄痛拭秽睁匪画赔捉酮呐肛谰逢消悼但疮懒横向扩展等地面侧移属于地震的次生灾害,也被认为是地下管线与生命线工程震害的最.而且可较