（水工结构工程专业论文）滑坡作用下埋地管线反应分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 地震引发的滑坡是导致埋地管线破坏的重要原因之一，而埋地管线又是城市基础建 设的重要组成部分，因此分析滑坡作用下埋地管线的反应规律是必要的。本论文通过对 三种理想滑坡形式作用下的埋地管线进行理论分析，并与有限元数值结果进行验证，研 究管线的反应规律，希望为今后埋地管线的抗震设计工作提供一些依据，主要包括以下 几个方面： ( 1 ) 在对已有研究成果总结的基础上，基于管土相互作用双线性模型i 建立了轴 向滑坡作用下管线的变形及应变分析模型，由有限元模型分析验证了公式的适用性，并 得到一些有益的结论：土体下滑位移较大时，管线的最大轴向应变主要受滑坡长度控制； 当滑坡长度较大时，管线的最大轴向应变受土体下滑位移控制。 ( 2 ) 基于理想弹塑性土体本构关系和弹性梁挠曲理论建立了埋管在有限宽横向滑 坡和无限宽横向滑坡下的变形微分方程，其中考虑了管线由于大变形产生的轴向伸长对 轴向应变的影响。得出管线在滑坡端5 m 附近的轴向应变为最大，大于2 0 m 宽度的滑坡 与无限宽滑坡对管线的影响很接近。建立塑性管模型，模拟管线进入应力强化阶段时的 反应，通过具体算例，定量分析了不同参数如滑坡宽度、土体下滑位移、埋深、管径等 对管线反应的影响程度。根据计算结果得出管线的受力及变形的规律。 ( 3 ) 利用前面分析成果，把深层圆弧滑坡土体运动分解为轴向和横向分量，得到 两分量下管线轴向应变，两者的相加值作为管线最大轴向应变的保守估计。并利用 a n s y s 计算出比较可靠的管线轴向应变。 本文最后提出了埋地管线反应分析中需要进一步研究的问题和发展方向。 关键词：埋地管线；滑坡；理论和数值分析；管土相互作用 滑坡作用下埋地管线反应分析 r e s p o n s ea n a l y s i sf o rb u r i e dp i p e l i n e ss u b j e c t e dt ot h el a n d s l i d e a b s t r a c t b u r i e dp i p e l i n e sa so n eo fp a r to fl i f e l i n ea r ew i d e l yu s e dt ot r a n s p o r to i l ，g a s ，w a t e r , w a s t e ，a n ds oo n t h el a n d s l i d ed u et oe a r t h q u a k ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sx e s u l t e di n d a m a g ea n dd e s t r o yo fb u r i e dp i p e l i n e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oa n a l y z et h er e s p o n s eo f b u r i e dp i p e l i n e ss u b j e c t e dt ol a r g eg r o u n dd e f o r m a t i o n a n a l y t i c a ls o l u t i o n st ot h r e ek i n d so f i d e a l i z e dl a n d s l i d ep a t t e r nu n d e rl a n d s l i d ea r ed e r i v e dc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i l a n dp i p e l i n e m e a n w h i l e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l sa l ee s t a b l i s h e dt ov a l i d a t et h ea n a l y t i c a l s o l u t i o n s s o m ec o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d y i n g ，ab i l i n e a rr e l a t i o n s h i pr e l a t e dt od e f o r m a t i o na n d f o r c ei si n t r o d u c e dt os i m u l a t et h es o i la n dp i p e l i n ei n t e r a c t i o na n dd e r i v et h ea n a l y t i c a l s o l u t i o i l st ob u r i e dp i p e l i n es u b j e c t e dt ot h el o n g i t u d i n a ll a n d s l i d e c o m p a r e dw i t hf e a n a l y s i s ，s o m er e s u l t sa r eo b t a i n e d i fs o i lm o v e m e n ti sl a r g e ，t h ep i p es t r a i ni sc o n t r o l l e db y t h el e n g t ho ft h el a n d s l i d e i ft h el e n g t ho fl a n d s l i d ei sl a r g e ，t h ep i p es t r a i ni sd o m i n a t e db y s o i lm o v e m e n t ( 2 ) b a s e do nt h ep e r f e c t l ye l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lo fs o i la n dt h et h e o r yo f e l a s t i cb e a m ，d i f f e r e n t i a le q u a t i o no fb u r i e dp i p e l i n eu n d e rf i n i t ew i d t ha n di n f i n i t ew i d t h t r a n s v e r s el a n d s l i d ei se s t a b l i s h e d a x i a ls t r a i ni sc o m p o s e do fb e n d i n gs t r a i na n dl o n g i t u d i n a l s t r a i nd u et ol a r g et r a n s v e r s ed e f l e c t i o no ft h e , p i p e l i n e t h em a x i m u ma x i a ls t r a i ni sa tt h e p o s i t i o no fa b o u t5m e t e r sa w a y 筋mt h eb o u n d a r y t h er e s p o n s eo fp i p e l i n eu n d e rt h e2 0m w i d es l o p ei sa l m o s te q u a lt ot h a to ft h eo n eu n d e ri n f i n i t e l yw i d es l o p e t h e np l a s t i cp i p e l i n e m o d e li s 7p r o p o s e dt os i m u l a t et h ep i p ea tt h es t a g eo fs t r e s ss t r e n g t h e n i n g t h ee f f e c t so ft h e w i d t ho fl a n d s l i d e ，t h ed i s p l a c e m e n to fs o i lm o v e m e n t , t h ed i a m e t e ro fp i p ea n dt h eb u r i e d d e p t ha r ea n a l y z e dt h r o u g ha ne x a m p l e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sa b o v e ，t h er e s u l t a n ts o i lm o v e m e n t 、) l ，i md e e pc i r c u l a rs l i d i n g i sd e c o m p o s e di n t ot w oc o m p o n e n t ss u c ha sp a r a l l e la n dp e r p e n d i c u l a rt ot h ep i p e l i n e t h e r e s p o n s e so ft h ep i p e l i n eu n d e rt w os o i lm o v e m e n tc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y ， a n da l g e b r a t i cs u mo fm a x i m u ms t r a i nu n d e re a c ho fc o m p o n e n ti sd e f i n e da st h et o t a lp e a k a x i a ls t r a i no ft h eb u r i e dp i p e l i n e t h e p r o b l e m sa n d f u t u r es t u d y i n ga r es u g g e s t e di nt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ：b u r i e dp i p e l i n e ，l a n d s l i d e ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，s o i l p i p e l i n e i n t e r a c t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：瘟煎绎翠醴照章盔蛋奁驾 作者签名： 刻聱3 日期： 迎& 年l 月z - 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文i 作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题背景、目的和意义 管道作为最经济和快捷的运输石油和天然气的方式，在全世界得到广泛的应用：并 且随着新兴经济国家快速发展的需要，世界油气管道建设持续升温。“十一五期间， 我国将加快油气干线管网和配套设施的规划建设，计划建成西油东送、北油南运的成品 油管道，同时适时建设第二条西气东输管道及陆路进口油气管道。 埋地管线的地震影响研究是防震减灾领域中的重要课题，埋地管线通常用于大范 围、远距离输送石油、天然气等重要战略物资，其特点是管线跨越距离长，侧向抗力薄 弱，受到各种突发灾害的袭击时，容易受到破坏，不仅是埋地管道本身遭到破坏，而且 次生灾害的损失同样严重，因此埋地管道在地震中的震害如何，是工程抗震防灾的主要 课题之一。 造成管道震害的原因基本有两种【l 】：二种是由于地震时土壤严重破坏，失去整体性 及连续性，如山崩、地裂、断层错动、岸坡滑动和砂土液化等，使管道遭受严重破坏； 另一种是由于地震波在土壤中传播，引起土壤变形，夹裹管道产生过大变形而损坏，这 时土壤并未失去整体性和连续性。因此，地震作用对管道产生破坏的原因可归为两类： 一类是强地面运动；另一类是地面永久变形。在地震发生期间和震后都会出现永久地面 位移，它们来源于剪切破坏和体积变化所造成的不可逆变形，并随着地震动或在地震动 后有所增长。各种运动往往都是相互联系的，堤边土的滑移可与滑坡机制和地震动造成 松填的压密有关，此外下层沙层的液化和振动所产生的惯性力也会诱发滑坡。以往多次 地震经验表明，对埋地管线影响最大的是断层引起的地表破裂，其次是砂土液化和滑坡， 最后是强地面运动。地震对管道设施的破坏，主要是由于场地土的变形引起的。这就是 说埋地管线的破坏与否，往往并不是由惯性力大小决定的，而是由于场地土的变形引起 的。所以近年来，场地破坏造成埋地管道的严重破坏被很多学者重视起来。 考虑地面大位移对地下管线的影响，问题关键在于怎样考虑土与地下管线之间的相 互作用。近年来土、结构相互作用问题受到了人们的重视，成为结构工程中的重要研究 课题。随着数值方法的发展，相互作用问题的研究取得了相当大的进展。 地震是我国面临的最严重自然灾害，2 0 0 8 年5 月1 2 日在四j i i 汶川发生的8 o 级地 震造成了大量人员和财产损失。1 9 7 6 年中国唐山地震中，秦京输油管线有4 处被破坏， 流失原油1 万余吨，不仅造成了资源的严重浪费，而且污染了大片农田、河流，造成对 环境的严重破坏。2 0 0 1 年可可西里8 1 级地震，造成格拉管道的破坏。其中地震滑坡是 滑坡作用下埋地管线反应分析 导致管线破坏重要原因之一【2 】。1 9 7 1 年圣费尔南多地震使上温诺尔曼水库附近i l 条管线 受到由横向扩展和液化滑坡产生的永久地面移动的影响。5 条管线因土不均匀位移而遭 到显著破坏。破坏最严重的是水库东侧沿圣费尔南多路横向扩展造成管线变形。管线最 大不均匀横向移动为1 7 m ，大多数与管线垂直，并延伸约7 0 m 。虽然由于滑坡导致埋 地管线事故不是很常见，但是这种特定地事故的发生可能是灾难性的。轻者可以使管道 架空悬垂，严重的可以使管道断裂。并且灾害的长度有时可以达到儿十米甚至几百米。 管线的泄漏或破裂不仅能立即导致火灾和爆炸，而且对环境可以产生长期的影响。近年 来场地破坏造成埋地管线的严重破坏己被很多学者重视，但是地震滑坡对埋地管线影响 的定量研究却数量有限，且得到的结论多是定性的结论，缺少量化指标。所以研究滑坡 情况下管线的失效过程，尤其是实验和数值模拟，对于保证管线的安全运行具有重要的 作用。 1 2 滑坡的定义 地震滑坡的发生是地震和震区的地质、地貌、降雨、地下水等各种环境因素总体综 合作用的结果。滑坡是指在边坡上的大量土体或岩体的边界产生剪切破坏。比如在重力 或者其他力的作用下土体或岩体沿软弱面整体下滑，同所有的物理地质现象一样，滑坡 是发生在一定的地貌、地形、地质、水文和气候条件下的。滑坡有很多不同的规模，其 涉及的范围从几立方米的岩土物质小的下滑( 例如在许多公路端面能观察到的) 到几平方 公里和上百立方米地层的巨大滑动【3 1 。 由于影响滑坡坡型的因素很多，因而准确的确定滑坡的坡型是相当复杂的。滑坡形 式包括深层滑动和浅层滑动，滑坡与管轴线的相对位置包括纵向滑动、横向滑动和斜向 滑动，同时滑动面各点的滑动位移也有不同，因此滑坡形式的合理简化是必要的，是提 出理论模型的基础。本文将分别探讨以下三种滑坡类型，即浅层轴向滑坡、浅层横向滑 坡、深层圆弧滑坡，如图1 1 所示。 横向滑坡轴向滑坡深层圆弧滑坡 图1 1 理想滑坡形式 f i g 1 1 i d e a l i z e dl a n d s l i d ep a t t e r n 大连理工大学硕士学位论文 1 3地震滑坡造成的管线震害 1 3 1 地震滑坡下管线特征 地震作为一种自然灾害，给人类社会造成巨大破坏。对于地下钢管，只有地震烈度 达九度以上的地区才需要在设计时考虑抗震措施。历次大地震震害及研究表明，埋地管 线在遭遇地震作用时，其破坏既有可能由地面永久变形引起，也有可能由地震波传播引 起。地面永久形变的影响范围是有限的，与整个管网的覆盖范围相比是比较小的，但其 往往带动管线随周围土体一起运动，使土体滑动范围内的管段产生相对位移，管段连接 处发生大变形，严重者导致管线破裂、断裂失效，因而其危害性大。地震波的传播也能 使整个管网系统的正常工作受到影响，但其造成的破坏与地面永久变形相比是较小的 4 1 。 埋地管线在地震作用下破坏形式可分为两大类，一类是管线破坏失效，其失效模式 主要有以下三种：拉伸失效、局部屈曲失效和梁式弯曲失效【5 1 。第二类是管线连接部位 破坏失效，其破坏形式随连接方式的不同而不同，例如承插接口较易发生脱离，焊接接 口间易出现滑移，丝扣接口处则可能发生断裂。易滑坡的位置可根据地质方面的研究成 果来确定，而在实际工程中，管线的连接部位都尽量避开此处。本文研究的是第一类破 坏形式。由于地震引发的滑坡产生的土体运动，使管道产生纵向应变和横向变形。管线 周围土质软，管道受拉超过极限，管道会被拉坏；土质很硬时，则会剪切破坏；压缩荷 载下，管道容易屈曲破坏。 第一类问题中，管线拉伸失效的主要特征是在埋地管线的失效位置处，管壁被拉长 变薄，有较明显的颈缩现象，最严重者是管线被拉断。r a m b e r g o s g o o d 本构关系模型 被广泛应用于分析管线变形性能，其数学表达式为： r，ii 、， s ：里l1 + 旦i 盟li ( 1 1 ) e 【“，l 盯y j 在拉伸情况下，r a m b e r g o s g o o d 模型的数学表达式为： r，、， s 嚣旦i1 + 旦i 旦ll ( 1 2 ) e 【1 + 厂l 仃y 1 式中：s 是管线的应变，仃是轴向拉应力，e 是管线材料的杨式模量，o r ，是管材的 屈服应力，甩和r 是r a m b e r g o s g o o d 参数。对于x 一6 0 钢材，n = 1 0 ，= 1 2 ；对于b 级钢，n - - 1 0 ，= 1 0 0 。拉伸情况下g 一= 0 0 4 。 滑坡作用下埋地管线反应分析 屈曲是指结构在受压过程中，当荷载达到某一值时结构由稳定状态突然进入不稳定 状态。管线局部屈曲失效是指管壁的一些部位在承受压应力时出现失稳现象，表现在管 壁出现皱褶起纹。如果荷载进一步加大，较大的几何扭曲将集中发生在这些失稳的部位， 最终产生环管壁的裂缝。通过试验研究，h a l l 和n e w m a r k ( 1 9 7 7 ) 认为管线屈曲失效时的 应变值为： o 1 5 t r 6 m x 0 2 0 t r ( 1 3 ) 式中：r 是管线的壁厚，r 是管线半径。通过对实际震害的调查统计，式( 1 3 ) 的取值 范围较适合薄壁管线，对厚壁管则有些保守。 管线的梁式弯曲失效与欧拉( e u l e r ) 柱屈曲相似，发生梁式屈曲时，管线产生屈曲变 形的长度较大，影响范围也大。梁式屈曲也是因管线受压造成的，它与局部屈曲失效最 大的不同是虽然相当长的管线离开原来的埋置位置，甚至拱出地表，但管子没有破裂， 管线的输送功能没被破坏。正因为此，其失效准则较难以确定。研究发现，此种情况的 发生与管子抗弯刚度、埋置深度和管线布设方案的某些缺陷有关。当管线埋置深度较浅， 且回填土较疏松时，梁式屈曲往往发生。避免其发生则必须保证管子有一定的埋置深度， 但此深度也不能过大，否则，将出现局部屈曲失效。 断层运动、滑坡等整体地面运动是可能导致屈曲的大压应变的最大可能因素，这是 准静态现象。在接近震中的地区，地震的动应变也可能导致屈曲。但l e e 、a r i m a na n d c h e n l 6 1 证明这一问题用静力分析即可。 本文研究的管线没有初始缺陷，不考虑梁式屈曲( 整体屈曲) 这一变形模式，主要 研究轴心受拉变形和轴心受压下的局部屈曲。 1 3 2 埋地管线抗震设计准则 地震作用下，管道的抗震验算一般包括三方面内容：一是强度验算；二是延性验算； 三是屈曲验算。国内外现行的各类管道设计标准大多数都是遵循传统的基于许用应力的 设计准则，即保证外载产生的管道应力或等效应力不高于管材本身的最低屈服应力。这 种设计方法曾经为过去和现在的管道安全运营提供了很好的保障。但当遇到地震、滑坡、 海底管道敷设等情况时，对于管道应力超过比例极限后的继续变形，基于应力的设计准 则已不再适用，应采取以应变为基础的设计f 8 】。同时对于延性高的管材，在载荷作用下 产生应变后，外载荷有被管道变形吸收的特点，此时应用基于应变的管道设计准则更为 合理。因此，基于应变的管道设计研究十分必要。挪威船级社发布了海底管线的极限设 计准则。基于应变的管道设计准则从提出以来就一直备受关注，但无论是写入标准的设 计准则条文，还是已有的研究成果，基于应变的设计准则和相应的评估方法都不十分完 大连理工大学硕士学位论文 善，仍有许多方面需要改进和发展【7 - 9 】。我国管道建设面临诸如地震、滑坡、泥石流等 各种地质灾害的威胁，但我国基于应变的管道设计准则还没有明确地提出和大范围地开 展研究。本文将基于应变的管道设计准则就地震滑坡作用下埋地管道的反应开展研究。 1 4 本课题发展现状和趋势 1 4 1 研究现状 ( 1 ) 试验方法 2 0 0 4 年f r a n c e s c oc a l v e t t i 1 0 】采用下沉土箱对管道的力学性能进行了试验，利用钢丝 滑轮系统对管道缓慢地施加横向力，避免动力影响。并采用离散元法分析滑坡作用下管 土作用，认为非耦合弹簧并不能很好地描述管土相互作用，特别是在管线浅埋的情况下。 ( 2 ) 解析方法 解析方法一般把管子这种薄壳结构用索或梁模型简化后进行理论分析，概念简单计 算方便，可以手算，便于工程实际运用。 纵向滑坡方面： o r o u r k e 等人【l l 】采用r a m b e r g o s g o o d 模型进行管线应力应变分析，提出了管土交 界面力变形的弹塑性模型，在此模型中，假定管土相对位移很小并且不被考虑。得出 管道最大应力随着埋设深度、土介质粘聚力、密度和摩擦角的增加而增加。证明了管线 在拉伸状态下不易发生管壁破裂，如果管线没有初始缺陷则受压状态下屈曲破坏被认为 是它的失效模式。 横向滑坡方面： 贼a i l i 等人【1 2 】采用简化方法分析管线在横向滑坡作用下的力学行为，模型中假定管 的位移，未考虑管土相互作用，只研究无限宽横向滑坡情况。通过分析认为，在滑坡初 始阶段，管道与土皆处于弹性阶段，随着滑坡运动加剧，管周围土介质产生极限抗力， 管道仍然保存弹性。接着，管道出现塑性铰。文献中也有对土的参数敏感性分析，得出 在小变形阶段地基弹性模量对管道影响显著，在大变形阶段，影响不明显。上述方法假 定管线是埋子弹塑性土中的弹性钢管，得到管道变形量的解析解，未考虑管土相互作用。 1 9 9 9 年c h a n t l 3 1 首次考虑管土相对位移对管线应力的影响，得出在三种典型滑坡下 管线应变数学模型，并进行了管线可靠度分析。 1 9 9 1 年梁政【1 4 】分别讨论了纵向滑坡和横向滑坡作用下管线受力情况。该模型把滑 坡段管道处理为悬跨段，两侧管道仍处于埋设状态。考虑了埋设管道弯曲变形对悬跨管 道变形的影响。采用纵横弯曲弹性地基梁原理分析方法有一定局限性，且力学公式过于 简化。 滑坡作用下埋地管线反应分析 张东臣【1 5 】研究了当地滑力对管道的作用不垂直于管轴、也不沿管轴方向，而是与管 道的轴心成一定的角度的情况。得到管道受地滑力段中部位移，管道应力最大点位于受 力段的端部。并分析了地滑力大小、作用力角度和受力管段长度等对管壁应力的影响， 但未考虑管土相互作用。 目前国内没有学者对管线在滑坡作用下破坏机理做系统的有限元分析，理论分析也 不够成熟。 ( 3 ) 数值方法 解析方法将埋地管道模拟成梁或索，概念简单，计算方便，便于在工程实际中应用。 但计算结果不够准确，很难给出管道上应力细节分布。在滑坡的后期阶段，管道和土体 的变形都要进入到非线性状态，当管截面存在大变形的情况下，管内的轴向应变与弯曲 应变相互影响，也就是说不能简单叠加轴向应变和弯曲应变得到管的总应变，管子的轴 力也不可以近似地用f = oa 计算。另外，在管道受滑坡作用的实际情况中，+ 管还会出 现应力残余和应力集中等现象，这些现象用理论分析方法都难于考虑。所以近年来有限 元数值分析方法成为热点。利用有限元方法分析可以给出详细的管道应力场，计算结果 较为准确。用三维有限元计算模型分析管土作用，便于观察分析管线的变形部位和变形 大小，同时也可以了解管线对土体产生的影响。 h i r o s h iy a t a b e 1 6 】采用a b a q u s 软件分析弯管在永久地面大位移下的反应；a l i e nj a y e v a i l s 分别建立7 - - 维和三维有限元管道模型，土体采用线弹性本构关系；王泸毅【1 8 】 基于r a l l k e t l 土压力理论，分析建立了土一管道的相互作用模型，采用有限元方法按接 触问题进行计算，得出了不同坡度、不同长度的滑坡发生时管道的应力分布，并提出 了防治的措施。 1 4 ，3 发展趋势 埋地管道在上覆土层和地面荷载等作用下，管道将因受力而变形，管周土体既是作 用在管道上的荷载，同时又是增强管道强度和刚度的一种介质。因此，在研究埋地管道 的工作机理时，必须把管道周围一定范围内的土体作为结构的一部分加以考虑，所以我 们在做理论分析的时候必须把管土相互作用考虑进来。 尽管国内外学者和工程人员对埋地管道在地震作用下的破坏机理研究方面取得了 丰硕的成果，但还没有统一的埋地管道基于应变的抗震设计准则。2 0 0 4 年3 月在北京十 三陵召开的“中国石油管道技术与管理座谈会 的科研院所分组讨论会上，相关专家指 出，基于应变的油气输送管道设计方法、理论是目前国外管道设计方法、理论的发展方 向。随着越来越多的油气长输管线的铺设，特别在地面峰值加速度为0 4 9 以上地区的 管道建设，管道设计必须要考虑强震作用下因断层错动、滑坡和波动效应对埋地管道进 大连理工大学硕士学位论文 入塑性状态的影响。另外从国际上建筑物的抗震设计发展方向来看，人们不再满足于过 去对建筑物的弹性设计，推出了塑性设计，继而提出极限状态设计( 性能设计) 的观点。 埋地管线抗震设计的今后方向也将沿此发展下去【1 8 】。当土体的滑动量比较大时，管子和 土体的变形都要进入到非线性状态，这时理论分析方法将变得非常复杂。近年来随着计 算机的飞速发展，研究者们提出多种基于有限元模型的分析方法来研究这种管内大变形 的情况。 但是，由于地下管线抗震研究涉及到土的非线性和管一土相互作用等许多问题，为 了使结果更加科学可靠，还要不断深入研究管土相互作用模型。 a n s y s 程序是一个功能强大的有限元分析软件。其不断改进的功能包括：结构高 度非线性分析、接触分析、自适应网格划分、大应变侑限转动分析等。而且具有丰富的 单元库，其中包括空间弹塑性梁单元和解决土体与管线间相互作用的接触单元，还可以 定义材料的非线性参数；在问题的求解时，可定义不同的荷载步及收敛准则，因此给非 线性有限元的求解带来了很大的方便。综合考虑各种模型的优缺点，本文认为运用此软 件分析地面大位移对地下管线的影响较为理想：可定义土体材料的非线性，并采用土弹 簧单元模拟土与管线的非线性相互作用和对管线的大变形破坏进行分析，同时可以控制 有限元分析的精度。 1 5 本文主要研究内容 本文旨在通过对埋地管道在地震滑坡作用下的失效模式开展研究，采用理论推导和 数值验证相结合的研究手段，提出和验证在地震引起的滑坡作用下埋地管道的计算方 法。具体工作如下： ( 一) 在前人研究的基础上介绍了埋地管线几种研究方法，着重介绍了本文采用的 弹性地基梁法和有限元研究方法。 ( 二) 介绍了三种理想滑坡形式下的管线受力理论模型，基于地基梁原理推导管线 变形方程的广义解。 ( 三) 建立有限元模型，利用a n s y s 软件进行分析，并通过大量计算，定量分析 了滑坡长度、土体滑动量、管线埋深、管线径厚比等因素对反应结果的影响，对计算结 果进行比较，寻找敏感因子，以期总结埋地管线在滑坡情况下应力应变反应的变化规律。 并选取个别工况进行理论模型和数值模拟验证。 ( 四) 对全文内容进行总结，得出主要结论以及不足之处，并对埋地管线研究下一 步的工作研究提出展望。 滑坡作用下埋地管线反应分析 2 滑坡作用下埋地管线研究方法 2 1 前言 埋地管线的地震影响研究是防震减灾领域中重要的研究课题，受到越来越多的关 注。埋地管线通常用于大范围、远距离输送石油、天然气等重要战略能源物资，其特点 之一是管线跨越距离长，侧向抗力薄弱，受到各种突发灾害的袭击时，易受到破坏。埋 地管线在遭遇地震作用时，其破坏既有可能由地面永久变形导致，也有可能由地震波传 播引起。地面永久形变影响范围是有限的，与整个管网的覆盖范围相比是比较小的，但 其往往带动管线随周围土体一起运动，使滑坡两侧的管段产生相对位移，管段连接处发 生大变形，严重者导致管线破裂、断裂失效，因而其危害性大。地震波的传播也能使整 个管网系统的正常工作受到影响，但其造成的破坏与地面永久变形相比是较小的，地面 大位移对地下管线的破坏往往具有多种非线性特性【1 9 1 。 2 2 滑坡作用下管线的非线性行为 2 2 1 非线性状态描述 地下管线是一种特殊的地下结构，周围受土介质约束，其特性在很大程度上受土的 限制，而且滑坡位移对地下管线的破坏往往具有多种非线性：( 1 ) 管线破坏的几何非 线性； ( 2 ) 土与管线相互作用的状态非线性；( 3 ) 管道和土材料的非线性。 固体力学( 或结构力学) 问题，从本质上讲是非线性的，线性假设只是实际问题的一 种简化1 2 0 j 。在有限元分析中的线性假设包括下列含义，即结点位移为无限小量，材料为 线弹性。加载时边界条件的性质保持不变。于是静力平衡方程可表示为 k 凇 - 尸 ( 2 1 ) 式中：【k 】为刚度矩阵： p ) 为荷载矢量； 占 为位移向量。由于 k 】和 p ) 的元素均为 常数，故位移响应是载荷的线性函数。这就是所谓的线性有限元分析。如果上述假设中 任何一条不能满足，则属于非线性有限元分析。 概括来说，结构的非线性问题就是指结构的刚度随其变形而改变。所有的实际物理 结构均为非线性的，而线性分析只是一种近似。显然，对于许多实际结构来说，仅仅线 性分析是远远不够的，必须进行非线性计算分析。这样，分析出来的结果才能更好地模 拟实际情况。在非线性分析中，结构的刚度矩阵在分析过程中必须进行多次的集成、求 逆，这使得非线性分析求解比线性分析昂贵得多。另外，由于非线性系统的响应依赖于 大连理工大学硕士学位论文 所施加荷载的大小，因此不可能通过叠加来获得不同载荷情形的解。每种载荷情形都必 须作为独立的分析进行定义及求解。 ( 1 ) 材料非线性 材料非线性最为常见，它指材料在小应变时具有良好的线性应力一应变关系，但在 应变较大时材料发生屈服，在该点后，材料进入塑性状态，材料的响应变成了非线性和 不可逆的。管在滑坡土体位移下，应变随着土体位移和各项影响因素的变化而增大，进 入材料非线性阶段，土体亦然。a n s y s 非线性分析在分析过程中添加了非线性本构模 型，以及非线性方程解法的选项。塑性分析中考虑塑性区域的材料特性，a n s y s 程序 提供了多种塑性材料选项，主要有这么四种典型的材料选项：经典的双线性随动强化、 双线性等向强化、多线性随动强化、多线性等向强化。 ( 2 ) 几何非线性 地下管线在地面大位移作用下会产生很大变形，变化的几何形状可能会引起管线的 非线性响应。一般来说，随着管线各点位移增长，引起管线单元坐标变化，从而改变管 线的刚度。典型的地下管线的几何非线性问题就是管线在地面大位移作用下的失稳破坏 ( 即为管线的屈曲) 。研究表明：屈曲破坏在塑性范围内轴向应变值0 0 0 2 0 0 1 时产生， 特别是当地下管线与地面大位移的方向有一定夹角时，地面大位移运动会使地下管线产 生拉伸或压缩。管线受压，大多情况下管线会由失稳而造成屈曲破坏。地面大位移使管 线产生大压应变是导致管线屈曲的最大可能因素，这一问题可采用静力分析。 ( 3 ) 土与管线相互作用的状态非线性 土体滑移时，土与管线的相互作用有两种非线性：一是土与管线摩擦作用的非线性； 二是土与管线接触的非线性。 土与管线摩擦作用的非线性【2 当管线与土体水平运动方向平行时，管线与上覆土层间的摩擦具有非线性。根据 t r a u t m a n n 等( 1 9 8 3 ) 和w h a t a 等( 1 9 9 4 ) 在非液化土和干砂中的试验。当管线与土体水平运 动方向平行时，土作用于管线的摩擦力与管土间相对位移之间的关系( 如图2 1 ) ：即开始 阶段管土间的作用力与管土间的相对位移是线性关系，而发生相对滑移后，管土间相互 作用力保持不变。 土与管线接触的非线性 地震引起地面大位移时，上覆土层与管线间可能接触也可能分开，这就涉及到状态 非线性中的接触问题。接触问题存在两个较大的难点，其一，在求解问题之前接触区域， 表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，它随地面位移值、土性材料、边界条件 滑坡作用下埋地管线反应分析 和其他因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，摩擦问题使接触问题的求解收 敛变得困难。 摩 擦 力 域管土间相对位移胁 图2 1 管土相互作用关系 f i g 2 1f o r c e - d i s p l a c e m e n tr e l a t i o n s h i po fs o i la n dp i p e 2 2 2 非线性的求解 ， 非线性有限元求解方法分为三类，即增量法、迭代法、和增量迭代法【2 2 】。 ( 1 ) 增量法：其基本思想是把总荷载分成有限个量，每次施加一个荷载增量，而 在每级增量区间内，其刚度矩阵是常量，对于每级荷载都可以求出位移应力及应变增量 把这些增量累加起来，就可以得出任一级荷载下的总位移、总应力和总应变，因此增量 法就是用一系列线性分析来逼近非线性的应力应变关系。只是增量法事先很难确定荷载 增量的取值，以得到比较满意的近似解，因而判断增量法解答的误差很难。 ( 2 ) 迭代法：相对于增量法，迭代法在精度上控制比较容易，但不能得到全过程 的形态，还可能不收敛。在以迭代法为基础的增量求解过程中，每次迭代结束后，应检 查得到的解是否收敛到预定的误差范围之内或迭代是否收敛。如果收敛公差太紧，就会 为不必要的精度花费太多计算量；反之，又得不到精确的解。因此，给出适当的收敛准 则，对于增量解法极为重要。在收敛准则中，所用的求解变量有三种，即位移、不平衡 力和增量内能。对于不同类型的非线性问题，使用各种收敛性检查时可以反映不同的特 性。 ( 3 ) 增量迭代法吸收两者优点，避免缺点，提高非线性分析的精度。实质就是把外 荷载分为若干增量，对每级荷载增量进行若干次迭代，使得计算时间太长，对大型有限 元计算不适用。 本文针对滑坡问题采用完全的n e w t o n r a p h s o n 方法。它属于迭代方法的一种。这 种方法适用于大变形。计算过程是：程序每进行一次平衡迭代，就修改一次刚度矩阵， 大连理工大学硕士学位论文 当迭代的残余项在减小，而且没有负的主对角线出现，程序就仅使用正切刚度矩阵。一 旦在一次迭代中出现发散或主对角线为负，程序将不再继续进行当前迭代，而是重新开 始应用正切和正割刚度矩阵的加权组合来求解。 2 3 几种埋地管线研究方法 地埋管道在上覆土层和地面荷载等作用下，管道将因受力而变形，由于管道左右侧 壁和底部外凸挤压土体，引起了土体对管道的弹性抗力，约束管壁向外变形，以弥补管 壳刚度的不足，这对刚度较低的柔性埋管尤为明显。由此可见，埋地管道支承上覆土压 力的能力是由管道本身的强度和刚度与因管环受压变形而产生的管侧土介质抗力两部 分组成。也就是说，管周土体既是作用在管道上的荷载，同时又是增强管道强度和刚度 的一种介质团】。因此，在研究埋地管道的工作机理时，必须把管道周围一定范围内的土 体作为结构的一部分加以考虑，即考虑管土相互作用问题。那么依据管土相互作用模型 来分类，迄今为止主要有弹性地基梁模型、基于土弹簧的有限元模型和管土相互作用的 非线性接触模型。以下介绍这几种模型在数值分析中的应用。最后结合这三种力学模型 的优缺点，本文将分别推导滑坡情况下的埋地管线的理论分析模型和土弹簧有限元模 型，通过算例分析埋地管线反应情况。 2 3 1 弹性地基梁模型分析方法 ( 1 ) 解析法 在弹性地基梁的计算原理中，重要的问题是如何确定地基反力与地基沉降之间的关 系，或者说，如何选取地基模型的问题 2 4 , 2 5 1 。同时土模型理论的发展也制约着埋地管线 计算与实际工况的模拟程度。土模型的发展主要经历以下几个阶段： 反力直线分布的假设 为了确定地基反力的直线分布图形，只需要先求出梁端的地基反力集度( 可由力和 力矩平衡方程求得) ，然后连成直线图形。该假设实际上包括以下几点： 1 假设梁是绝对刚性的，只产生刚体移动和转动，即假设梁没有弹性变形； 2 假设任何一点的地基反力与该点的地基沉陷y 成正比。 局部弹性地基模型【2 6 】( 温克尔假设) 包括以下两点假设： 1 假设地基表面任一点的沉降与该点的单位面积上所受的压力成正比，把地基模拟 为刚性底座上的一系列弹簧，弹簧是彼此独立的； 2 考虑梁本身的实际弹性变形。 滑坡作用下埋地管线反应分析 缺点是没有考虑地基的变形连续性，特别对于密实的厚土层地基和整体岩石地基， 将会引起较大的误差。但是如果地基上部为软弱土层的时候，地基的情况与假定的弹簧 模型比较接近，将得出比较满意的结果。 半无限体弹性地基假设 把地基看做一个均质、连续、弹性的半无限体，反映地基的整体连续性，但是这个 模型在数学处理上比较复杂，因此在应用上也受到一定的限制。埋地管线的受力特点和 弹性地基梁的受力特点相符合。根据工程的实际情况和土质特点，本文的部分理论推导 选用局部弹性地基模型( 温克尔假设) 。在分析计算的过程中主要达到实际模型和计算 模型之间边界条件的转换和正确处理，及从三维压力荷载到二维线荷载的转化。 下面简单介绍w i n k l e r 模型算法： 弹性地基梁计算理论中有关于计算地表荷载增加时地基梁附加应力的方法。该方法 是根据受力条件和材料特性，应用弹性地基梁的基本理论，结合具体的边界条件和荷载 条件求解位移、弯矩及剪力。 w i n k l e r 地基模型由捷克工程师w i n k l e r 于1 8 6 7 年提出，该地基模型实质上是将地 基看作无数分割开的小土柱，表现为一根根弹簧组成的一系列各自独立的弹簧体系。该 模型假设地基上任一点所受的压力强度p 与该点的地基沉降s 成正比， p = k s ( 2 2 ) 式中：k 为基床系数。 在地基梁的计算中，通常用p 表示沿梁单位长度内的地基压力，称作地基压力的线集 度。线集度p 与压强。之间有如下关系 p = c r b ( 2 3 ) 其中：b 为梁的宽度。因此，温克尔假设可改写为 p = k y ( 2 4 ) 其中：k 为地基系数，它的量纲是力长度2k = k o b ，k o 称为地基系数或垫层系数，量 纲是r 力 长度1 3 。其物理意义为：使地基产生单位沉陷所需的压强。 局部弹性地基上的梁，在荷载g ( x ) 作用下，梁和地基的位移为y ( x ) ，梁与地基之 间的压力为p ( x ) 。在局部弹性地基梁的计算中，通常以位移函数少( z ) 作为基本未知量。 j 4 从梁来看，挠度y ( x ) - 辙q ( x ) 、地基压力p ( z ) 的关系为：e 1 芳= g ( x ) 一p ( x ) ，其 中，日为梁截面的抗弯刚度。从地基梁来看，根据温克尔假设，如公式( 2 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 髓箬+ i o , = g ( x ) ( 2 5 ) 出4 u7 如令卢= 志 基本微分方程可写成： 磐+ 钺4 y ：盟 ( 2 6 ) i 十m2 百 “闷7 方程的通解可表示为： y = e 从【qe o s ( z x ) + c 2s i n ( a , x ) + e 一缸 c 3 e o s ( a , x ) + c 4s i n ( x x ) 】+ y l ( x ) ( 2 7 ) 其中，四个任意常数q 、c 2 、c 3 、c 4 可由地基梁的4 个边界条件求出。位移y ( 石) 求出后， 梁任意截面的转角0 、弯矩m 、剪力q 可由下列微分方程求得： 口：型 出 m ：一日塑：一日坐2 8 ) 出出 q ：丝：一日宴 一 出出3 1 9 9 8 年邓道明讨论了横向滑坡过程中的管道反应，将滑坡体中的管道简化为大 挠度的梁，滑坡体外管道看作半无限长的梁或杆，按纵横弯曲问题考虑管梁的几何非线 性及管道内压和温差作用，推导得出管道内力和位移的有关计算式。