（岩土工程专业论文）场地震陷对地下管线影响研究.pdf

摘要 摘要 地震引起的地层沉陷导致埋地管线破坏的事例有很多，为了保证埋地 管线的安全和正常使用，研究场地震陷对埋地管线的影响具有重要意义。 本文运用a n s y s 有限元分析软件，考虑管一土相互作用，对震陷区埋地 管线进行了一系列的数值模拟研究，模拟内容包括三大非线性：几何大变 形非线性、材料非线性及接触非线性，并对震陷区埋地管线的反应特点进 行了分析。论文主要进行了如下工作： 1 总结了埋地管线的抗震研究的一些成果并介绍了震陷区埋地线反 应分析研究现状；阐述了震陷区埋地管线抗震研究的必要性，在此基础上 提出了论文的研究目标和方法。 2 分析了已有的各种数值模型的优劣，在此基础上确定了本文研究 中采用的模型。其中土体采用d - p 实体模型，管线采用线弹性壳模型，管 一土相互作用采用接触模型，管土体系采用三维模型。 3 阐述了采用a n s y s 有限元分析软件进行震陷区管线数值模拟的基 本思路，包括非线性分析在a n s y s 中的实现、单元选取、有效计算区域、 边界条件确定方法、管土体系模型的确立。对于震陷区的实现论文采用的 是对一定区域下土体进行挖空，然后模拟土体自重作用下的反应，这样可 以实现土体漏斗状的震陷效果，而且土体的变形是连续的。经过模拟试算， 震陷效果符合实际情况。 4 研究了土体材料性质、土体震陷量、震陷区大小、管线埋置深度、 不同径厚比及相同径厚比这一系列工况下对管线反应的影响，寻找了管线 破坏的敏感因子，得出了一些有益的研究成果：1 ) 震陷区管线的反应因 土体性质的差别相应有很大差别；2 ) 土体震陷量越大，管线反应越大， 但当震陷量达到一定值时，管线反应变化不大；3 ) 震陷区在一个合适的 范围内时，它对管线的破坏影响最大：当震陷区小于或大于这个范围时， 对管线的影响都小于这个特定震陷区域范围对管线的影响；4 ) 埋深越浅 的管线所产生的附加应力和附加应变越大；5 ) 震陷区对管线的破坏影响 随径厚比增大而增大；6 ) 径厚比不变时，震陷区对管线的影响随管线直 径减小而增大。 5 对论文工作进行了分析与总结，最后提出下一步工作展望。 论文研究成果对震陷区管线的抗震设计有重要参考价值。 关键词t 埋地管线，场地震陷，管一土相互作用，非线性 a b s t r a c t a b s t r a c t al o to fb u r i e dp i p e l i n e sh a v eb e e nd e s t r u c t e db yt h es t r a t u ms u b s i d e n c e ， w h i c hi sc a u s e db yt h ee a r t h q u a k e i no r d e rt og u a r a n t e ei t s s e c u r i t ya n d n o r m a ls e r v i c e i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h ee f f e c to fs i t es u b s i d e n c eo nt h e b u r i e d - p i p e l i n e t h eb u r i e d p i p e l i n ei nt h es e t t l e m e n tr e g i o nh a sb e e ns i m u l a t e db yt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s n o n l i n e a ra n a l y s i si sc o n s i d e r e d ，g e o m e t r i c g r o s sd i s t o r t i o nn o n l i n e a r , m a t e r i a ln o n l i n e a ra n dc o n t a c tn o n l i n e a r t h e f o l l o w i n gp o i n t sa r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s ： 1 s o m es e i s m i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fb u r i e d p i p e l i n e a r e s u m m a r i z e da n dt h er e s e a r c hs t a t u so nr e s p o n s ea n a l y s i so fb u r i e dp i p e l i n ei n s e t t l e m e n tr e g i o ni si n t r o d u c e d b a s e do nt h i si d e a , t h er e s e a r c hm e t h o da n d r e s e a r c ht a r g e ti sp u tf o r w a r d 2 t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e o r i e so nv a r i o u sn u m e r i c a l m o d e l sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i s d pm o d e li su s e df o rs o i lb o d y , s h e l lm o d e li su s e df o rp i p e l i n e ，c o n t i g u i t ym o d e li su s e df o rp i p e s o i l i n t e r a c t i o na n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sa r eu s e df o rt h es y s t e mw h i c hi s c o m p o s e do fs o i la n dp i p e l i n e 3 t h eb a s i ci d e a so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y si si n t r o d u c e d t h er e a l i z a t i o no fn o n l i n e a ri na n s y s 、t h ec h o o s eo f e l e m e n tt y p e 、t h ee f f e c t i v ec a l c u l a t i o na r e a 、t h em e t h o do fc o n f i r m i n g b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to fp i p e s o i li n t e r a c t i o nm o d e la r e i n c l u d e d t h es e t t l e m e n tr e g i o ni sr e a l i z e db ys u c hm e t h o di nt h i sr e s e a r c h ： t h es o i lu n d e rac e r t a i na r e ai sd u gh o l l o w , a n dt h er e s p o n s eo fs o i lu n d e rs e l f w e i g h ti ss i m u l a t e d t h ef u n n e l s h a p e de f f e c to fg r o u n ds e t t l e m e n tw h i c hi s c a u s e db ye a r t h q u a k ei sr e a l i z e d a n dt h ed e f o r m a t i o no fs o i li sc o n t i n u o u s t h o u g hs i m u l a t i o na n dt r i a lc a l c u l a t i o n ，t h ee f f e c t so fg r o u n ds e t t l e m e n ti si n a c c o r dw i t ht h ef a c t 4 t h er e s p o n s eo fp i p e l i n ei si n f l u e n c e db yas e r i e so fc o n d i t i o n s ，w h i c h i n c l u d em a t e d a lp r o p e r t i e s ，a m o u n to fs e i s m i cs u b s i d e n c e ，d i m e n s i o no f s e t t l e m e n ta r e a ，t h ed e p t ho fp i p e l i n eb u r i e d ，t h es a m ea n dt h ed i f f e r e n t d i a m e t e r - 也i c k n e s sr a t i o t h ee f f e c t so fas e r i e so fm o d e lp a r a m e t e r st ot h e r e s p o n s eo fp i p e l i n ea r es t u d i e d ，a n ds o m em e a n i n g f u lr e s u l t sh a v eb e e n o b t a j n e d 1 ) t h ed i 行e r e n tr e s p o n s e so fp i p e l i n ei ns e t t l e m e n tr e g i o na r e s h o w e db e c a u s eo fd i f f e r e n ts o i lp r o p e r t y 2 ) t h em o r ea m o u n to fs e i s m i c s u b s i d e n c e t h el a r g e rr e s p o n s eo fp i p e l i n ei s b u tw h e nt h ea m o u n to fs e i s m i c s u b s i d e n c ei sa tac e r t a i nv a l u e ，t h ec h a n g eo fr e s p o n s eo fp i p e l i n ei sv e r y l i t t l e 3 ) m l e nt h ed i m e n s i o no fs e t t l e m e n ta r e ai sa ta na p p r o p r i a t er a n g e ， d e s t r u c t i o ni n f l u e n c et ot h ep i p e l i n ei sl a r g e s t 4 ) t h em o r es h a l l o wt h e p i p e l i n eb u r i e d t h el a r g e rt h ea d d i t i o n a ls t r e s sa n da d d i t i o n a is t r a i ni s 6 ) t h e d e s t r u c t i o ni n f l u e n c eo fs e t t l e m e n tr e g i o nt ot h ep i p e l i n ei si n c r e a s e dw i t ht h e i i 中国地震局工程力学研究所 l a r g e rd i m n e t e r - t h i c k n e s sr a t i o 6 ) t h ed e s t r u c t i o ni n f l u e n c eo fs e t t l e m e n t r e g i o nt ot h ep i p e l i n ei s i n c r e a s e dw i t h也es m a l l e rd i a m e t e r , w h e nt h e d i a m e t e r - t h i c k n e s sr a t i oi si nt h es a m es i z e 5 t h es t u d yi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，a n dt h er e s e a r c hn e e dt ob e d o n en e x ti sp r e s e n t e d t h ei m p o r t a n tr e f e f e n c ev a l u ef o rs e i s m i c d e s i g no fp i p e l i n ei n s e t t l e m e n tr e g i o ni sp r o v i d e db yt h er e s e a r c hr e s u l t s k e y w o r d ：b u r i e dp i p e l i n e ，s i t es u b s i d e n c e ，p i p e s o i li n t e r a c t i o n ，n o n l i n e a r 1 1 1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得中国地震 屋王程左堂婴塞压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘攫豆盆 签字日期：z 垒鱼墨。z ? z 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫国丝蕉屋王猩左堂鲤究逝有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权主垦丝震屋王猩左堂婴塞逝可以将 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：垂日丝垂幺 导师签名： 签字日期： 2 垒垒基zl 乙签字同期：2 竺堑。乙三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景、目的及意义 地下管线在输水、油、气( 汽) 以及供电、交通、运输和排水工 程中得到广泛应用，已成为现代工业和城镇生活的大动脉。地下管线 的破坏将带来严重的直接或次生灾害。不仅仅因为管线本身的破坏会 造成直接经济损失，还会因为管线所担负的服务功能被迫中断造成比 直接经济损失更大的间接经济损失。例如19 0 6 年美国的旧金山地震和 1 9 2 3 年日本关东地震，由于地下供水管线的破坏，震后大火无法及时 扑灭，所造成的财产及生命损失更甚于地震1 3j 。1 9 6 4 年日本新舄地震 时，大面积土壤液化和液化流动，许多管线遭受破坏，埋地钢管出现 屈曲。19 7 1 年美国圣费尔南多地震，在纽霍洛姆至圣费尔南多的主干 钢管线中有大量的破坏，在土体产生明显变形的长约l0 k m 的地段发 现5 2 处断裂；由于大量的管线断裂，迫使口径3 0 0 m m 长1 5 k m 的煤 气管段全部拆除。l9 7 6 年唐山地震塘沽和汉沽地区由于土壤液化，其 管线破坏比震中1l 度区还要严重。19 9 4 年美国北岭地震，大型输水 干管破坏，有的修复期达6 7 天。19 9 5 年日本阪神地震，神户市断水 率8 9 2 ，供水管线震害率达4 0 处k m 。1 9 9 9 年我国台湾集集地震， 供水管线破裂，其损坏率占整个管线和管件的6 4 8 。 地下管线的地震破坏主要是由于断层、滑坡、震陷、土壤液化等 地震地质震害造成地基失效以及地震波传波效应产生的土层波动变形 造成的。其中场地震陷或沉降是地下管线遭受破坏的主要原因之一。 例如在唐山大地震中，度区天津结核病疗养院内的暖气沟，位于海 河裁弯取直回填地段，地面裂缝，沉陷8 0 厘米，暖气沟及沟内管线均 截为两段。19 4 8 年10 月5 日阿什哈巴德地震中，管线基础不均匀沉 降使管线产生裂缝和折断，地下管线破坏集中在土层出现较大变形和 伴随着地表出现裂缝的附近区段。19 6 4 年日本新舄地震，因明显的不 均匀沉降引起管线屈曲和因地基砂土液化造成检查井隆起等占总破坏 量的7 5 。l9 8 5 年9 月1 9 日墨西哥市发生7 8 级地震，管线震害调查 表明，管线破坏的主要原因之一是管线不均匀沉降，常常发生在刚性 接口的管线中，以及发生在与水平管段连接的竖向管段中。 自从19 6 4 年美国阿拉加斯、日本新舄地震以来，滑坡和地基失效 造成的地下管线破坏研究愈来愈受到国内外工程界的重视。早在2 0 世纪6 0 年代末n e w m a r k 就对地下管线进行了抗震研究，分析中忽略 了惯性力的影响，同时假定管线与土一起运动。目前包括美国、中国 在内的许多国家的相关规范都基于该假定。此后大量工程专家对地下 管线在各种荷载作用下的反应进行了大量理论分析和实验研究工作， 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 并制定了相应的抗震设计规范和施工规范，以提高地下管线的抗震能 力。 在土体震陷作用下地下管线反应分析方面的研究却不多见。根据 作者所查的文献，日本神户大学的高田至郎在这方面做了一系列实验 和理论研究工作：另外高惠瑛对沉陷区管线的几何大变形用三次曲线 进行了模拟。鉴于地下管线抗震研究的重要意义，本文利用有限元理 论，采用大型通用有限元分析软件a n s y s 对埋地钢管线在土体震陷 位移作用下的反应进行了分析和研究。 1 2 地下管线震害影响因素和抗震分析方法概述 1 2 1 地下管线震害影响因素和破坏特征 造成地下管线破坏的因素是多方面的，主要有外因和内因两方面。 管线破坏外因有不良地质条件、自然灾害( 如地震) 和人为破坏 等因素。地下管线是埋于填覆土中的，管线工程的全部载荷都由它下 面的地基来承担。由于大自然的作用和人为活动的结果，填覆土的物 质组成、工程特性以及自然环境，各处是不一样的。事实上很多管线 工程出现事故，由于管线工艺本身设计和施工上的错误远少于对地质 方面问题的忽略。例如黄土湿陷，边坡的崩塌这些都属于地质问题范 畴i l 引。不良地质条件有松软土地区、饱和土地区、湿陷性黄土地区、 膨胀土地区、冻土地区、斜坡区域等。当地下管线经过这些地区时， 地基必须进行特殊处理，否则很容易因地质问题而造成管线的破坏。 工程动力地质作用和现象可分为三大类： 第一类物理地质作用和现象。如火山爆发，自然地震，它们的发 生完全受自然力控制。 第二类自然一工程地质作用和现象。此类地质作用及现象的发生 和发展既有自然的，也有人为的因素，如斜坡开挖引起的滑坡现象， 城市地铁开挖对附近地下管线及建筑物的影响。 第三类工程地质作用和现象。此类现象完全由人类活动引起，如 水库地震、抽吸石油、天然气、地下水引起的地面沉降【l 引。 当管线遭受如上所述的工程动力作用时，很容易遭受破坏，尤其 是地震作用下。 根据管线调查数据、理论与实验研究的结果，可得出地下管线破 坏或损坏的最有代表性的原因如下【2 i l ： 1 管线敷设位置上的土体移动； 2 在地壳构造断裂影响区之外，管线随土介质共同发生地震变形时 所产生的拉、压、剪切或下陷： 3 在管线与其他管线或结构物连接处，以及在管周土出现差异变 形的边界部位所产生的拉、压、屈曲或剪切： 4 沿管线传播的地震波作用； 第一章绪论 5 在管线的纵轴的法线方向由土介质所产生的较大地震压力( 大 口径管线横截面的明显变形) 。 在地震作用下，大多数损坏和破坏是由于地震行波沿管线轴向方 向产生的拉力作用而引起的。例如19 2 3 年9 月1 曰在日本发生了破坏 性的大地震。按麦卡利地震烈度表，东京地震的烈度为9 度：主要的 地震行波沿西北向东南传播：管线事故，管线走向与地震行波传播方 向之间的关系见表1 1 。可见，与地震行波传播方向吻合的管线事故超 过了与地震波传播方向垂直的管线事故近一倍【2 1 1 。 表1 1钢筋混凝土管线事故率 管线基础不均匀沉降和地震作用引起的很大竖向荷载是管线产生 裂缝和折断的原因【2 1 1 。这方面的例子很多，如l9 0 6 年4 月18 日在旧 金山地区发生的破坏性地震，使口径7 5 0 m m 和1 1o o m m 的钢管线受损， 其中穿过填土区的管线损坏最严重。在该区域填土厚度在某些地段达 6 m ，沿着管线地表发生明显下陷，达6 0 1 5 0 c m 。 管线破坏内因有管线的材料性能及形状、管线埋深、初始缺陷、 管内压、施工与运营时的温度差、锈蚀和焊接不达标等。 1 9 8 1 年l0 月3 0 日在伊兹美尔发生了7 度地震。在伊兹美尔有一 条口径1o o m m 城市煤气地下管线，该管线因焊缝开裂发生爆炸。 1 9 8 6 年在加兹拉工业区口径8 0 0 和1 0 0 0 m m 的地下干管发生了重 大的煤气爆炸燃烧事故。专业委员会证实，事故的主要原因是管线严 重锈蚀。但还有一种看法，即在最大地震作用区域的管线有较大的附 加变形，因而存在着促使管线爆炸的初始应力。 由表1 1 可以看出，圆形管线截面比矩形截面管线破坏率少了几 十倍。当然，目前管线几乎都是圆形截面。 地下管线破坏分为以下几类：轻度损坏、中度损坏和严重损坏( 破 坏) ： 1 轻度损坏，实际上未破坏，管线正常使用。损坏特征：管线位 移 和变形不大，结构形状( 几何图形) 未出现可见变形等； 2 中度损坏时管线仅在紧急情况下允许使用，且需修复。损坏特 征： 钢管线管壁失稳( 起皱) ：部分管段明显变形，但管线无断裂；在铸铁 管线和非金属管线中承口接头部分漏气； 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 3 严重损坏( 破坏) ，在这种情况下管线无法使用。将有严重破 坏的管线局部切断，拆除，重新敷设等。破坏特征：钢管线和聚乙烯 管线的钢法兰盘接口开裂：陶瓷管线和石棉水泥管线折断：在钢筋混 凝土管线和铸铁管线中生成通缝并出现断裂；任意材质的管线承口接 头和套管接头破坏。 1 2 2 地下管线抗震分析方法简述 目前地下管线抗震问题的研究方法大致分为3 种：原型观测，实 验研究和数值模拟分析。 原型观测就是通过实测管线在地震时的动力特性来了解其地震响 应特点。它主要包括震害调查和现场试验两大类。震害调查往往是在 地震结束后才开始进行的，因而受观测时间、手段和条件等的限制， 但是震害是最真实的“原型试验 的结果，因此一直受到人们的重视。 实验研究就是通过激震实验来研究管线的响应特性。它分为人工 震源实验和振动台实验。根据作者所查文献，对管线进行的实验采用 的都是振动台实验。例如19 8 7 年日本学者高田至郎n 2 1 在振动台上利用 剪切变形沙箱进行地下管线的液化模拟实验研究。19 9 9 年心3 1 冯启民和 郭恩栋等通过土箱实验，在振动台上进行了拟静力加载和动力加载的 实验研究。 以上两种方法在实际运用中都不可避免地存在代价昂贵的问题， 因此数值模拟方法无疑是不可或缺的研究途径。目前对地下管线进行 理论分析比较常用的是有限元方法，考虑管土相互作用及土体的本构 关系，建立模型进行数值模拟；得出结果后，再进行二次分析。最后 针对具体问题提出相应的解决方案。 1 3 地下管线抗震研究发展概况及文献综述 1 3 1 地下管线抗震研究发展概况n 2 1 l9 6 7 年由n e w m a r k 最早提出管线抗震分析方法，分析基于两个 基本假定：( 1 ) 惯性力可以忽略不计，这个假定与后来的试验与理论 没有矛盾；( 2 ) 管线与土一起运动，地震波动可用地震行波来模拟。 设l 为管线长度，圪。，、凡。分别为地面最大速度和加速度，c 。和c 。分 别为土层纵波和横波沿管线的传播速度，则管线的最大轴应变靠。、 最大曲率和接头的最大相对位移弑、最大相对转动靠积分别为： = c p ，默= 以默c ；，甜麟= c p 及氏觚= 地双c ：，值得注意 的是，再推导氏。，时，假定管线是由刚性管线连接而成的，结果表明， 管线的抗震设计一般由最大轴应变控制。 7 0 年代，日本学者提出了管线与土之间存在相互作用的理论，进 而提出弹性地基梁模型，模型将管线与土之间看作有若干弹簧连接， 第一章绪论 土体的波动位移通过弹簧传一给管线，他们针对管线与土之间的滑移做 了一系列的实验，发现相互之间的作用是不可忽略的重要因素。显然， 管线与土之间的位移传递、相对位移量取决于两者的刚度，这时管线 应变等于管线地基土的应变乘以一个传递系数，这个系数与土的刚度 等因素有关。 7 0 年代末，l r l w a n g 提出了地下管线的伪静力分析方法，假定： ( 1 ) 忽略管线与土之间的相互作用，认为管线与土变形相同；( 2 ) 地 下管线的惯性力很小，可以忽略不计，地震时管线的性能完全依赖于 土的性能。基于以上的假定，对连续管线和分段管线进行了分析，提 出了相应的抗震设计标准。 1 9 7 5 年p a r m e l e e 和l u d t k e 提出了半弹性空间中的弹性地基梁模 型来分析地下管线与土介质的相互作用。他将土和管线看作一个整体， 用管线的刚度与土的有效刚度之和作为系统的刚度，用管线的质量与 土的有效质量之和作为系统的质量，得出一些有益的结论。 1 9 7 7 年t a k a d a 提出了非线性摩擦理论，他用试验方法确定了管 线在土中非线性静、动摩擦力。试验表明摩擦力与振动频率无关，而 且频率对滞回曲线的形状也无影响。他还给出了管线与土之间相对位 移的分析解。 1 9 7 9 年m u l e s k i 和a r i m a n 等提出了圆柱壳理论，假定管线为粘弹 性介质中的弹性各向同性薄圆柱壳。此理论不但可以研究失稳与破裂， 而且可以研究管线曲线引起的其他位移。结果表明，在许多情况下， 地震时管线与地基的运动是一致的。 l9 7 9 年h i n d y 和n o v a k 提出了半无限空间理论，采用静态m i n d l i n 解与平面动应变相结合的方法来求解土一管线相互作用，结果认为土 一管线相互作用可以降低管线的应力，尤其是轴向应力。 在8 0 年代，d a t t a 及其合作者采用薄壳模型对无限空间、半无限 平面和半无限空间中的管线在地震作用下的响应进行了全面的研究， 结果认为薄壳模型比梁模型更合理。 1 9 8 0 年c h e n ，a r i m a n t 和l e e 对采用壳模型和拟分叉理论对地下 管线的屈曲进行了研究。 后来，k y r i a k i d e s 和y u n 对地下管线的梁型屈曲和壳型屈曲进行 了静态分析。 1 9 8 3 年s k y r i a k i d e s 等【2 4 】首先提出地面大位移时地下管线的屈 曲问题，建立并引用地下管线的两种屈曲模型，梁型屈曲把管线简化 为不完全刚性基础上的重力梁。轴向荷载下梁的大位移反应由极限荷 载控制。壳型屈曲只作了试验研究。提出今后需探讨的问题：1 ) 约束 固体对管线屈曲前后特性的影响：2 ) 寻求土压力分布：3 ) 阐明沿管线 长度剪力的作用；4 ) 管线初始几何缺陷对屈曲特性的影响。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 9 8 7 年王海波和林皋采用边界有限元方法求解了半无限弹性介 质中土一管线的动力相互作用，对管线进行了地震反应分析。 1 9 8 8 年，谢旭和何玉敖对表面波作用下通过不同介质的管线进行 了计算分析，发现不同介质中管线的应变大于均匀介质中管线的应变。 甘文水和候忠良利用有限元方法对在地震荷载作用下的管线进行了大 量计算，得出了一些有益的结论。 19 9 1 年何玉敖和梁建文采用薄壳有限元对在地震荷载作用下地 下管线三通接头的性能进行了分析，发现在地震荷载作用下三通接头 处有很高的应力集中，接头直埋对抗震有利。同年，梁建文和何玉敖 首次提出地下管网的三维空间模型，对地震面波作用下成层半无限空 间中的管网进行了分析计算，两位作者于同年对地下管线的壳型动态 失稳和地下管线三通头的非线性失稳进行了分析。 1 9 9 3 年y a w - j e m gc h i o u 和s h u e y e o n gc h i t 蹦j 提出了非弹性半无 限空间中无限长梁的弹塑性分析模型，运用有限差分法、有限元法和 边界元法对地下管线的极限荷载进行了研究。 l9 9 7 年刘惠珊、徐风萍【2 9 】【3 0 j 等总结了“液化地面大位移及其工 程影响”重点课题( 19 8 3 - l9 9 4 ) 的主要研究成果：对埋于液化土中的管 线与土产生相对位移时管线受力机理进行研究：提出几点尚未解决的 问题：1 ) 考虑土流动对管线的影响时，液化土应以固体看待为宜还是 以液体看待为宜，即如何建立其力学模型：2 ) 液化层流动时水平与深 度的关系。 1 9 9 8 年s h i r ot a k a d a ，l i a n gj i a n - w e n 等采用薄壳单元对跨越断 层管线进行了有限元分析，考虑了几种参数对管线地震反应的影响。 1 9 9 9 年冯启民、郭恩栋等对钢管线进行了静力及动力振动台模拟 实验，并采用梁模型计算分析了跨断层管线的反应。 2 0 0 0 年赵林、冯启民等考虑地下管线与土介质的相互作用及管线 与土体的材料非线性，分析了管线作为薄壳结构的断层位错反应，详 细地描述了管线节点屈曲乃至失效的整个过程。计算中，考虑了管线 与土介质的材料非线性、管线几何参数、断层类型及破碎带宽、断层 滑移角、埋深、内压、温度应力等因素的影响。他们得出以下结论： 在大位移断层运动作用下，地下管线反应存在明显的非线性效应，断 层类型、管线埋深等因素不能忽略。 2 0 0 0 年李鹏程、刘惠珊心引应用弹塑模型，对地震地面大位移时地 下管线进行了三维有限元分析，讨论分析了影响地下管线位移和内力 的主要因素。 2 0 0 1 年张素灵【”l 等利用变形协调条件对断层大位错量情况进行 了分析，并提供精确的计算结果。 2 0 0 4 年吴懿、林建华【2 7 j 运用可靠度理论分析地震液化引起地面大 第一章绪论 位移对地下管线的影响，并将结果与有限元分析的结果进行比较。 回顾历史，总结了地下管线抗震研究的发展历程( 如表1 2 ) ：地 下管线经历由简单的线弹性解析模型到可求解非线性反应的有限元板 壳模型，研究手段由最初的半理论、半经验分析方法过渡到理论、实 验及数值模拟相结合认识问题的方法。 表1 2 地下管线抗震研究的发展历程 1 管线与土一起运动管线与土之间存在相互作用，引入传递系数概念； 2 假定地下管线的惯性力很小，可忽略不计一证明管线动力效应最小： 3 弹性地基粱模型一半弹性空间中的弹性地基梁模犁一弹性介质中的弹性各向 同性薄圆柱壳； 4 地震行波作用下的响应一分折断层位错、滑坡、砂上液化和沉积物压密等； 5 许用应力应交计算一梁型屈服、壳型屈曲分析： 6 解析法及经验公式并用一有限元数值模拟一引入振动台模型实验。 1 3 2 震陷区地下管线研究概况 在岩土工程中，地基震陷指的是在地震作用下，土层结构震坏， 强度降低，体积压缩，或地基塑性区扩大，使地基土层或建筑物产生 附加下沉。 自从l9 6 4 年美国阿拉加斯、日本新舄地震以来，滑坡和地基失效 造成的震害研究愈来愈受到国内外工程界的重视。其中震陷是一种重 要的、不可忽视的场地震害现象。 根据对现有的国内外震害资料的研究，地震引起的地层沉陷，主 要有如下几种成因类型： 1 构造性震陷：是指地震过程中，在地震力的作用下，因构造 变动 形成的一种地层沉陷。例如，19 2 3 年日本关东大地震( m = 7 9 ) 后， 东京到富士的广大地区下沉了1 5 米。 2 液化震陷：是指饱和砂土或粉土在地震液化后形成的土层沉 陷或 建筑物的附加沉陷。例如，19 7 6 年唐山地震时丰南县黄各庄西南， 液化震陷形成的陷坑深2 米，面积为15 0 * 3 0 0 平方米。 3 软粘性土震陷：是指在地震作用下软弱粘性土层强度降低或 地震 塑性区扩大，从而形成的地面或建筑物的附加下沉。例如，19 7 6 年唐山地震，塘沽新港区淤泥质软土平均震陷15 0 。5 毫米。 4 黄土震陷：是指在地震作用下，黄土的孔隙结构产生崩溃性 破坏， 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 从而形成的地面或建筑物的附加下沉。例如，前苏联e b 波波娃 研究，干燥黄土状土在8 度地震时可发生l 米的沉陷。 5 一般松散土震陷：是指干的松散砂土、回填土、杂填土等一 般松 散土在地震作用下结构增密，体积压缩，使地面或建筑物产生的附 加下沉。例如，前苏联e b 波波娃研究说明干躁堆积土在7 度地 震时，震陷可达o 1 米，8 度地震时沉陷可达1 。5 米，9 度地震时 沉陷可达3 米。 以上五个成因类型中，2 、3 、4 、5 可统称为土层震陷。 震陷区造成地下管线的严重破坏已有很多例子，然而场地的不均 匀沉陷对地下管线的影响定量研究甚少，根据作者所查的文献，日本 神户大学的高田至郎在这方面作了不少试验和研究工作。现将其结果 介绍如下【3 6 】： 场地沉陷时管线的计算分析取穿过沉陷区和非沉陷区的一段管 线，如图1 1 所示的分析模型，用弹性地基上的连续梁进行分析，得 出受沉降作用的地下管线的简化分析公式。分析所用的运动方程如下： f e , r r , 。+ k 巧= 0 【日巧+ t ( k 一巧) = 0 ( x o ) ( x o ) 式中，誓，e 一非沉陷区和沉陷区管子位移； e 一管子弹性模量； i 一管子几何惯性矩； k 。一土的弹簧常数： y o 一土沉陷量。 边界连续条件如下： x = 0 ，乃= 儿，y l = 以，爿= 以 x o 。，儿2 ， x 一啪，y l = o ，奠= 0 按边界连续条件解式( 1 1 ) 得： f 巧= r o p 肛e o s f l x 2 ( x o ) 【匕= y o ( 1 - 扩c o s p x 2 ) ( x o ) 式年矿= k l | 4 e i 连续管线的最大弯曲应力缸： r 1 3 - l i 。3 2 1 3 3 第一章绪论 o m n = y o e d 2 e - z 1 4 压当x = 万4 f l ， 1 3 - 4 d 一管径。 该计算方法是该领域的开创性研究，它提出了一些重要的概念，并 在工程实际中得到了应用。但是，此模型有两个不足：在沉陷区，土 和管线都会发生大变形，用弹性地基梁来描述不够恰当。另外，该方 程的解是在当x 趋于无穷时，管线位移等于土层发生的沉陷量条件下 求出的，这就意味着，该方法仅对当距离沉陷和非沉陷交界面无穷远 处有最大沉陷的情况适用。然而，实际情况往往是，在距沉陷和非沉 陷交界处有限距离内，管线位移就等于土的最大沉陷量。因此把该方 法应用于有限距离发生最大沉陷的是不适宜的。由此推出的分析结果 自然不够可信。高惠瑛针对此种情况，作了进一步深入研究。 1 9 9 6 年高惠瑛采用弹性地基梁模型，从变形模拟入手，考虑几 何大变形，把管线变形模拟为三次曲线，建立管线受力分析平衡方程 和内力计算递推公式，得出了受场地沉陷作用的地下管线的内力及变 形。最后的分析结果和公式1 3 - 4 得出的结果相差不超出5 。 19 9 8 年，日本神户大学高田至郎又进行聚乙烯管的不均匀沉降实 验随5 】，一条管径为1 0 0 m m 的供水p e 管埋设在长8 米宽2 米的土箱中， 管子埋深1 2 米，两端固定。土箱下为4 张2 米长桌子，使其中两张 桌子下沉来模拟地面不均匀沉降，目的是得到土沉陷作用下聚乙烯管 的力学强度基本数据。 高田至郎所作的实验，本文对其总结三点：1 ) 其采用的是聚乙烯 管进行的实验；2 ) 实验中管子采用的是两端固定约束；3 ) 土箱沉降 时，在土箱的长度范围内是垂直均匀切向沉降。 在实际震陷区，一般来说，震陷区是漏斗形状的，土体的震陷是 渐变连续的，不是像土箱一样垂直切下来的；另外管线在震陷区变形 时，抑制管线变形的约束力主要是在非震陷区土体和管线之间产生摩 擦力及管线内部轴向之间彼此相互作用的轴向力；因此简单的在震陷 区附近对管线加以固定约束是不太符合实际的。另外管线简化为三维 壳模型比简化为二维梁模型更加真实。 本文的主要工作是对震陷区输油气钢管线进行数值模拟分析，在 有限元数值模拟时，要求所做的模型尽量接近实际情况，使得结果更 加合理可信。 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 1 4 本文研究内容 本文基于有限元理论，对遭受土体震陷作用的管一土作用体系进行 拟静力分析并模拟管线反应过程。管线计算分析模型为薄壳模型；管一 土相互作用模型为刚性与柔性三维接触模型；对管线受地震作用采用 等效边界条件和等效载荷方法进行简化，采用拟静力分析，以期得到 模拟管线的受土体震陷作用下的反应过程。并通过模拟分析总结出震 陷区地下管线地震反应一般规律。全文包括以下几章： 第一章绪论。介绍了研究的背景、目的及意义，震陷区地下管线地 震反应研究发展现状，及本文所采用的研究方法和内容安排。 第二章震陷区地下管线计算的基本理论。地下管线管土作用体系模 型介绍。本章建立了符合实际情况的管土相互作用体系模型， 管线屈曲模型。并结合有限元分析基本原理，介绍了应用的 相关理论 第三章震陷区地下管线有限元建模。本章基于有限元应用理论，利 用大型通用有限元软件a n s y s ，对震陷区地下管线地震反应 分析中一些分析方法的数值实现进行了概述，内容包括模型 单元及状态实现和非线性分析实现的基本方法。 第四章震陷区地下管线壳模型分析。本章通过对壳模型管线计算分 析，考虑土体材料性质、震陷量、震陷区、径厚比及埋藏深 度的影响等，通过各种影响因素对结果影响的比较中寻找敏 感因子，并对各种计算结果加以比较，同时寻找各种影响因 素与管线内力峰值之间的关系，得出大管径管线受土体震陷 作用下的内力变化规律。 第五章结语。对以上各种模型分析结果加以对比研究，并就观察到 的结果，总结出一些有益的结论。对全文工作进行总结并提 出下一步的研究工作展望。 第一二章场地震陷作用下管线数值模拟基本理论 第二章场地震陷作用下管线数值模拟基本理论 2 1 引言 在震陷区，场地土体产生竖向大位移变形，因而在数值模拟时， 将涉及到几何非线性，这是难点之一。在场地土体大位移变形的求解 过程中，由于土体具有复杂的变异性、参数的不确定性( 即使是同一 种名称的土体材料，因场地、条件不同，参数就有很大的差别) 、非线 性、非均质的特性，在数值模拟时，将涉及到材料的非线性，这是难 点之二。地下管线在场地震陷作用下反应分析的难点之三在于如何建 立符合实际情况的管土相互作用体系模型，它包括土体模型、管线屈 曲模型、管一土相互作用模型及模型边界条件的确立。 由于涉及到复杂的非线性，几乎不可能求得解析解。但是随着有 限元方法的不断发展，以及岩土力学本身不断进展完善的本构关系模 型的发展，通过建立合适的数值模型并采用合适的数值模拟方法以求 得管线在场地土体大位移变形下的反应，使得结果越来越接近于解析 解。 本章将对文中所选用的管一土相互作用体系模型进行说明，并对部 分基础理论进行简单的介绍。 2 。2 管线屈曲模型 屈曲又称失稳，是指系统在外界干扰微小时，系统状态的扰动发 生较大的变化。屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临 界载荷和屈曲模态( 结构发生屈曲响应时的特征形状) 的技术。非线性 屈曲分析采用逐渐增加载荷的非线性分析来求得使结构变得不稳定的 临界载荷。 屈曲现象可以用l a g r a n g e 式( 或更改的l a g r a n g e ) 来表示： i 足1 7 z x q = 0 2 2 - l 【k i r = 【k 】o + 【k 】+ 【k 】仃- i x g 2 2 - 2 式中：f k l ，为切线刚度矩阵； f k l 。为常规有限元刚度矩阵； k 1 ，为初位移刚度矩阵或大位移刚度矩阵： f 足l 为初应力刚度矩阵或几何刚度矩阵； k 1 为载荷刚度矩阵： 式2 2 1 中的 g 不为0 向量，按代数方程组的理论，k1 ，行列 式必须为o ，即屈曲判断准则为： 陋】r i = o 2 2 3 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 非线性屈曲是考虑几何大变形等非线性因素的一种静力分析，基 本求解方法是逐步施加外载增量，求解式2 2 1 ，此时结构刚度发生变 化。当外载产生的压应力或切应力使切线刚度矩阵f k1 ，趋近奇异，也 即式2 2 3 成立时，结构趋于失稳，此时外载为失稳载荷。在比例加 载求极限载荷的情况下，目前使用的主流方法是自动步长控制方法。 采用增量迭代法，每施加一级载荷增量后进行方程的平衡迭代，使解 的结构满足允许容差。载荷增量大小的控制对求解有很重要的意义， 增量过大，难以收敛，这一点在接近极值点处特别明显。增量太小， 意味求解次数过多，使计算工作量增大。因此，人们给出一些控制参 数，载荷增量的步长由算法控制，这就是自动步长选择法。主要的自 动步长法有控制位移法和控制弧长法两种，分别介绍