高密度聚乙烯管的爆破振动试验及数值模拟

高密度聚乙烯管的爆破振动试验及数值模拟

高密度聚氯乙烯管道（hdpe）由于其良好的耐候性、防潮性和相对其他材料管道的成本，广泛应用于天然气运输和城市给排水项目的建设。随着国内城市地铁等地下工程的快速发展，邻近管道工程的施工呈现出多种形式。由于城市地质条件的复杂性，当岩石体发现压裂岩时，通常会选择分解岩的方法。在爆炸过程中，如何控制爆炸过程中相邻管道的影响主要是轰炸负荷对埋地hdpe对排水道路的影响，并研究埋地hdpe管道振动破坏的控制标准具有理论研究价值和工程实践意义。当前，对于振动荷载对邻近管道的影响，许多学者已开展相关研究工作目前，关于管道动力响应研究多针对混凝土、铸铁等质地较硬的管道，关于HDPE波纹管这种材质软、韧性强的管道研究较少；同时，较少有研究针对临近爆破振动荷载对不同运营充水状态管道的影响.以武汉市城区典型土层埋置的给排水管道系统为工程依托，通过全尺度预埋HDPE管道现场爆破试验及数值模拟方法，分析爆破振动荷载作用下埋地HDPE波纹管道在不同运营充水状态下的动力响应特征；结合管道运营状态环向容许应力控制准则，提出HDPE波纹管爆破振动速度安全控制标准.1现场试验地选择以在建的武汉地铁8号线洪小区间竖井基坑爆破工程为背景，邻近基坑的为中科院武汉岩土所新建高层建筑，该建筑排水管道利用HDPE波纹管，直径为500mm，埋置深度为1.5m，埋置土层为粉质黏土，管道与基坑直线距离为15m，基坑爆破工程最大单段药量约为9.6kg.根据上述工程特点，选取武汉爆破公司位于武汉市经济技术开发区硃山路与硃山一路交汇处的爆炸荷载与振动作用下埋地管道动态响应与防护技术试验场作为试验场地，爆破区域长、宽分别约为100、60m.1.1试验的尺寸参数根据武汉市地区地层地质勘察资料与工程实际1.2试验测试系统根据试验设计方案，为了研究HDPE波纹管爆破振动效应的动态规律，利用动态测试仪器对管段中以及管段周围岩土层的相关数据进行实时动态量测.试验中的主要测试项目有管道动态应变ε、管道质点振动速度vP、管道上方地表振动速度vG等.为了研究埋地管道与管道上方地表的振动速度，选用TC-4850爆破测振仪作为振动速度测试系统.根据实际需要在管道内部以及管道对应的正上方地表设置多个监测截面以布置多个振动速度测点，振动速度测试点布置示意图如图3所示.图中，断面A、B分别为管道三等分点截面，即管口截面与断面A、B之间距离为2m,D1～D7为振动测点.为了研究管道在爆破振动振动过程中的动态应变，通过在管道内表面黏贴不同方向的应变片来进行测量.使用敏感栅长为80mm，电阻为120Ω的单轴应变片，接1/4桥，通过连接线与DH5956动态信号采集仪相连.在爆破试验过程中进行实时动态数据的采集，采样频率设置为20kHz.参考振动测点，管道动态应变截面测点布置如图4所示.1.3管道环向压应变现场试验所得数据较多，结果不一一列出.其中，工况8各测点现场试验振动速度如表2所示.表中，vX为X方向峰值振动速度，vY为Y方向峰值振动速度，vZ为Z方向峰值振动速度，vR为X、Y、Z方向峰值合振动速度，EVR为合振速误差.根据现场测得的数据，管道在工况9下测点2位置处的环向压应变最大，为5.8×10–2，现场测试所得的动应变数据图形如图5所示.图中，∆ε为动态微应变，T为时间.2爆破振动作用下管道数值模拟为了研究充水HDPE管道在爆破振动荷载作用下的动力响应，利用LS-DYNA软件结合工况8建立数值模型，采用LS-DYNA软件自带的炸药模型以及Jones-Wilkins-Lee(JWL）状态方程，模拟爆破振动荷载下管道空管状态下的动力响应特性.模型整体尺寸为15.0m×6.0m×6.0m，管道尺寸与现场比例为1∶1，炮孔直径为90mm，耦合装药.在模型中，埋置管道土体为均质粉质黏土层，基岩为强风化粉质砂岩；由于模型尺寸有限，除模型上表面为自由面外，其他面均为无反射边界.管道与粉质黏土的接触形式设为面面接触，管道与液体之间界面采用流固耦合界面.建立的计算模型及网格如图6所示.2.1应力张量与sij粉质黏土的材料模型选用MAT＿DRUCKER＿PRAGER式中：f为塑性势函数；I1(σij)为应力张量第1不变量，σij为应力张量；I2(Sij)为应力偏张量第2不变量；Sij为柯西应力张量；α、k为材料常数，是材料黏聚力c、内摩擦角φ的函数.在计算时具体输入参数如表3所示.表中，ρ为密度，E为弹性模量，G为剪切模量，µ为泊松比，σt为抗拉强度.2.2pwellickchematch材料模型强风化粉质砂岩以及堵泥均采用*MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC材料模型式中：σY为屈服应力，σ0为初始屈服应力，˙ε为应变率，h、P为输入常数，ε2.3hdpe管的材料模型HDPE材料是黏弹性材料，力学性能受到应力、形变、温度和时间4个因素的影响，本研究中不考虑温度对HDPE材料的影响，即认为其力学性能与应变率相关.因此，材料模型可以采用*MAT＿PLASTICITY＿POLYMER，该模型可以模拟高聚物在高应变率下的动力响应问题.在计算时管道的具体输入参数如表3所示.2.4水初始密度n在模型中水采用关键字*MAT＿NULL定义，状态方程采用关键字*EOS＿GRUNEISEN，表达式为式中：p为流体所受的压力；c0为水中声速；u=ρ1/ρ0-1，ρ1为扰动后水密度，ρ0为水初始密度；E1为比内能；γ0为GRUNEISEN系数；b为体积修正系数；S1、S2、S3分别为该状态方程激波速度与粒子速度曲线的斜率系数.计算时具体输入参数如表4所示.2.5炸药的材料模型模型中的炸药材料与试验现场采用的2#岩石炸药保持一致，采用LS-DYNA软件自带的高能炸药材料*MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN来模拟炸药模型.JWL方程可以描述炸药的爆轰压力与相对体积和内能的关系：式中：pe为爆炸产物压力，V为爆炸产物相对体积，R1、R2、ω、A、B为炸药材料参数，E0为初始比内能.炸药爆轰产物相关参数如表5所示.表中，ρe为炸药密度.2.6数值模拟结果验证为了验证数值模拟参数及结果的可靠性，依据现场试验，在数值模型同样的位置处选取监测点，数值模拟结果与现场实测数据在X、Y、Z方向上的峰值振动速度与峰值合振速的对比结果如表2所示.可以看出，数值模拟结果与现场试验结果差距不大，最大误差为14.98%，证明数值模拟结果与参数准确可靠.另外，可以发现3个方向的振动速度为X方向最大，Y方向次之，Z方向最小.3不同水位状态数值模型为了充分反映实际爆破工程中，HDPE给排水管道充水运营时的动力响应特性，分别建立0.25d=20cm、0.5d=40cm、0.75d=60cm、d=80cm,4种水位高度的数值模型，与前文所建立无水空管的模型组成5种不同水位高度的工况，计算不同水位状态下管道的动力响应规律，其中半水和满水工况下管道及其内部水的网格划分如图7所示.图中，R、r分别为管道外、内半径.3.1x、z方向上的振动速度与主频率的关系管道轴对称中心截面为危险截面，为了探究不同水位高度对管道振动速度及主频率的影响，统计5种数值模拟工况下危险截面X、Y、Z方向的峰值振速与峰值合振速及各个方向上的主频，如表6所示.表中，fX为X方向主频，fY为Y方向主频，fZ为Z方向主频，H为水位高度.可以看出：1）空管的X方向振动速度与主频率最大，随管内水位高度的增加，X方向的振动速度与主频率均降低；2)Y、Z方向上的主频率及振动速度均随水位高度的增加而升高，且Y方向振动速度与频率的增长速度大于Z方向；3)5种工况下的振动主频均高于管道自振频率（按照文献为了直观显示同一截面不同位置处的动力响应特点，将危险截面位置等分为8部分，以观察不同工况条件下，管道同一截面不同位置上的质点峰值振动速度，结果如图9所示.迎爆侧即危险截面0°～90°振动速度更大，振速最大的位置位于管道正下方90°处，并且离迎爆侧距离越远，质点振动速度越小.3.2迎爆侧爆破振动根据前文所选取的点位，画出5种工况条件下的管道危险截面不同位置的等效应力，如图10所示.可以看出，每种工况应力最大的位置在迎爆侧即图上0°～90°内，其中无水条件下的等效应力最大，在爆破振动条件下为0.912MPa；随着水位的升高，等效应力越来越小，当截面满水时等效应力最小为0.210MPa，与振动速度随水位高度降低的衰减规律相同.将危险截面危险点的峰值合振速与等效应力拟合，所得图形如图11所示.图中，σ为等效应力.两者之间拟合曲线的方程如下：拟合曲线的R2=0.93，拟合度较好.4管道最大允许工作压力为了计算HDPE给排水管道运营时控制振速，须进行如下假设：1）假设土壤为线弹性均质，且在爆破地震波作用时管土无相对滑动，管材为非线性黏弹性且满足各向同性；2）不考虑埋置土层的深度、水的质量分数的影响；3）计算对象为直埋管道管身处，不考虑管道接口与弯管，因为按照规范要求，须通过法兰、套筒、热熔等方式处理接口、弯道、三通等薄弱环节，使其强度大于管身部分，以管身作为研究主体计算其控制振速是合理的.为了得到爆破振动作用下HDPE波纹管道充水运营时的最大控制速度，利用规范给出的HDPE管道最大允许工作压力计算公式式中：MOP为最大允许工作压力；PN为公称压力，取0.8MPa;ft为50年寿命要求时，温度引起的压力折减系数，其中，当温度取20、30、40°C时，折减系数分别为1.00、0.87、0.74（本研究中取温度为30°C时的折减系数0.87）.在管道系统正常工作状态下，选用的管材最大设计内水压力pwd，且pwd=1.5MOP，结合前文MOP计算公式得到最大允许工作压力为1.044MPa.在设计内水压力作用下的管壁环向应力设计值为式中：γQ为设计内水压力的作用分项系数，取1.2;D0为管截面计算直径；en为管壁计算厚度.计算得到管壁环向应力设计值为26.31MPa.根据田峰等式中：σa为轴向应力，σr为径向应力，pjs为管内承压计算应力，ro为管道外壁半径，ri为管道内壁半径，r为管壁上任一计算点的半径.3个应力方向示意图如图12所示.设环向应力为已知量，可以利用环向应力来表示其他2个方向的应力：考虑到PE管道的破坏形式以屈服时效为主，故利用米塞斯屈服准则进行评估式中：σ1为第1主应力，σ2为第2主应力，σ3为第3主应力.当r=r由前文拟合得到的管道危险截面处等效应力与峰值合振速之间的关系（式（7）），结合管道环向应力设计值[σθ]=26.31MPa，可以得到运营状态管道安全控制速度为27.62cm/s.考虑到振动速度随水位的降低而增大，故假设当管道处于空管状况时的安全控制速度为27.62cm/s，为了保证管道安全，通过振动速度与管道水位高度所占管道内径高度比例系数i之间的关系式（式（6）），计算得到满水时的安全控制速度为25.79cm/s，以此作为管道运营时的安全控制速度是合理的.5不同水位方向的振动速度排(1）通过现场试验发现，HDPE管在受爆破振动影响时，管道振速随爆心距增大、药量的减少而降低，环向压应变最大，管道更易在环向发生受压破坏.(2）管道合振速与等效应力随着管内水位高度的增加而降低，且管道同一截面处迎爆侧的合振速和