跨逆断层埋地管线受力特性的管土效应分析

发布时间：2020-02-24 15:27

【摘要】：断层错动引起的地表永久性大变形是导致埋地管线破坏的重要因素之一,埋地管线的断层反应特性受到土介质和管线材料等因素的影响,本文以逆断层位错作用下的无缝直埋地管线为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件,建立埋地管线-土介质的三维有限元数值分析模型,利用非线性接触描述管-土接触状态,考虑初始地应力条件的影响,对跨逆断层埋地管线的受力特性进行数值模拟分析,依据计算结果主要分析了位错量、管线材料、管-土相互作用、土介质、管径等参数对埋地管线断层反应的影响效应,并得到:管-土介质接触效应是管线断层反应分析中不可忽视的影响因素,粘聚力较小、硬度较低的中硬土介质中的埋地管线抗断层性能较优等有益结论。
【图文】：

平面尺,分析模型,地基,尺寸

节点SOLID单元进行表达。利用有限元非线性接触分析方法处理管线-土介质的相互作用关系，采用边界条件模拟逆断层位错引起的地表永久性大变形，对该位错下埋地管线的受力特性进行了研究，重点分析了管线材料特性、管线直径，土介质特性，及管-土间摩擦系数等因素对管线受力性能的影响，为实际工程的应用提供一定的数值分析参考价值。1有限元分析模型1．1数值分析模型本研究以无缝连续直埋地管线为研究对象，以断层错动引起的地表永久性大变形作为边界条件，建立埋地管线-土介质的三维数值分析模型，如图1所示。图1分析模型Fig．1Analysismodel基于现有研究，地基平面尺寸与结构平面尺寸之比大于5时，结构的边界影响效应可忽略不计，且计算区域沿管线纵向长度不小于埋地管线直径(D)的240～300倍时［13-14］，管-土间的摩擦力就会足够大以至于断层运动造成的管线变形不足以传递至左、右边界。本研究有限元数值土体分析区域宽度取为4000mm，主动盘和被动盘的长度均取120m，分析管线长度取为145m，高度取为6000mm，，管线埋深(管线形心至地表的距离)取为1500mm。模型中将管线周围土介质预先分为左、右两部分，用以描述断层错动的下盘和上盘，将土介质自重引起的初始应力场作为初始应力状态施加至模型中，而管线贯穿通过整个土介质分析模型。利用主动盘土体底边的等效位移边界条件模拟逆断层位错下的地表永久性大变形，施加在分析模型上。图中有限元分析计算区域包括埋地管线及周围土介质，共6个平面边界条件。各边界条件分别为:上边界为地表自由面，无约束;左、右端面为分析模型远边，固定边界;前、后边界平面前、后方向2017年第6期薛娜，等:跨逆断层埋地管线受力特性的管土效应分析1545

网格划分,土介质,管线,管线材料

土介质相对于右侧土介质发生相对挤压、抬升运动，采用拟静力法来分析埋地管线的抗断层反应。分析模型中，将管线视为空间薄壁结构，采用四节点薄壳单元进行离散;利用八节点三维实体单元模拟土介质;管线-土介质间的相对滑移、分离及闭合等非线性作用则采用非线性接触的处理方法来分析模拟。依据现有研究可知，近断层区域管线变形较大，随着至土体破裂面距离的增加，管线变形逐渐减小并趋近于0。因此，断层及其附近位置有限元网格尺寸较小，远离断层区域有限元网格尺寸逐步放大以减少计算单元数量，提高计算效率，如图2所示。图2有限元分析模型网格划分Fig．2Meshmodelforfiniteelementanalysis1．2材料参数分析中假定管线为无缝连续直管，无内压;管线周围土介质为均匀的单一土介质。假定管线材料为理想弹塑性材料，采用等效三折线弹塑性模型表述，具体参数如表1。采用岩土工程中常用的Mohr-Coulomb模型表述管线周围土介质，土介质参数如表2。表1管线材料参数表Table1Parametersofpipelines管线类别弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa极限强度/MPa极限应变/%I350．4629530II900．4513517010III2100．34205201．6IV2100．34706001．3表2土介质参数表Table2Parametersofsurroundingsoil土介质弹性模量/MPa泊松比密度/(t·m－3)摩擦角/(°)粘聚力/kPaI500．381．851525II1500．451．851525III1500．451．852510IV1500．41．8530252参数效应分析影响埋地管线受力性能的因素有管径、壁厚、场地条件、管材特性以及管线与土体破裂带相交的跨越角度、断层位错量、断层逆冲角度等。本文重点研究管线材料特性、土介质特性以及管-土摩擦等参数对埋地管线跨断层受力性能的影

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