场地土对跨断层压力管道变形反应的影响研究

摘要

输油气、供水、供热等压力管道是关系国计民生的重要生命线工程。本论文主要针对场地土对断层位错作用下输油气钢管变形反应的影响开展研究。在已有研究的基础上，完善了埋地压力管道在断层作用下的壳有限元模型，探讨了不同场地土和管沟回填土对压力管道应变的影响。同时，针对长距离输油气管道穿越地震活动断层所遇到的实际工程问题，从以下几个方面开展了研究工作: (1)相对于非线性接触模型，土弹簧模型由于计算方法简单、物理机制明确，在分析埋地管道变形反应的有限元模型中被广泛用来分析管-土相互作用。除了管径和管道埋设深度，影响管-土相互作用的主要场地土参数包括密度(ρs)、粘聚力(c)、内摩擦角(Φ)、管-土之间的摩擦系数(μ)，这4个土体参数并非完全独立，具有较强的相关性，建议以实测数据为准。不同场地土参数的有限元分析结果表明，在断层作用下，硬粘土场地管道的变形反应远大于软粘土场地，在此，应该采取宽管沟、回填疏松砂土的抗震措施。 (2)为了考虑管沟及其回填土的影响，改进了现行抗震规范推荐的横向土弹簧模型。采用浅埋管道周围土体破坏的理论模式，阐明了回填松砂可以作为管道通过活动断层抗震措施的原因。同时，通过实际算例表明，随着回填松砂的逐渐密实，这种抗震措施会逐渐失效，管道的变形反应逐渐接近于没有采取抗震措施的管道变形反应。这也说明了现行抗震规范在进行管道抗震验算时，横向土弹簧的计算以管道埋设的场地土参数输入，而不是以疏松砂土参数输入的原因。 (3)研究了管沟宽度对跨断层管道变形反应的影响。研究结果认为:工程建设管沟时，为了节约工程土方开挖量和购买松砂的回填量，在保证浅埋的要求下管沟底部的加宽裕量(K)可不做特殊处理(按照规范取0.6米)，管沟坡度(A)是影响管道应变反应的主要因素，其值应小于tan(45°-Φ/2)，同时管沟的地表宽度应大于断层的水平横向错动量。 (4)完善了压力管道在断层作用下的壳有限元模型。通过压力管道的有限元模型进行参数分析，认为内压对管道轴向压缩应变的影响比拉伸应变大。也就是说，管道在断层位错作用下的应变反应以拉伸应变为主时，可以忽略内压的影响。这与Newmark等学者以及2008年以前的抗震规范的观点是一致的。但是管道的应变反应以压缩应变为主时，内压的影响不能忽略。相同的断层位错作用下，随着内压的增大，管道的压缩应变增大。通过对比现行各国规范对管道容许压缩应变的计算公式，当对跨断层的管道采用应变设计时，管道的容许压缩应变随着内压的增大而增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1理论解析法

1．2．2数值模拟分析方法

1．2．3试验研究

1．3研究内容及研究路线

第二章场地土对跨断层管道变形反应的影响

2．1管-土相互作用模型

2．2场地土的参数分析

2．2．1土体密度的影晌

2．2．2土体粘聚力和内摩擦角的影响

2．2．3摩擦系数的影响

2．3不同场地土对管道变形反应的影响

2．4国内外不同规范的土弹簧模型对比分析

2．5本章小结

第三章跨断层管沟宽度对管道应变的影响

3．1考虑管沟宽度的横向土弹簧模型

3．2管沟回填砂土及其性质变化对管道变形反应的影响

3．3跨断层埋地管道管沟宽度尺寸研究

3．3．1断层位错量的影响

3．3．2管道与断裂交角的影响

3．3．3断层位错形式的影响

3．4本章小结

第四章内压对跨断层管道变形反应的影响

4．1压力管道与无压管道对比分析

4．2内压对管道变形的影响

4．3壁厚对压力管道变形的影响

4．4内压对管道容许压缩应变的影响

4．5本章小结

第五章结论及展望

5．1结论

5．2论文创新点

5．3展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目