埋地管道震害特征机理

[摘 要] 埋地管道的抗震安全问题已成为生命线地震工程的重要研究内容,受到了世界各国地震工作者的高度重视,笔者通过对国内外大量相关文献的查阅及分析研究,总结了埋地管道的地震反应特征和破坏类型,并对其的破坏机理进行分析,以期为埋地管道的抗震设计提供科学的依据和有益的参考.

[关 键 词 ] 埋地管道； 破坏类型； 震害破坏机理

中图分类号：TU 457 文献标识码：A

0 引言

随着我国对地下空间的开发力度的加大,地下结构工程的数量迅速增加,作为生命线工程的埋地管道在输送水、油、气、煤以及在通信交通和排水等方面得到了越来越广泛的应用,堪称现代工业和城镇生活的大动脉,其破坏可导致城市乃至区域社会经济功能的瘫痪[1] [2],如1971 年美国圣费尔南多地震,使加里福尼亚州圣费尔南多山谷的地下输气管道和给排水管道遭受重大破坏,给排水和天然气管道有2400处遭到破坏,震中附近有25.6km管道破坏 [3] [6]；1976年中国唐山地震,7.8级地震使全市给水系统瘫痪,抢修了一个多月才基本恢复供水,秦京输油管线有4处破坏,流失原油1万余吨,造成了资源的严重浪费,且污染了大片农田、河流,次生灾害严重[4]；2008年“5.12”汶川地震使震区供水管网受到严重破坏,供气系统设施也出现不同程度的破坏,据不完全统计,供水系统共有677个水厂受损,11万处管线破坏,受损长度高达1.38万km；排水管网管道受损长度约3300km, 供气系统设施受损5.1万处,供气系统设施受损5.1万处,供气管道受损长度达到992km[5].这些震害经验表明,现代城市对生命线工程系统具有高度的依赖性,其抗震问题也引发了各国学者的关注,地下工程结构的抗震安全和抗震设计已经成为工程界普遍关心的问题.

笔者通过对大量埋地管道震害的分析研究, 总结了埋地管道的地震反应特征和破坏类型,并对其破坏机理进行分析,以期为埋地管道的抗震设计提供科学的依据和有益的参考.

1.埋地管道的振动反应特征

根据国内外学者对原型观测（震害调查和现场试验）资料的研究分析以及近年来的研究成果,总结了埋地管道在地震波作用下反应特征的一般规律,其是进行埋地管道地震反应分析的依据[6]- [12].

（1）破坏荷载：理论分析和实际震害均表明,埋地管道的破坏主要由地震行波的传播、场地失效（断层相对运动、土体液化等因素）引起,受地震波传播影响而引起的土体变位造成的震害较轻,但影响面广,是埋地管道破坏的最基本形式；场地失效所造成的管道破坏都相当严重,且难以避免,选址时应尽量避免此类地段.

（2）地面位移：对埋地管道地震破坏的研究发现,埋地管道振动中的主要应变与地震加速度大小的联系不很明显,而对周围岩土体应变十分敏感,周围岩土体应变越大管道破坏越严重.埋地管道的自振频率远大于土体的振动频率,管道受到周围土的阻尼影响很大,管道运动产生的惯性力,对结构自身的反应仅有非常小的影响,管道的反应性态主要取决于沿线土体的位移特征,而对土体的运动位移特征几乎无影响.

（3）地震波传播方向及频谱特性：埋地管道的振动形态受地震波传播方向的影响很大,地震波的入射方向发生不大的变化,管道各点的变形和应力可发生较大变化.埋地管道走向与地震作用方向吻合时,管道动应变最大,损坏最大；当地震作用方向垂直于管轴方向入射时,管道动应变最小.埋地管道的动应变不仅和地面应变的峰值有关,还与地震动的频率含量有关,尤其是对低频含量十分敏感.低频含量愈丰富的地震波,激起的管道动应变越大.

（4）场地条件：埋地管道的破坏程度基本随地震烈度的增大而加重,埋地管道从一种类型土壤过渡到另一类型土壤的过渡区震害较严重；软土中的管线较硬土中的管线震害严重,同一地震烈度下,复杂地基和软弱地基比基岩地基中的管道震害严重得多.

（5）管土间相互作用：现场震害资料证明,地震时埋地管道受周围土体的约束与周围岩土体一起运动,受管道本身的刚度的影响,管道的变形比未敷设管道的土体变形小,只要管土界面的剪应力未达到临界剪应力,管道就随同周围岩土体一起运动.当管土界面的剪切应力达到临界剪应力或管土间的极限摩擦力时,管土之间将发生滑移.

（6）管道变形：震害资料及理论分析均表明,直埋管道的轴向应变远较弯曲应变凸显,以轴向应变为主,而弯管、大直径管道则需要考虑弯曲变形.

（7）管道的材质及构造：埋地管道的材质、口径、壁厚、接口型式均有不同程度的影响.埋地管道的破坏大多是由于管道强度不足以抵抗周围土体传来的振动变形而引起的；震害资料表明：柔性接口的震害率明显低于刚性接口,这是由于柔性接口具有较好的延性,可以吸收较多的变形；管道横截面的刚度与管径和壁厚有关,小口径管道在土中的约束程度比大口径的约束作用大.日本、美国以及我国海城,唐山两次强震中的震害均表明,管道的破坏随管径增大而减小,这说明管道刚度的影响不可忽视,但是各国学者对管径的影响看法不一.

（8）管道埋深：埋地管道一般总是埋在地表下有限的深度处,1923年地震调查资料显示,埋深的增加破坏增加,而埋深增加到2.4m后管道的破坏率减小.浅埋管道破坏较轻是由于作用在管道上的土压力和纵向摩擦力较小,土体对管道的约束作用小,传递到管道上的地震作用就小,埋深增加约束作用增大,破坏率高；埋深增加到2.4m管道事故率降低可以解释为随深度的增加地震作用下土体的位移下降的幅度大于约束作用增大的幅度.然而在许多情况下埋地管道破坏与其埋深之间并不存在固定的关系.造成完全不同的结论是因为管道的破坏不仅取决于土体位移的大小,而且还取决于管道在土体中的约束程度,因而较难确定管道埋深多大时震害较轻.

2.埋地管道破坏的主要类型

地震作用下埋地管道的破坏类型主要有三种[22]- [24]： （1）接口破坏：连续式钢管焊缝连接处的开裂,法兰螺栓松动；承插式管道接口填料松动、剪裂、插头拔出和承插口破裂等；

（2）管体破坏：管体出现纵向或斜向裂缝；地面大变形造成的管体折断,锈蚀严重钢管和铸铁管管体发生的折断等；

（3）连接破坏：管道的三通弯头、闸阀及其与其它构筑物联接处,易受应变集中,运动相位不一致而发生破坏.

三种形式的破坏中管体破坏一般是由于地面断裂、滑坡等严重地面大变形或由于管体本身缺陷和腐蚀严重而引起的破坏；接头和连接破坏是地震作用下最为普遍的破坏见图.

3.埋地管道破坏的机理分析

埋地管道的地震破坏主要由构造性地运动-断层错动、地震场地失效-土壤液化、地震波传播效应引起,下面简要分析埋地管道的破坏机理.

（1）断层滑移作用[13]- [14]

在一次强破坏性地震中,断层位错越大,震害越严重.断层滑移的主要作用是使管道产生平错运动,也可能伴随有较小的垂直移动.断层滑移区土体发生相对较大的错动滑移,埋地管道受周围土体的约束,随着土体的变形而变形,当管道与活动断层相交时,地震中产生的地表断裂运动使管道产生纵向和横向变形,纵向变形会使管道产生拉伸或缩短,管道受拉伸超过极限时就会发生破坏,管道受压缩时则会由于薄壳失稳而造成屈曲破坏；横向变形则会使管道产生折断等剪切破坏,管道发生的剪切位移、拉伸或缩短的程度取决于断层的类型、管道和断层的方位、断层错动的大小和断层平面的倾角等因素,大量的震害调查认为,具有高强度和韧性的钢管（油、气管道）一般能抗拒强烈地震的地面运动,却不能抵御断层作用和地面破坏所产生的永久地面变形.

（2）土壤液化[15]- [16]

地下水位以下的饱和松砂和粉土在地震作用下,土颗粒之间因振动而密实,但由于颗粒之间的空隙水来不及排出,使土颗粒处于悬浮状态,即由固态转化为液态,土在液化及液化后的反应极为复杂, 其中牵涉到从固相到液相及从液相到固相的转变、土骨架与水相互作用的问题、大位移与大变形以及非连续介质等.液化往往造成管道上浮或下沉,目前研究液化砂土中管的动力特性,主要集中在管道在液化和不液化的边界区域和管的上浮力,对由液化引起的大的永久性位移却没有进行足够的研究.

（3）地震波传播效应[17]- [20]

地震引发地面振动或摇晃,振动以一定速度的波的形式在地面传播,既然运动是波,不同部位的管道的位移是不同步的,引发不同类别的应变.纵波沿管道方向的传播使得土体受压或受拉,管道被周围土体夹裹着作波动变形,则土体的这种张拉和压缩力将作用于管道产生轴向应变,横波沿管道方向传播使得土体垂直管道方向发生横向变形,管道受土体约束影响而随土体一起运动,促使管道产生弯曲应变.轴向应变可能是受压或受拉,且会同时出现在一次地震中,受拉时管道接头处产生拉拔力；受压时管道产生挤压或屈曲；弯曲变形则使连接开裂、破损,剪切引起折断.

除此之外,埋地管道的变形还受周围土体的地质条件的影响.震害资料和理论研究均表明非均匀场地对埋地管道的动力特性有较大的影响,管道在穿过非均匀场地时,土体出现明显的竖向和横向位移,使管道由于变形不同而破坏.土体类型变化以及其它因素如地震波类型、地形地貌条件、断层等共同作用对管道破坏的影响很大,结合起来考虑其破坏机理十分重要.一般来说,前二种作用对埋地管道的破坏是灾难性的,均属于难以抗拒因素,实际工程中多采用避开这类地段铺设管道的措施或专门研究特殊的抗震措施.而地震波传播效应则是埋地管道破坏的最普遍原因,最早引起了人们的关注,是埋地管道抗震研究的主要对象,其在理论和试验上的研究也较深入.

4.结语

埋地管道的抗震,是生命线地震工程的重要组成部分.只有认清埋地管道在地震波作用下反应特征的一般规律、破坏机理,并将其作为埋地管道地震反应分析的依据,才能建立适合实际工程的埋地管道地震灾害防御技术,提高埋地管道的抗震能力,完善地震灾害应急预案和工程技术措施,从地震防御

到抗震理论分析,做到有的放矢,才能尽可能的减轻

埋地管道的破坏,埋地管道和地铁、隧道、共同沟、地下管廊同属于地下线形结构,其震害分析在理论上应对后者震害原因分析有一定的借鉴价值.

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