地裂缝环境下SRTP埋地管道性状

黄强兵，姜紫看，郭 瑞，梁 奥

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054； 2.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731； 3.中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016)

0 引 言

20世纪50年代以来，陕西西安城区先后出现NEE向分布的14条地裂缝，目前，普遍认为这些地裂缝是构造控制、地下水过量开采诱发的典型城市地质灾害[1-4]。同时，西安地区多个地下水超采区出现沉降漏斗现象，严重影响城市生命线工程(如轨道交通[3,5-6]和地下管网系统)的正常使用。对于地裂缝，一般工程建(构)筑物均采取避让措施，但城市输水、输油(气)管道是一种长距离线性和网络状工程，基本无法避让。已有调查表明，地裂缝活动常常导致市政设施损坏及埋地管道开裂或错断破坏，从而诱发次生灾害，如输水管道破坏导致水渗入地层引起地面塌陷，天然气管道破裂使燃气泄漏引发爆炸[1-4,7]。因此，广布市区的地裂缝对西安目前城市市政设施，尤其是管道系统构成了严重安全威胁，已引起市政部门的高度重视。

目前，国内外关于地下管道通过不良地质(如地面沉降、活断层以及地裂缝等)的研究已经取得很多成果。Kennedy等分析了土层对地下管道的横向作用力和管道纵向弯曲变形特征，建立了跨断层地下管道的力学解析模型[8]。高惠瑛等提出不均匀沉降作用下埋地管道受力变形分析新方法，并给出算例分析沉降参数、管径和埋深等因素对管道的影响[9]。刘嘉斌等在总结西安地裂缝的分布规律和活动特征基础上，提出燃气管道穿越地裂缝采用浅埋、管侧筑沟充砂以及主变形区加补偿器的方法减小地裂缝对管道变形的影响[10]。毛应生等据现场调查指出排水管道在地裂缝错动后最易在接头处断裂破坏，建议管道接头使用抗拉的柔性材料[11]。马广超据实地调查地裂缝作用后排水管道的破坏情况，提出采用柔性管材(玻璃钢夹砂管(PVC)或聚乙烯双臂波纹管(PE))和加强砂基础的方案整改已损旧管道[12]。Kokavessis等用有限元数值模拟和接触单元法研究了管土相互作用，分析了埋地管道在地表永久荷载作用下的性状特征[13]。朱庆杰等使用ANDIA软件建立管道-地层-断裂三维模型，重点分析了地震作用下不同管道埋深、管土接触和断层参数对地下管道破坏的影响[14]。门玉明等结合实际研究工作指出随着城市地下空间的开发利用，地下管线工程将不可避免地穿越地裂缝带，需要加强物理模型试验和理论方面的研究工作[15]。陈志磊采用1∶1足尺模型试验，研究了地基沉降导致聚乙烯地下管道产生变形破坏的力学机制[16]。Vazouras等通过数值模拟研究了埋地钢质管道通过走滑构造断裂的性状，分析了管道局部失稳的力学模式，得到了钢质管道变形特征[17]。曹建国通过试验模拟研究地面地震液化后地下管道的震害特性，对比分析了不同直径3种管材的变形破坏特征，并对不同管材抗震性能进行评价[18]。从上述研究来看，现阶段关于地面沉降和断层对地下管道影响的研究较为深入，而地下管道地裂缝灾害研究方面多为危害的宏观定性描述与对策探讨，尤其是地裂缝活动时埋地管道受力与变形特点、管道变形破坏模式等模型试验[19-20]和理论分析等方面的相关研究较少，从工程设计角度出发的定量研究十分缺乏。

基于此，本文以陕西西安市政管道建设中目前常用的钢丝网骨架塑料复合(SRTP)埋地管道为研究对象。考虑到NEE向西安地裂缝与EW向展布的管道工程基本呈30°斜交，与SN向展布管道呈60°斜交，其中30°斜交工况更为不利，故以与管道呈30°斜交穿越的地裂缝带为工程背景。通过足尺模型试验，结合数值模拟计算，研究地裂缝环境下埋地管道的受力及变形特点，以期揭示地裂缝环境下SRTP埋地管道的变形力学性状，为埋地管道穿越活动地裂缝带的设计与防灾提供科学依据。

1 试验设计

1.1 模型尺寸及材料参数

本文采取1∶1足尺模型试验，根据目前城市埋地管道实际情况，模型试验中管道采取沟埋式，埋深为1.7 m，管沟内为中砂，厚度为0.3 m，模型尺寸为5.0 m(长)×2.5 m(宽)×2.0 m(高)。管道埋深范围地层物理力学参数(平均值)特征包括：重度(γ)为18.5 kN·m-3， 弹性模量(E)为7.45 MPa，黏聚力(c)为30 kPa，内摩擦角(φ)为27.5°。试验时，地层结构上部为1.4 m黄土，中间为0.3 m中砂，底部为0.3 m黄土，模型试验地层和SRTP埋地管道相关参数如表1、2所示。探槽揭示地裂缝带一般充填粉细砂、粉土和粉质黏土，模型试验中地裂缝设为宽度2 cm软弱带，按照实际地裂缝带内充填物来模拟[3]。SRTP埋地管道和试验模型见图1、2。

表1 模型试验地层结构及参数Tab.1 Strata Structure and Parameters of Model Test

表2 SRTP埋地管道材料参数Tab.2 Material Parameters of SRTP Buried Pipeline

图1 SRTP埋地管道示意图Fig.1 Schematic Diagram of SRTP Buried Pipeline

图2 试验模型示意图(单位：m)Fig.2 Schematic Diagram of Test Model (Unit: m)

1.2 试验原理及测试内容

本次模型试验在长安大学地质灾害大型物理模拟试验中心自主研制的模型箱系统上进行，模型箱尺寸为5.0 m(长)×2.5 m(宽)×2.0 m(高)(图2)。西安地裂缝的活动方式基本是上盘下降、下盘稳定，具有正断层性质，模型试验中通过控制模型箱上盘底部千斤顶的升降来模拟地裂缝上盘下降过程，考察管道的受力变形甚至破坏情况。

管道顶部和地表沉降变形主要通过布设在管道顶部和地面的位移计来测量，位移计沿管道轴向布置，间隔0.6 m，总共7个(图3)。位移计固定在模型箱顶部的横梁上，通过直径20 mm的PVC管内设置一根测杆，一端置于管道顶部，一端焊接扩大头，位于模型顶面，位移计顶住扩大头，管道产生沉降时，PVC管内的测杆随即竖向沉降，位移计读数随之产生变化。位移计布设如图3(a)所示，而地表的沉降位移可直接通过地表标志点上的位移计进行测量[图3(b)]。

图3 位移计布设Fig.3 Layout of Displacement Meters

此外，为分析管道的受力变形情况，在管道的轴向和横向分别布置测点(图4)，每条测线各布9个轴向和横向应变片，两者相互垂直，相邻两轴向应变片间隔0.6 m。

图4 应变片布置图(单位：m)Fig.4 Arrangement of Strain Measured Points (Unit: m)

s为地裂缝上盘底部沉降量；测点位于上盘用正值表示，位于下盘用负值表示

2 结果分析

2.1 管道顶部与地面沉降位移特征

图5为地裂缝上盘不同沉降作用下管道顶部沉降位移曲线。由图5可以看出：地裂缝上盘下降时，管道顶部沉降呈反“S”型曲线，其沉降滞后于地层本身的沉降；当地裂缝上盘下降20 cm时，管道顶部沉降量约16.90 cm，管道沉降变形约为地裂缝上盘沉降量的84.3%，这说明地裂缝错动时管土接触位置局部出现脱空区。随着地裂缝上盘底部沉降量的增加，脱空区范围也随之扩大，试验结束后开挖发现在上盘出现了高约9 cm脱空区。SRTP埋地管道由过塑钢丝网骨架和热塑性塑料聚乙烯构成，钢材抗拉，而热塑性聚乙烯具有较好柔性，这使得SRTP埋地管道既可抗拉又具一定可塑性。当上盘地层错动时，管道沉降变形小于上盘地层错动量，导致管道除承受上覆土层自重之外，还受管道两侧地层的摩擦阻力，管道产生较大附加变形。而位于下盘的管道在靠近地裂缝区有微量沉降，远离地裂缝区产生了轻微隆起的翘曲变形。

图6为地裂缝上盘不同沉降作用下地表沉降位移曲线。由图6可知：地裂缝上盘的地表沉降变形较大，呈向上盘倾斜增加的趋势；而下盘的地表沉降变形较小，出现轻微的隆起变形。当上盘沉降20 cm时，上盘地表最大沉降量约16.17 cm，占上盘沉降量的80.8%，说明上盘地层因管道的支撑作用，地表沉降明显滞后和小于上盘底部地层的沉降，具有明显的变形“衰减效应”。

图6 地表沉降位移曲线Fig.6 Curves of Settlement Displacement of Surface

地裂缝沉降作用下，跨地裂缝带管道的变形和地表沉降均明显滞后于地裂缝地层的沉降，具有变形(或位移)“衰减效应”，这与实际地裂缝由深部到浅部地层沉降具有减小的趋势[3]相一致。同时，试验过程中位于地裂缝下盘的管道顶部先产生4 mm的最大隆起翘曲变形，之后逐渐减小，而下盘地表的隆起变形也随之由最大的1.16 mm减小至最后的0.56 mm，这说明管道经历了适应地裂缝地层变形后部分恢复的力学过程，管道周围砌沟地层(砂)承受的摩擦阻力相应逐渐降低。

应力为正值表示拉应力，为负值表示压应力

2.2 管道应力变化特征

图7为管道顶、底部轴向应力随地裂缝上盘沉降的变化曲线。从管道顶部受力来看，在地裂缝沉降作用下，SRTP埋地管道顶部在下盘整体受拉应力，而位于上盘0.6～1.8 m范围的管道顶部主要受压应力，且位于下盘的管道顶部所受拉应力明显大于上盘所受压应力，即地裂缝沉降后管道主要受拉应力。当上盘沉降至最大20 cm时，管道顶部最大轴向拉应力为23.04 MPa，出现在下盘距地裂缝0.6 m处，低于SRTP埋地管道设计抗拉强度(63 MPa)。从管道底部受力来看，管道底部所受轴向应力和管道顶部刚好相反，管道底部在上盘整体受拉应力，而位于下盘-1.2～0 m范围的管道底部主要受压应力，上盘管道底部所受拉应力明显大于下盘所受压应力。当上盘沉降至最大20 cm时，管道底部最大轴向拉应力为25.23 MPa，同样低于SRTP埋地管道设计抗拉强度。综上所述，管道顶、底部虽然出现了明显的拉应力和压应力集中区，但管道的拉应力和压应力并未超过其抗拉强度和抗压强度，试验结束管道没有破损，说明管道具有较好适应地裂缝大变形的能力。

同时，地裂缝上盘沉降过程中位于上盘的管道底部会产生脱空区，即图7中上盘0.6～1.8 m的区域，脱空区范围为1.2 m，该范围内管道底部出现拉应力，而其顶部出现压应力。从管道顶、底部轴向应力的变化特征及影响范围来看，地裂缝作用对SRTP埋地管道纵向影响长度约3.0 m，即上盘0～1.8 m、下盘-1.2～0 m。由此可以判定，地裂缝带内SRTP埋地管道设防长度为上盘1.8 m和下盘1.2 m，在该范围内管道需要采取一定的保护措施。

2.3 地表破坏过程及管道变形特征

图8、9分别给出了试验结束后模型地表变形破坏及管道底部脱空示意图。当上盘沉降2 cm后，地表立刻出现3条互不贯通裂缝[图8(a)、(b)]，随着上盘沉降量的累加，裂缝逐渐扩展贯通，同时出现次级裂缝；当上盘沉降8 cm时，地表产生3条主裂缝和多条次级裂缝[图8(c)、(d)]；当上盘沉降量达20 cm时，上盘靠近地裂缝侧密集分布超过10条宽窄不等的裂缝，而下盘仅几条，且裂缝之间呈平行发育趋势[图8(e)、(f)]，说明地裂缝活动类似于活断层，具有典型的上盘效应，即上盘地层或地表破裂明显多于下盘。位于上盘的管道底部局部区域脱空(图9)，这是埋地管道与周围地层变形不协调导致的，且脱空区的大小会对埋地管道的内力和变形产生明显影响。试验结束后开挖发现管道虽有一定程度的变形，但未见开裂破坏现象，管道整体仍连续完整，静置60 d后基本恢复到试验前状态，进一步说明SRTP埋地管道具有很好适应地裂缝大变形的能力。

图8 地表变形破坏特征Fig.8 Characteristics of Ground Surface Deformation

图9 管道底部脱空情况Fig.9 Disengaging Situation of the Bottom of Pipeline

3 数值模拟验证与分析

采用有限元数值模拟对上述模型试验进行验证，计算得到的模型尺寸、地层结构及边界条件(图10)均与模型试验一致。本次模拟计算通过地裂缝上盘底部施加z方向的强制位移来模拟上盘沉降过程，上盘强制位移工况分5种，即地裂缝上盘底部沉降量分别为4、8、12、16、20 cm。计算时采用Mohr-Coulomb强度准则，管道及地层计算参数见表1～3。

图10 数值模拟计算模型(单位：m)Fig.10 Numerical Simulation Calculation Model (Unit: m)

表3 地层计算参数Tab.3 Calculation Parameters of Strata

3.1 地层与管道沉降变形特征

图11为地裂缝沉降(s=20 cm)作用下模型试验和数值模拟中管道变形效果对比图。由图11可知，管道上、下盘变形呈“S”状。根据地裂缝沉降作用下管道变形的特点，可以将管道变形大致划分为3段，即上盘沉降段、脱空段和下盘翘曲段。位于下盘地层中的管道在近地裂缝处变形最大，随着与地裂缝距离的增加，管道变形强度减小；而位于上盘地层中的管道由于受到周围地层沉降的拖曳作用，产生整体沉降，在靠近地裂缝处，当上盘沉降量超过管道竖向沉降量时，将产生管道底部脱空现象，与模型试验结果基本一致。同时，管道顶部的沉降作用数值模拟计算结果也与模型试验结果具有较好的吻合度(图12)。

3.2 管道内力变化特征

图11 地裂缝沉降作用下埋地管道变形效果Fig.11 Deformation of Buried Pipeline Under the Settlement Action of Ground Fissure

图13给出了管道内力随地裂缝沉降量的变化曲线。从轴力来看，位于地裂缝上盘的管道部分受压应力而下盘部分受拉应力，且受拉应力更加明显，在-0.6 m处轴力最大[图13(a)]，说明在地裂缝沉降作用下，受上盘地层的拖曳作用，此处最可能发生拉裂破坏，与模型试验结果基本一致。管道所受剪应力在-0.7 m(下盘)和0.4 m(上盘)出现峰值，易发生剪切或剪断破坏，剪应力在-1.3 m(下盘)至1.7 m(上盘)比较大，因此，管道受剪应力影响范围约3.0 m[图13(b)]，此段管道受地裂缝沉降作用引起的剪切作用较强。管道弯矩在-1.3 m(下盘)至1.7 m(上盘)范围变化较大，其他位置弯矩较小[图13(c)]，说明弯矩影响范围为-1.3 m(下盘)至1.7 m(上盘)。从管道内力变化特征来看，地裂缝沉降作用下SRTP埋地管道受影响的范围大致为3.0 m，即-1.3 m(下盘)至1.7 m(上盘)之间，这与前述模型试验结果吻合。

图12 管道顶部沉降位移对比(s=20 cm)Fig.12 Comparison of Settlement Displacement at the Top of Pipeline (s=20 cm)

4 结 语

(1)斜交穿越地裂缝带的SRTP埋地管道和地表的沉降位移(或变形)明显小于或滞后于地裂缝沉降引起的地层位移，其沉降变形特征具有明显的“衰减效应”。

(2)地裂缝沉降作用下管道顶部上盘受压应力，下盘受拉应力，而底部受力刚好相反，具有较为明显的反对称受力特征。管道受力变形模式为拉张-挤压弯曲变形模式；SRTP埋地管道具有较强的韧性和适应地裂缝大变形的能力。

(3)地裂缝活动对SRTP埋地管道的纵向影响长度为3.0 m。SRTP埋地管道设防长度为上盘1.8 m和下盘1.2 m，在此范围内管道需要采取适当保护措施。

(4)地裂缝沉降作用下SRTP埋地管道的纵向变形大致可分为3段，即上盘沉降段、脱空段和下盘翘曲段。其中，脱空段范围随着地裂缝沉降量的增大而增大，当地裂缝沉降量达到20 cm时，脱空段范围为1.2 m。

图13 管道内力变化曲线Fig.13 Change Curves of Internal Forces of Pipeline

(5)本文仅考虑了SRTP埋地管道与地裂缝带呈30°斜交的工况，有关地裂缝环境下埋地管道力学模型的构建、交角变化、地层结构及管材等参数对埋地管道性状的影响后续将展开进一步讨论。