地震作用下饱和土中充液管道动力特性及工程参数影响分析

In order to reduce conveying fluid pipelines damage caused by the seismic effect and ensure safety of lifeline works to prevent the emergence of secondary disasters, there has great significance to research on dynamic response of liquid-filled pipe in saturated soil due to seiemic waves. Based on analytic method and experimental study combined with numerical method, the dynamic response characteristics of liquid-filled pipe fluid-solid coupling in saturated soil impacted by seismic waves were system studied in this project. The study contents include: Establishment control equations of pipes conveying fluid surface load transient dynamic and analyze its dynamic response. Using the wave theory to study the saturated soil pipes scattering effect of seismic wave. on this basis, Use the model experiment to test the fluid filled pipe dynamic problems. At last, the disaster evolution process of the liquid-filled pipe impacted by seismic waves was analyzed by numerical method and its catastrophe model was studied thought experimental researth. Combined with three kinds of analysis method，the law of impact seismic characteristics of fluid filled pipelines in saturated soil will get and provide a theoretical basis for the anti-seismic parameters of underground pipeline engineering design.

为了减少地震作用对地下充液管道造成的破坏，确保生命线工程的安全和防止次生灾害的发生，开展饱和土中充液管道结构对地震响应的研究有着十分重要的意义。项目采用解析方法、实验研究和数值方法相结合手段，对地震作用下饱和土中充液管道动力响应问题进行系统研究。内容包括：建立充液管道表面受荷的瞬态动力控制方程并分析其瞬态动力问题；分析地震波场作用下饱和土中充液管道的散射效应及动应力集中问题，在此基础上，通过模型实验研究对充液管道动力问题进行测试分析；最后采用数值方法对地震荷载作用下饱和土中充液管道动力响应过程及破坏模式进行模拟。三种分析手段紧密结合，得出地震作用下饱和土中充液管道动力特性并分析工程参数对其影响规律，为地下管线工程抗震参数设计提供理论指导依据。

为了减少地震作用对输流管道造成的损毁，确保生命线工程的安全以及避免次生灾害的发生，开展地震作用下饱和土中输流管道动力响应特性研究有一定现实意义。项目围绕饱和土中输流管道的地震响应问题，采用波动理论分析计算、数值模拟以及室内模型试验三个手段来开展研究，得出了以下结论：（1）利用建立的理论解析方法，分析了地震波入射参数(入射角度、入射频率)、饱和土体力学参数(土体孔隙率、渗透系数)、管道结构参数(剪切模量、厚度、泊松比及管道埋深)等因素对地震波作用下输流管道动力特性的影响。研究表明输流管道的剪切模量、管壁厚度以及管道埋深对动力特性影响明显，随着管道剪切模量的减小、管道壁厚以及埋深的增加，动应力集中系数会减小；土体孔隙率的增加，孔洞周边动应力集中系数会增大；随着入射波角度的变化，动应力集中系数分布也会沿着一定角度方向发生偏转，入射波自管道下方垂直入射时，管道周边动应力集中系数峰值最大；而管道的泊松比变化对管道动应力分布影响不大。（2）采用数值软件FLAC3D对饱和土中输流管道模型地震响应问题进行了数值模拟。对比分析了饱和土中柔性管道与刚性管道对地震响应的特性，刚性管道周边监测点的竖向加速度峰值、切向应力峰值、孔隙水压峰值均大于柔性管道周边相应监测点的峰值。同样可以发现，P波作用于输流管道时管道周边动应力集中系数分布规律为管道底部最大，顶部最小，两侧次之，这与此前用解析法计算的动应力集中系数分布趋势吻合。（3）以实验室模型试验为手段，得到了振动条件下输流管道周边测点动应力时程数据，得出了振动条件下输流管道周边动应力分布规律，对比分析了充液管道与空管道、刚性管道与柔性管道对动应力分布影响。测试结果表明，输流管道在下方振动波作用时，管道正下方产生的动应力最大，管道左右两侧产生的动应力次之，管道正上方产生的动应力最小，分布大小差异较大，管道上下方产生的动应力最大值与最小值比值达到1.37～2.36。充液管道与空管道产生的动应力值大小有较大差异，充液管道产生的动应力大于空管道周边产生的动应力。对不同材质的管道动应力测试得出弹性模量这一参数对管道周边的动应力值影响敏感，PP—R建筑排水柔性管道产生的动应变大于PVC—U建筑排水刚性管道的动应变，而PP—R建筑排水管产生的动应力小于PVC—U建筑排水管的动应力，所以工程中采用柔性管道能在一定程度上减少地震中的管道周边动应力产生。