跨逆断层埋地管线的断层错动反应分析

【摘要】： 断层错动直接引起的场地地表或近地表破裂是埋地管线破坏的主要原因。跨断层埋地管线的地震反应问题是生命线地震工程的重要研究内容之一。很多学者对该问题做了大量的工作,提出了很多分析方法。传统的理论解析方法和已经开展的数值模拟方法主要是基于走滑断层进行的。由于逆断层对埋地管线作用的复杂性,管线跨逆断层反应的研究具有一定的难度,这方面的工作开展较少。本文在已有工作的基础上,对管土大变形管段建立壳单元有限元模型,对埋地管线跨逆断层的断层错动反应进行分析,得到了一些初步的研究结果,可以为跨逆断层的埋地管线设计提供参考。主要工作内容包括: 1.推导了一种等效压缩弹簧边界以简化壳单元有限元分析模型并完善计算边界处理方法。 2.对管土大变形管段建立壳单元有限元分析模型,通过在管体壳单元的节点上连接非线性土弹簧考虑管土之间的相互作用,引入等效拉伸弹簧边界和等效压缩弹簧边界以考虑远端小变形管段的影响,建立了跨逆断层埋地管线断层错动反应的分析方法。 3.围绕影响管道跨断层反应的主要影响因素进行了一些算例的分析,探讨了管道在逆断层错动作用下的失效模式,得到了一些初步结论: (1)穿越角度对跨逆断层埋地管线地震反应的影响很小。在相同的断层位错作用下,不同穿越角度的埋地管线的最大轴向压应变十分接近。 (2)小管径管线和大管径管线的失效模式差别很大。小管径管线的破坏点集中在管线与断层的相交处,并且需要分析较长的管段才能体现被动盘管线弯曲段的应力应变情况。随着管径的增大,管道的壳体行为逐渐明显,管道的失效长度也随之扩大。综合对不同管径管道的应变分析和失效长度的分析,在跨逆断层的埋地管线中,选择600mm~1200mm的管径对抗震比较有利。 (3)断层面倾角越大的逆断层对埋地管线的破坏越严重。在相同位错作用下,断层面倾角越大,管道的应变越大,说明管道对竖向抬升作用很敏感。 (4)埋深越大的管线在逆断层作用下破坏越严重。跨逆断层的埋地管线在满足管顶最小覆土深度、土壤冰冻深度以及抗浮要求等前提下,以浅埋为宜。