三箱场地变形组合试验装置可以用来模拟土体沉降, 断层错动或两者结合的场地变形情况, 比两箱试验装置适用更广, 且更符合实际.如图2所示, 箱体1为滑动箱体, 底部和侧面装有滚动滑轮, 正面在千斤顶匀速加载作用下使箱体1发生水平位移, 与箱体2(可用于沉降, 此试验固定)产生位错, 模拟管道在走滑断层下的受力及变形情况.箱体3作为固定箱体, 用于固定管道的位置.本试验中固定区域大于错动区域.

图2

Fig.2

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	图2 试验装置立面图Fig.2 Elevation of test devices

参照文献[16]模型相似设计简化方法及结论, 确定室内试验装置尺寸, 即当管道平面尺寸与地基平面尺寸之比小于1/5时, 模型边界效应对管道的动力反应影响已经很小, 则管体之间距离必须大于试件最大管径的5倍.因此, 本试验中选用的最大管径不超过60 mm, 管体两侧土体的范围应不小于300 mm.因不同管道之间的距离大于300 mm时, 可以认为管道之间的相互影响忽略不计, 为实现试验的最大效率, 设计3根埋管, 呈正三角布置, 且各管水平及竖向间距不小于300 mm.于是设计整个模型箱体尺寸:箱体1和箱体3为1.1 m(长)× 0.9 m(宽)× 0.8 m(高), 其中箱体3焊接在固定台上, 箱体1做成滑轮结构, 模拟断层错动区; 中间箱体2的尺寸为1.4 m(长)× 0.9 m(宽)× 0.8 m(高), 此箱体用于模拟沉降, 在此试验中固定不动.

除项目组自制试验箱体外, 主要的试验仪器设备与材料有:千斤顶、数据采集系统StrainBook、LVDT位移传感器、黏性土、导线、应变片(1 mm× 2 mm)、土压力盒、管道试件、环氧树脂、硅胶和泡沫管(防止管体两端与箱体硬性接触)等.

针对油田长输油水无缝管道进行走滑断层试验, 管材均为无缝钢管, 管道试件壁厚均为4 mm, 长度均为3 700 mm, 试件数量均为3, 管道外径分别取32 mm、42 mm和52 mm.考虑走滑断层运动的特点, 应变片测试点主要设在断层面处及其两侧.每个试件设9个测试点, 每个点设有2个电阻式应变片, 分别设在管道的前后两侧.断层面附近应变片较密集, 间距为100 mm, 随后应变片的间距加大, 最大为300 mm.具体应变片布置如图3所示.

图3

Fig.3

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	图3 应变片粘贴详图(单位:mm)Fig.3 Detail drawing of the pasting of strain gauges(unit:mm)

图3中, 测点5位于断面处, 测点4和测点6、测点3和测点7、测点2和测点8关于断层面对称.在断层运动过程中, 管道上下侧相对前后两侧受力较小, 前后两侧主要受力为剪切力, 管道不会发生扭曲现象, 主要研究管道前后两侧的受力及变形情况, 所以上下侧可以不贴应变片.另外, 在断层附近的管道侧面设置土压力盒, 用于测量管周土压力.

在各箱体底部铺设坚硬土层, 然后埋设准备好的管道试件, 管体周围土体夯实.为了避免在试验过程中管体周围的土体过早屈服, 且满足与实际土体弹性相似, 试验所用土样必须具有足够的密实度, 所以控制土体含水量, 使密度约为1 836 kg/m³.在试件埋设过程中, 对土体进行压实度和含水率的测试, 以保证土体的要求.

在试验过程中需要对箱体1的位移进行控制, 试验开始时箱体1在水平千斤顶的作用下向后滑移, 每次控制箱体位移量为5 mm, 在错动的过程中要求对LVDT所测错距进行观测, 整个过程要求加压和错动速度均匀.达到预定位置后, 观察试件受力情况是否还在发生变化, 如果应变数值变换稳定, 继续加压控制箱体水平错动, 进行下阶段错动位移, 重复以上步骤, 直至加载完毕.

图4为管道周边的土压力随断层错动距离的变化情况.可以看出, 走滑断层作用下, 管道附近的土压力随着错动距离的增加而增大, 且在相同的错动距离和相同管道壁厚下, 管周土压力随管径的增大而减小, 可知较大管径的管道抵抗场地变形的能力较强.

图4

Fig.4

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	图4 管道侧面土压力随断层错距的变化Fig.4 Soil pressure around pipelines versus distances of fault dislocation

4.2.1 各管段轴向应变的变化

图5~图7分别为走滑断层作用下Φ 32 mm、Φ 42 mm和Φ 52 mm试验管道前后侧轴向应变幅值 ε随断层错距的变化曲线, 其应变值为正表示管道此处受拉, 为负表示受压.由图5~图7可知, 随着断层错距的增加, 各测点的轴向应变大多随之增大.个别测点除外, 如图5(a)中的测点1~3和测点5, 图5 (b)中的测点5~6和测点9; 图6(b)中的测点4和测点6~9; 图7(a)中的测点1和测点2, 图7(b)中的测点1~3, 测点8~9.而且应变最大值通常发生在离断面一定距离处, 如各图中的测点3或测点7位置, 而并非断面处.

图5

Fig.5

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	图5 Φ 32 mm管道应变幅值与断层错距关系Fig.5 Relationship between the strain amplitude of Φ 32 mm pipe and distance of fault dislocation

图6

Fig.6

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	图6 Φ 42 mm管道应变幅值与断层错距关系Fig.6 Relationship between the strain amplitude of Φ 42 mm pipe and distance of fault dislocation

图7

Fig.7

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	图7 Φ 52 mm管道应变幅值与断层错距关系Fig.7 Relationship between the strain amplitude of Φ 52 mm pipe and distance of fault dislocation

箱体1在如图1所示的向后滑移过程中, 测点6~9的管段前侧主要受到拉应力作用, 产生轴向拉应变, 对应测点的后侧则主要受到压应力作用, 产生轴向压应变; 反之, 测点1~4的管段前侧主要受到压应力作用, 产生压应变, 相应点的管道后侧主要受到拉应力, 产生拉应变.但图中有些点的受力情况与此分析有出入.具体分析如下.

1)Φ 32 mm管道应变异常分析.

观察图5(a)和图5(b)中的测点1处应变曲线, 按照上述测点位置受力分析, 测点1前侧的管道应该处于受压区, 后侧处于受拉区, 但图中表现出来的都是受拉, 这是因为当断层错距较小时(图5(a)中小于50 mm), 距离断层较远位置的管段受断层错动滑移的影响很小, 基本保持不变, 但当断层错距增大到一定程度时(超过50 mm), 测点1管段在箱体1运动中为了保持自身不变的状态沿轴向产生拉力作用, 从而使测点1的管段整体产生拉应变.同理可以解释图5(a)和图5(b)中测点9应变曲线的变化.

另外, 图5(a)中测点2前侧的压应变在断层错距达到50 mm后, 受到测点1管段内力(拉应力)的影响, 使其压应力在错距60 mm的时候减小, 之后断层运动的影响占主导, 使得管段所受压应力继续增大.同理可以解释测点3应变曲线的变化.

图5(a)中测点5为断层位置的管段, 可以看出在断层错动距离较小的时候, 该管段前侧在剪切力作用下内部产生压应力, 所以产生的压应变会随着错距的增加而逐渐增大, 但由于固定区及错动区的约束, 使得前侧压应变越来越小, 并在断距继续增大的情况下, 该管段前侧受到反向拉应力作用, 且随断距增加而越来越大.同理可以解释图5(b)中测点5应变曲线的变化.

图5(b)中的测点6表现出反常现象, 其处于固定区距离断层最近的位置, 它的应变幅值随着断层错距的增加变化非常大, 从后侧受压逐渐转变成前后受拉的状态, 且应变很大, 可以说明断层附近的一定区域内, 管道变形严重, 容易破坏.

2)Φ 42 mm管道应变异常分析.

受断层运动引起的测点5管段内力影响, 图6(b)中测点4管段后侧拉应变随着断层错距的增加, 出现先增大再减小, 最后增大的变化趋势.同理可以解释图6(b)中测点6~9管段后侧应变曲线的异常变化, 即各测点管段后侧应变受该管段到断层距离及相邻管段内力的影响, 出现图6(b)所示的变化趋势.

3)Φ 52 mm管道应变异常分析.

图7中测点1~2为错动区距离断层较远的位置, 随着断层错距的增加, 管段前侧出现由拉应变到压应变的转化, 而后侧出现由压应变到拉应变的转变, 两者关于横轴近似对称, 这是受远端约束和附近管段内力变化的影响.图7(b)中的测点3位置受到测点2管段的内力影响, 依然表现出由压应变到拉应变的变化.因测点8管段受测点7和测点9管段影响, 同时因大管径管道抵御外力作用的能力较强, 所以在断层错动过程中出现弹性回复现象.而测点9处的管段恰是因为固定区的约束和管道自身的回复能力, 使得应变在断层错动较大距离时能够减小.

由此可以看出, 断层处的应力往往不是最大值, 应力最大值一般出现在断层两侧的附近.管道各处的内力受多方面因素的影响, 首先, 走滑断层运动的方向和错动的距离会影响管道受力的方向及大小; 其次, 管道所受土体约束力也会影响管道的受力方向和大小; 再者, 管段距离断层的远近会影响管段受力大小; 最后, 管道自身因素, 如直径大小会影响管段内部应力传递的大小和抵御变形能力的大小.由图5~图7还可以看出, 对于固定区和错动区中距离断层面稍远的管段对称点, 如测点2和测点8, 固定区管段(测点8)的应变整体比错动区管段(测点2)的应变大, 这与走滑断层两盘的大小有关, 而本试验固定区域大于错动区域, 所以两盘的大小也会影响管道的约束作用.

4.2.2 不同管径管道应变值对比及变形范围

图8是走滑断层最大错距为100 mm时管道沿轴向长度的应变幅值变化曲线.图8中横轴“ 0” 点为断层面位置, 负值区为错动区, 正值区为固定区.可见, 图中应变曲线沿管道轴向的变化趋势与文献[6, 16]一样.断层两侧管段应变沿断层面与管轴的交点近似呈中心对称变化, 而管道前后两侧的应变关于管道轴向大致呈反对称变化.同时, 在相同壁厚的情况下, 管径越小, 应变幅值越大; 观察错动区管道前后侧最大应变的位置, 发现错动区管道前侧最大应变位置基本一样, 而错动区管道后侧最大应变的位置, 随管道直径越大离断层面越近, 使得受断层影响的管道变形区域越小, 即小管径管道受断层运动影响的范围大; 另外从图8还可以看出, 无论是错动区还是固定区, 远离断层面的管段应变都极小, 这是因为远端管道受土体约束作用极大, 使得管段与土体保持整体一致的运动, 甚至不产生变形, 所以管道变形发生在断层附近的一定区域内.

图8

Fig.8

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	图8 管道沿轴向的应变分布图Fig.8 Stain distribution along the axial direction of pipelines

综上, 在满足管道设计和功能要求的情况下, 若资金允许, 相同壁厚的管道尽量选择较大管径, 以提高管道抵御场地变形的能力.