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摘要：对埋地管道结构分析，考虑管道与土的相互作用问题是非常必要的。其相互作用问题包括管土界面滑移、分离现象及界面处接触应力的确定。采用非线性接触的处理方法建立了管土相互作用分析模型，管道及其周围土体分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散，采用有限元手段分析了断层错动下管土界面的非线性反应情况。通过算例，分析了位错量、埋深、管道径厚比及场地条件对管土界面非线性反应的影响；此外对管土界面接触应力进行了分析，发现近断层处管土发生强烈的非线性反应，在距离断层较远处，管土切向摩擦应力的是以一种“抛物线”式的方式递减，而非以线性递减的方式减少。关键词：埋地管道，非线性接触，断层运动，接触应力1.引言埋地管线是重要的生命线工程，影响人们日常的生产生活。西气东输和川气东送同三峡工程、青藏铁路、南水北调并称为中国五大工程，建成后将形成覆盖全国的天然气管道网络。这些重大的天然气管道工程遍及全国各地的自来水、供燃气、排水等管道工程，这些管道工程构成了维系现代社会正常运转的基石。管线工程多埋于地下，形成的网络系统庞大复杂，需要覆盖广阔的地域，对于一些不利甚至危险的地域也必须经过。例如，西气东输工程跨越了多个地震活动地区，需要穿越100多个断层。埋地管线担负着输送生产和生活物质的功能，它需要覆盖广阔的区域，遇到不利甚至危险的地质条件(断层、液化、震陷、滑坡等)也无法避让而只能穿过。这些地质灾害将导致地面产生永久变形，严重威胁着埋地管线工程的安全性，有可能造成管线系统服务功能的下降甚至丧失，对社会生产、生活产生影响。更为严重的是，油、气、水等泄露不仅经济损失巨大，而且可能导致环境污染，甚至引发火灾等次生灾害。因此，研究在地面永久变形下埋地管道的工作性状，是不得不面临和需要解决的重要问题之一。埋地管道在上覆土层和外荷载等作用下，管道将因受力而变形，管周土体既是作用在管道上的荷载，同时又是增强管道强度和刚度的一种介质。因此在研究地埋管道的工作机理时，必须把管道周围一定范围内的土体作为结构的一部分加以考虑，即考虑管土相互作用问题。地面永久变形下管土相互作用问题主要包括管土接触界面的相对滑移、分离及闭合等非线性反应现象以及界面处分布接触应力的确定[1-3]。地面大变形下埋地管道的反应分析研究从最初的索及梁模型发展到壳模型，是一个巨大的改进；但是目前处理管土相互作用时，多将土体对管道的作用简化为一系列弹簧参数[4-6]来替代，而土体的强非线性也导致了弹簧参数的难确定。本文采用非线性接触[7-12]的处理方法建立了管土相互作用模型，通过有限元计算分析了位错量、埋深、管道径厚比及场地条件对管土界面非线性反应的影响，并对管土界面上接触应力及反应变化规律进行了简单的分析研究。2.有限元模型及参数选择大量的动力和静力实验及研究分析表明管线一般情况下受震和受到断层作用运动形式和原因是不同的，跨越断层埋地管线运动主要是由于地表的永久性位移产生，其动力放大作用微小，可以忽略管道惯性力的影响，因此对管线的地震反应可以采用拟静力方法进行研究。建立了地面永久变形下管土相互作用的三维有限元分析模型，如图1所示。管道及周围土体从半无限地球介质中取出，采用非线性接触单元来模拟管土之间的相对滑移、分离及闭合等非线性现象。由模型可知，计算区域包括管道结构及周围土体介质，由6面边界条件组成，除了地表为自由面外，其他5个面为人工边界条件。边界条件为：地表为自由面，左右端面、模型前后两面为水平约束，左侧底面采用竖向约束，右侧底面为位移输入边界；管道两侧为自由边界。圆柱形中空薄壁管道采用四节点薄壳单元，土体采用八节点三维实体单元，考虑初始应力场的影响，采用线性位移加载方式来表征断层位错作用，对管土相互作用体系进行非线性分析，研究管土交界面上非线性接触的反应过程。取管径为0.4m的钢质管道作为案例分析对象，上、下盘土体纵向长度均取为160m，即为管径的400倍长度；土体宽度取为8m（管径的20倍长度）；管道计算长度取为324m。在断层两侧各20m区域内网格进行细分。模型中钢质管道采用三折线本构模型，其弹性阶段弹性模量MPa，当应力达到418MPa管道开始进入弹塑性阶段，当应力与塑性应变分别达到516MPa、0.016时完全进入塑性状态，泊松比52.110E=×0.3υ=。土体采用Mohr-Coulomb模型。3.管土界面反应现象分析为了了解认识地震导致的地面永久变形下管土交界面上非线性接触反应现象，主要包括管土界面的滑移及管土相对分离现象，对正断层作用下管土相互作用反应进行了参数影响分析。以接触面下侧的竖向位移为指标来衡量管土间的相对分离反应，以接触面上侧的轴向位移为指标来表征管土间的相对滑移行为。依据模型计算结果，从土体位错量、埋设深度、管子径厚比及场地条件等方面来分析其对管土相互作用反应的影响。不同位错情况下埋地管道与周围土体接触界面上产生的相对分离及相对滑移的分布中可以看出随着位错量的增加，断层处管道下侧竖向位移随之增大，距断层越近分离越明显，且管土分离区域也慢慢随位错增大而增大；当位错达到0.4m以后，管土分离区域基本不变，分离区域约6m(12D)，这里管道发生明显的椭圆化变形甚至“铰式”屈曲。管土界面上侧的相对滑移的反应情况随着位错量增加管子靠近断层处的轴向位移随之增大，且管子与土体产生相对滑动的区域不断增加，在距离断层一定远处，管土之间近乎无相对滑移，可以将其看成是“锚固点”，给有效计算长度的选取提供了一个理论依据。同一加载水平下不同埋深对管土相对分离及相对滑移行为的影响中不难看出，随着埋设深度的增大，管道竖向位移峰值减小，且管土分离的区域也随之减小，但是由于相同管径及相同位错的缘故，管土分离的区域近似限制在距离断层约6m处。可以知道管道埋设深度越浅，管土间相对存在滑移的区域越大，从而在地震断层作用下能够更多的吸收地震能量，即管道抵抗断层的能力与埋深成比，浅埋时管道易于变形，益于抗震。同一加载水平下管道径厚比不同时导致的接触界面上管土之间相对分离及滑移的变化中可以看出管土分离区域随着径厚比的增大而呈减小趋势，但是在断层处管道的竖向位移峰值相近；图4(b)是界面上侧管土相对滑移情况图，明显的是随着径厚比的增大，存在相对滑移的区域在减小，这可以从侧面说明当管径大小不变时，随壁厚增加，滑移区域越大，管道在土中越易于活动变形，从而利于抗震。土质材料不同情况时对管土相对分离及相对滑移的影响看出，随着土体硬度增加，管土相对分离区域以及断层处竖向位移峰值随之减小；从中发现管土界面存在相对滑移的区域随着土体硬度的增加而减小，同时管道上侧轴向位移峰值也随土体变硬而减小。因此，当管道埋设在松散的或中等密实的土体中时，管道在断层作用下容易变形，能耗散较大的地震能力。4.接触界面接触应力分析断层左侧固定部分管土接触面断层处接触应力随断层位错变化而变化的反应过程中可以看出管土接触界面上侧节点249及周围临近节点248、250先随着位错增大而接触压力和摩擦应力随之剧增，然后慢慢减小，当位错量达到0.4m时节点248及250与管道发生分离，管土之间转化为自由边界，没有力的传递。对于其它的下侧的节点，由于断层错动的产生，很早就产生管土的分离现象，不进行力学传递，成为自由边界。此外，不难发现，断层附近处管土非线性接触现象非常强烈，管道与土体之间随着断层错动量的增加不断的改变其接触状态。距离断层界面80m处(节点611-620)管土接触面上接触应力随着断层位错变化而变化的过程中可以看出，接触界面上各节点的接触压力在断层位错量增大时近乎保持恒值，这是因为距离断层较远处管道与周围土体之间没有发生分离现象，其接触压力值为初始应力状态下管土接触界面上的相互作用值。而从中可以看出随着断层错动量的增加，管土界面上轴向摩擦应力值随之呈现“抛物线”式的增大趋势，所以认为远离断层截面处的接触界面上摩擦应力随位错量增大呈线性增大的说法是不正确的；也可以看出管土接触面上两侧的轴向摩擦力呈对称分布。当然，从图中的曲线变化来看，距离断层较远时管土相互作用相对断层附近处相互作用要弱很多。断层左侧固定部分距离断层30m-160m段内管土界面上侧节点摩擦应力随位错量的变化关系中横向坐标“0”代表的是左侧土体的端部界面上节点，坐标“130”代表的是距离断层30m处管土接触面上侧土体节点位置。之所以取距离断层处30m之外的界面上的摩擦应力进行分析，是因为30m外已经是大变形之外了，这段范围内管道及周围土体应力和变形基本处于弹性范围之内。从中我们发现，随着位错量的增加管土界面切向摩擦应力随之增大。此外，从中还可以看出切向摩擦应力的是以一种“抛物线”式的递减方式，逐渐减少，到距离端部40m处变为零。所以假设管土系统反应大变形之外的管土界面摩擦应力以一种线性方式而减少的论断是不合理的。5.结语采用非线性接触问题的处理方法建立了管土相互作用分析模型，研究了交界面上管土相对分离、滑移的非线性接触行为，对影响管土接触界面反应的几种因素作了分析。通过参数分析，得到如下结论：(1)位错量增加时，管土相对分离区域及管道下侧竖向位移随之增大，但由于管径因素，其相对分离的区域受到限制；同时其相对滑移区域及管道的轴向滑移量也随位错增大而增大。(2)埋深越大，其相对分离区域及管子竖向位移越小，且存在相对滑移的区域也随埋深增大而减小；埋深越大，管道不易在土体中活动，对抗震不利。(3)管道径厚比越大管土相对分离区域越小，存在相对滑移的区域越小；管径大小不变时，随壁厚增加，滑移区域越大，管道在土中越易于活动变形，耗散更多地震能量，利于抗震。(4)从软土到硬土，管土相对分离区域及管子竖向位移随之减小，且存在相对滑移的区域也随之减小；管道敷设在松散的或中等密实的土体中时，利于管子抵抗地震断层作用。简单的分析了管土接触界面上接触应力的分布情况，研究发现断层附近处管土接触变化的强烈非线性行为，距离断层处较远时，管土界面上不会发生管土分离的非线性现象，但管土间的相对滑移情况随着位错的增大而增大。距离断层较远处，管土切向摩擦应力的是以一种“抛物线”式的递减方式，逐渐减少，而非以线性递减的方式减少。