Study on Mechanical Properties of Buried Steel Pipelines Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer under Reverse Fault
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摘要: 碳纤维增强复合材料（CFRP）被广泛应用于工程结构加固领域，以提高结构抵抗变形的能力。基于管道-土体相互作用三维非线性有限元分析方法，研究逆断层作用下埋地油气钢管经外包CFRP加固后的非线性响应规律和破坏模式。基于Hashin失效准则模拟CFRP受力破坏过程，与相关理论公式进行对比验证，并对加固前后逆断层错动连续埋地钢管力学响应进行分析。研究结果表明，CFRP加固钢管可显著提高其抵抗逆断层错动的能力，0°/90°为最佳缠绕角度；管道内压的施加虽抑制了管道轴向应变的增加，但当管道发生局部屈曲后，管道内压会导致管道屈曲集中于应力最大处；管道内压的施加不仅增强了CFRP加固钢管的抗变形能力，还抑制了CFRP加固钢管发生局部屈曲后应变的发展。Abstract: CFRP is widely used in the field of engineering structures to improve the ability of structures to resist deformation. This paper investigates the possibility of wrapping FRP around steel pipelines to improve the resistance of cross-fault oil and gas pipelines to large ground deformation. Based on the Hashin failure criterion, the damage process of FRP materials is simulated, and a three-dimensional numerical analysis model was established and compared with the relevant equations to verify the equations, and analyze the mechanical response of continuous buried steel pipelines with reverse fault movement before and after reinforcement. The results show that: the FRP-reinforced steel pipeline can significantly improve its resistance to fault misalignment, where the wrapping angle of 0/90° is the best wrapping angle; although the internal pressure of the pipeline suppresses the increase in pipeline strain, when the pipeline undergoes local buckling, the internal pressure of the pipeline causes the pipeline buckling to concentrate at the maximum stress; the application of internal pressure not only increases the resistance to deformation of the CFRP-reinforced steel pipeline, but also The application of internal pressure not only increases the resistance to deformation of the CFRP reinforced steel pipeline, but also inhibits the development of strain after local buckling of the CFRP reinforced steel pipeline.
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Key words:
- Cross-fault /
- Pressure pipelines /
- CFRP /
- Reinforcement efficiency /
- Numerical simulation
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引言
利用夯锤坠落产生的冲击力对软弱场地进行加固，能够有效降低场地压缩性、提高其承载力（张庆国，2003）。强夯施工过程中，夯锤落地瞬间产生脉冲振动，并以波的形式从锤击点呈放射状向外传播。夯击振动影响人体健康，当振动强度达到一定量级时，会对结构安全产生不利影响。因此，厘清强夯振动衰减规律和影响范围，有助于评价施工作业区建筑物结构安全性和强夯法的应用。
国内外针对强夯法的应用研究主要侧重于场地加固机理，针对振动衰减规律的研究相对较少。同时，现有的研究成果中，相当一部分是针对特定工程进行的现场振动监测，其研究的通用性受到限制，很难形成成熟完善的衰减理论和计算方法（程祖峰等，2007；安惠泽等，2010）。
本文依托国家电网安徽换流站场地测试项目，对项目所在区域的粉土场地进行了强夯振动规律现场测试，重点关注不同能级夯锤作业时地面振动的峰值与频谱信息，研究其振动特性与振动衰减规律，建立粉土场地强夯振动衰减计算公式，并应用振动监测数据开展结构安全性研究，确定了强夯施工区建筑最小安全距离。研究成果为黄泛区夯击振动作业区的结构安全性评价和强夯设计计算提供参考。
1. 概况
1.1 试验区工程地质条件
夯击振动测试区位于安徽省宣城市，工程场地为构造剥蚀丘陵，测试区地表土层主要为冲洪积相砂卵石层和坡残积相粘性土，基岩为风化程度不等的泥质粉砂岩，主要土层的物理、力学指标见表 1。宣城地区地震基本烈度为Ⅵ度，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）规定，场地所在地层形成年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前，因此可不考虑场地液化影响。
表 1 岩土层的物理、力学指标Table 1. The physical and mechanical properties of soil layers岩土层名称 埋深/m 天然含水量W/% 天然重度γ/kN·m-3 液限WL/% 塑性指数IP/% 天然孔隙比e 直剪 标贯试验数N 承载力特征值fak/kPa 凝聚力C/kPa 摩擦角φ/° 粉质粘土 0—4.1 23.8 19.0 36.9 16.9 0.75 45 17.5 14 230 粉质粘土夹卵石 4.1—10.2 26.0 20.5 34.7 16.3 0.61 45 14.1 15 235 黏土 10.2—27.5 27.8 18.8 43.3 19.6 0.85 41 13.4 9 200 泥质粉砂岩 27.5—未见底 22.3 1.2 强夯施工参数
换流站强夯工作区采用能级为6000kN·m和2000kN·m的2种夯锤进行地基处理（图 1）。按照试夯方案，首先采用能级6000kN·m的夯锤（锤重37.5×103kg，落距17.2m）进行点夯，点夯完成后进行场地整平；然后采用能级2000kN·m的夯锤（锤重19.0×103kg，落距11.0m）进行补充点夯，以对地基进行加固。
2. 夯击振动影响测试试验
2.1 振动测试目的
众所周知，受场地阻尼及能量耗散等综合作用的影响，强夯振动幅值随震源距的增大而减小。为确保强夯作业区周围建筑物的安全，选取典型场地进行强夯振动监测，依据监测结果研究强夯振动衰减规律，探讨强夯振动对建筑物安全性的影响及最小安全距离的确定方法。
2.2 测试方案
（1）测点的选取
为研究夯锤作业时地面振动的衰减规律及对周围建筑的影响，参照《地震动力特性测试规范》（国家技术监督局等，1998）进行现场地基振动测试研究。对2000kN·m和6000kN·m能级夯锤分别进行振动监测，探讨强夯振动衰减规律，建立适用于粉土场地的强夯振动衰减计算公式。2个能级强夯振动测试的测点布设方案分别如图 2（a）、（b）所示。2种能级振动监测均设置5个测点，其中2000kN·m能级振动测试的测点距分别为10m、27m、47.6m、70.6m和91.4m，6000kN·m能级振动测试的测点距分别为29.5m、50.7m、68.3m、70.6m和91.4m，每个测点均布设水平及竖向加速度传感器。
（2）传感器及数据采集系统
本次振动测试选用中国地震局工程力学研究所研制的941B型加速度数据采集器及配套信号放大器，配接SigLab数据采集器对夯击作业时产生的振动进行同步监测。941B型传感器直接输出与加速度成比例的电信号，经过放大器调制、滤波后，传至SigLab转化为数字信号并存储在计算机上。经过现场比选，采用1档（加速度档）进行现场测试工作，941B型号1档对应灵敏度为0.3V·s2/m；与941B振动传感器配接的信号放大器通频带为0.025—35Hz，进行数据分析时，将放大器放大倍数与传感器灵敏度相乘，得到总灵敏度。实际记录器采集得到的信号电压最大值除以总灵敏度，得到以m/s2为单位的加速度峰值。
3. 测试结果与分析
3.1 强夯振动衰减规律
对各测点的振动信号进行数据处理，可得到各点加速度时程曲线的峰值Ap，对测试数据进行傅立叶谱分析，可获取强夯振动的频谱信息。以6000kN·m能级测点1、3的测试结果分析强地面运动的一般规律，2测点的加速度时程曲线及傅立叶谱如图 3所示。
图 3 典型夯击振动加速度波形及傅立叶频谱Figure 3. The time-history curve and FFT spectrum of typical dynamic compaction振源距29.5m（测点1）处得到的峰值加速度均值为0.388m/s2，振源距68.3m（测点3）处得到的加速度峰值为0.077m/s2，仅为测点1处加速度峰值的19.85%。由图 3（a）可见，2测点振动持续时间均约0.5s；由图 3（b）可见，夯锤作业时夯击产生的冲击波振动频率集中在1—30Hz内，测点1的2个卓越峰值点对应的频率分别为7.3Hz（0.13s）和16.4Hz（0.06s），测点3的2个卓越峰值点对应的频率分别为7.3Hz和13.31Hz，其中f=7.3Hz对应的振动影响最大。后续计算振动速度、位移时，采用该卓越频率进行计算。图 4、5进一步给出了不同能级夯击作业时，地震振动随距离的衰减规律。
图 4 不同能级夯锤引起的振动加速度峰值随距离衰减曲线Figure 4. The peak ground acceleration and transmission distance curve of pounder with different energy
图 5 不同夯击能产生振动波的衰减规律对比Figure 5. Comparison of attenuation law under different dynamic compactions6000kN·m能级夯锤作业时，引起的地面振动最大加速度随振源距的衰减规律为：y=1.33e-0.042x，其中x为振源距（m），相关系数R=0.9942。而2000kN·m夯锤引起的地面振动的衰减规律为y=0.04+4.80e-0.131x，相关系数R=0.9977。
由图 4（a）、（b）可知，无论哪个能级的强夯振动，振动衰减均呈现近处快、远处慢的特点，衰减规律曲线近似可用指数函数表达；对比2条衰减曲线（图 5）可以看出，振源距相同的情况下，6000kN·m能级的振动衰减更快，表明振动能量越大，加速度峰值衰减越快。
表 2、3给出了2种能级夯锤作业时，各测点的水平及竖向加速度峰值信息。
表 2 6000kN·m夯锤引起的振动Table 2. The vibration caused by 6000kN·m pounder距夯点距离/m 竖向加速度/m·s-2 水平向加速度/m·s-2 双向平均值/m·s-2 速度/mm·s-1 实测值 均值 实测值 均值 29.5 0.420
0.320
0.470
0.3000.378 0.410
0.370
0.330
0.4800.398 0.388 6.950 50.7 0.180
0.120
0.120
0.120
0.140
0.1000.130 0.180
0.160
0.210
0.1400.173 0.152 2.720 68.3 0.077
0.077
0.0750.076 0.110
0.087
0.0870.095 0.086 1.540 70.6 0.073
0.0680.071 0.100
0.0740.087 0.079 1.420 91.4 0.012
0.014
0.0220.016 0.028
0.037
0.0380.034 0.025 0.450 表 3 2000kN·m夯锤引起的振动Table 3. The vibration caused by 2000kN·m pounder距夯点距离/m 竖向加速度/m·s-2 水平向加速度/m·s-2 双向平均值/m·s-2 速度/mm·s-1 实测值 均值 实测值 均值 10.0 0.980
0.730
0.8080.839 1.580
1.810
2.0901.827 1.333 23.880 27.0 0.121
0.095
0.0710.096 0.209
0.250
0.2900.250 0.173 3.100 47.6 0.040
0.025
0.061
0.045
0.052
0.0590.047 0.048
0.070
0.077
0.084
0.100
0.1150.082 0.065 1.160 70.6 0.035
0.033
0.0370.034 0.034 0.610 91.4 0.004
0.006
0.0060.005 0.007
0.008
0.0070.007 0.006 0.110 李福民等（2002）和罗辉才等（2011）的研究成果表明，夯击产生的振动在其有效影响范围内，振动主频率变化不大，故本次测试并未对振动卓越频率随振源距的变化开展专门分析。由测试数据可知，在振源距较小的测点上，水平向振动加速度峰值明显大于竖向加速度峰值，随着振源距的增大，水平向与竖向加速度峰值差异越来越小。
测试点i的振动速度峰值可由公式Vi=Ai/2πf求得，其中Ai为强夯引起的振动波在测点i的加速度振幅。6000kN·m能级夯锤作业在距作业点30m处，产生的振动速度峰值为6.95mm/s，50m处的速度峰值为2.72mm/s；2000kN·m能级夯锤作业在距作业点10m处，产生的振动速度峰值为23.88mm/s，50m附近处的速度峰值为1.16mm/s。
3.2 最小安全施工距离
（1）确保正常工作和生活的最小安全施工距离
原冶金部《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔震设计规程》（冶金工业建筑研究总院，1990）中，规定了工作和生活环境的允许振动速度限值，见表 4。
表 4 工作和生活环境的允许振动速度Table 4. The suggested vibration velocity of working and living environment环境类别 允许振动速度V/mm·s-1 白天（6时至20时） 夜晚（20时至次日6时） Ⅰ 0.25 0.13 Ⅱ 0.50 0.25 Ⅲ 1.00 0.50 Ⅳ 2.80 2.80 注：环境类别Ⅰ类，对环境振动要求特别严格，如医院、学校等；Ⅱ类，对环境振动要求比较严格，如宿舍等生活区；Ⅲ类，允许有轻微的振动感觉，但不影响精神集中，如一般的办公室等公共场所；Ⅳ类，车间范围内的非操作区。 参照表 4规定的允许振动速度对夯锤作业振动影响进行评价。在不考虑夜间施工的前提下，当6000kN·m夯击作业时，距离作业点70m范围内的振动速度峰值超过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类环境的允许振动速度；当2000kN·m夯锤作业时，距离作业点50m范围内的振动速度峰值超过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类环境的允许振动速度，不适宜生活或办公。
（2）确保结构安全的最小安全施工距离
我国《建筑抗震设计规范》（以下简称《规范》）确定的基本原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010），具体操作时，作为基本设防烈度的中震在抗震设计、验算中却没有直接体现出来，而是采用设防烈度的常遇地震进行设计或验算，而中震对应的地震动加速度峰值是小震对应加速度峰值的3倍。在确定强夯作业最小安全距离时，若采用设防烈度的中震作为判定标准，强夯作业的最小安全距离将被缩短，使得最小安全距离之外存在峰值大于小震对应加速度峰值的振动。因此，采用中震（设防烈度）作为评判依据不能完全满足结构在线弹性阶段“小震不坏”的设计要求。
《规范》中规定，时程分析时所有地震动加速度时程曲线最大值的取值依据为设防烈度下多遇地震（小震）和罕遇地震（大震）对应的地震动加速度峰值，其中多遇地震对应的地震动加速度峰值用于验算结构弹性极限状态，罕遇地震对应的地震动加速度峰值用于验算结构的塑性极限状态。故采用设防烈度下多遇地震（小震）对应的地震动加速度峰值作为结构最小安全距离评判标准更为准确。
对建筑物进行时程分析时，输入加速度时程的最大值可按表 5选取。通过对比可以发现，当6000kN·m能级夯击作业时，距作业点30m处的振动加速度幅值为38.8cm/s2，相当于对建筑物输入Ⅶ度多遇地震的强震作用，夯击振动持续时间虽短，但重复次数多，对建筑物的破坏作用同样不可轻视，对30m范围内Ⅵ度设防建筑及未设防建筑具有较高的地震危险性，建筑物虽不至倒塌，但局部破坏的风险较高；距作业点50m处的振动加速度幅值降为15.2cm/s2，略低于Ⅵ度多遇地震的强度，据此可判定此振动对建筑物基本无害。因此，6000kN·m能级夯击作业时，确保建筑物结构安全的最小距离应为50m。当2000kN·m能级夯击作业时，距作业点27.2m处振动加速度幅值为17.3cm/s2，略低于Ⅵ度多遇地震的强度，此时的振动可判定为对建筑物基本无害，因此，2000kN·m能级夯击作业时确保建筑物结构安全的最小距离应为30m。
表 5 时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值（cm/s2）Table 5. The Maximum values for the seismic acceleration of ground motion used in time-history analysis (cm/s2)地震类型 Ⅵ度 Ⅶ度 Ⅷ度 Ⅸ度 多遇地震 18 35（55） 70（110） 150 罕遇地震 220（310） 400（510） 620 注：括号内的数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。 3.3 降低振动影响的措施
按照波在介质内的传播形式，可将强夯产生的冲击波分为体波（P波、S波）和面波（瑞利波、勒夫波）2种。体波率先到达，但携带的能量较少，同时体波的衰减速度快；面波传播速度慢，衰减速度相对较慢，且携带的能量大，对建筑物的影响大。面波中，瑞利波携带的能量占其总波能的2/3，对激振源附近地表附着物的破坏力较大（杨成林，1993；雷学文等，2002；陆伟东等，2002），因此，减小瑞利波能量是降低夯击作业对建筑物影响的有效途径。
根据瑞利波的传播特性，在实际工程中多采用隔震沟来减小振动影响。影响隔震沟减震效果的因素很多，大致可归为隔震沟深度、宽度、截面形状等。孔令伟等（1996）通过理论分析与试验研究，得出瑞利波在垂直向的影响深度约为1.0—1.5倍的波长λR，而夯击作业时λR通常为8—14m；前人通过大量现场试验、数值模型分析得出：隔震沟深度对减震效果影响显著，沟宽度对减震效果影响不大；对于相同宽度、深度的减震沟，当其位于作业点与保护对象的中间位置时，减震效果最佳（Wood，1968；邓亚虹等，2007；余德运等，2011）。在实际工程中，综合考虑具体施工条件与经济因素，可将减震沟深度设置为4m左右。
4. 结论
通过对粉质土场地夯击作业开展现场振动测试，研究了2种能级夯击作业的振动衰减规律及对建筑物的影响，得出如下结论：
（1）对于粉土场地，强夯振动衰减规律可由形如y=Aebx的指数函数近似表达。本文测试采用的2种能级强夯作业产生的振动衰减均呈现进处快、远处慢的规律。
（2）夯击振动为典型冲击荷载，振动持续时间多在0.5s内，其振动频率范围通常在20Hz内，同时，振源距对振动卓越频率的影响不显著。对于结构而言，10Hz以下的低频振动对建筑物影响最大。
（3）夯击能越大，强夯振动衰减速度越快。与2000KN·m夯锤比较，振源距大致相当时，6000KN·m夯锤产生的振动衰减速度更快。
（4）距离夯击作业点超过50m时，2个能级夯锤作业产生的振动加速度峰值均在18cm/s2以下，低于Ⅵ度设防条件结构时程分析对应的地震动加速度限值，不会对建筑物造成破坏，可将建筑物最小安全距离定为50m。
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图 2 逆断层-管道-CFRP三维数值分析模型
Figure 2. Three dimensional numerical analysis model of reverse fault pipeline CFRP
图 4 数值模拟结果与理论结果的对比
Figure 4. Comparison between numerical simulation results and theoretical results
图 5 断层错动量0.75 m时不同缠绕角度下无压管道应力分布及局部屈曲模式
Figure 5. Stress distribution and local buckling mode of pipeline under different wrapping angles when fault displacement is 0.75 m
图 6 不同缠绕角度下无压管道底部应变
Figure 6. Bottom strain of unpressurised pipes at different wrapping angles
图 7 不同缠绕角度下无压管道峰值压应变
Figure 7. Peak compressive strain of pipes at different wrapping angles
图 8 断层错动量0.9 m时不同缠绕角度下有压管道应力分布及局部屈曲模式
Figure 8. Stress distribution and local buckling mode of pipeline under different wrapping angles when fault dislocation is 0.9 m
图 9 不同缠绕厚度下有压管道底部应变
Figure 9. Bottom strain of pipes at different wrapping thicknesses
图 10 不同缠绕角度下有压管道峰值压应变
Figure 10. Peak compressive strain in pressurized pipes at different wrapping angles
表 1 土体物理力学参数
Table 1. Physical and mechanical parameters of soil
名称 ρ/（kg·m−3） E/MPa μ c/MPa ϕ/（°） ψ/（°） 黏土 1 900 33 0.27 35 22 0 
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表 2 CFRP材料力学性能
Table 2. Mechanical properties of CFRP materials
沿纤维方向的
弹性模量E1/MPa垂直于纤维方向的
弹性模量E2/MPa泊松比Nu 纤维-树脂方向的
剪切模量G12/MPa垂直于纤维-树脂方向的
剪切模量G13/MPa树脂自身的剪切
模量G23/MPaCFRP的单层厚度
tCFRP/mm230 000 1 900 0.3 3 387 3 387 3 387 0.176
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表 3 Hashin失效参数
Table 3. Hashin failure parameters
方向 参数 数值/MPa 方向 参数 数值/MPa x向 拉伸强度XT 1 830 y向 拉伸强度YT 31.3 压缩强度XC 895 压缩强度YC 124.5 剪切强度SL 72 剪切强度ST 62.3
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