本试验以研究管内流体压力与场地沉降共同作用下,不同管网的应变与变形情况为目的,力求完善管网破坏的力学机理.

参照文献[12]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。于是改进项目组已有试验装置^[13]设计管网试验模型的主体.如图1,试验主体装置由三个用于埋设管道的无盖箱体组成,尺寸及固定方式如表1所示.箱体1在MTS动力装置下可以相对于固定箱体做上下运动.在此基础上,设计小型埋地输液管网,如图2所示.由图2可以看出,管道分为上下两层布置,上层主要用于模拟直管道形成的循环管网,下层主要模拟带有分支的埋地管网,即下层的两根管道中一根作为主管道,另外一根作为支管道,本研究中分支位于箱体1、2交界处(即固定区与沉降区的交界,且支管道通过沉降区).另外,上下两层管道在箱体外面连接,并通过水泵和水箱,形成一典型的小型循环供水管网,如图3示.

试验用管道材料为无缝钢管,外径为40 mm,壁厚4 mm,上层管道埋深0.4 m,下层管道埋深0.6 m.按照试验标准,在管道外壁粘贴应变片,并对试验用钢管的母材进行力学性能的试验,根据试验结果得知,本次试验所用管道屈服应变为ε=1 858.5×10^-6,具体数据如表2所示.

图1 试验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of test equipments

表1 箱体尺寸及固定方式
Tab.1 Size and fixation mode of test boxes

图2 小型埋地管网连接示意图
Fig.2 Schematic diagram of connection of small buried pipe network

图3 不均匀沉降下小型埋地管网试验图片
Fig.3 Test picture of small buried pipe network under uneven subsidence

(1)测量管道的应变

采用应变片,导线,动态应变仪等测量管道的应变.本试验分别在沉陷区中心、两区交界处及距交界处600 mm、350 mm处的管道上粘贴应 变片,具体观测点及贴片位置如图4.

表2 管道基本参数
Tab.2 The basic parameters of pipe

(2)测量箱体位移

选用LVDT测量仪(量程为-75～75 mm),将其一端固定在门架上,另一端紧贴着中间箱体,测量箱体的竖向位移.

(3)测量管道位移

箱体1和3的交界处设置管道位移观测点,钢绞线一头连接管道,另一头与拉绳线位移传感器相连接.

图4 观测点及应变片位置示意图
Fig.4 Schematic diagram of observation points and the strain patches

(4)数据采集

采用7台8通道的动态信号采集器,完成试验数据的采集.

本试验通过MTS拟动力设备对土箱施加位移荷载,模拟场地不均匀沉降,加载速率为220 mm/1 500 s.

管网埋设完成且土体经过人工夯实后,连接数据测量装置并进行初值检测和校准.然后,打开水泵开关,调节管网阀门,保持管网一定水压,待循环水系统稳定后,通过MTS装置进行中间箱体的加载,记录试验过程及数据.

对不同内压试验数据处理,发现管道应变变化趋势大致相同,于是以内压0.15MPa为例进行分析.

(1)沉降区中心处管网的应变

由图4可知,上层管道在沉降区中心对应观测点4,下层两管道对应观测点3,于是绘制各管道在该处各应变片的值随箱体位移(场地沉降位移)的变化曲线,如图5所示.

图5 沉降区中心管道应变随箱体位移的变化曲线
Fig.5 Curves of pipe strain vs. displacement of test box in the center of subsidence region

图5(a)和图5(b)中1,4应变片结果的变化说明,在管道达到屈服应变前,管道底部拉应变略大于管道顶部压应变,所以管道底部更加容易发生拉破坏.应变片2测量的管道环向应变,在沉降初期很小,当沉降量大于50 mm后,环向应变增大,且增长速率逐渐加快直至破坏.应变片3测量管道侧面轴向应变,此位置应变数值始终较小且波动范围小,说明管道侧面不易发生轴向拉压破坏.

图5(c)中各应变片数值变化与图5(a)、图5(b)有所不同.因为是下层支管道,存在90°弯头,当沉降量较小时,该弯头与支管道受力较一致,管道上表面受压,下表面受拉,但沉降量较大时,弯头约束了支管道受力,造成管道上表面的压应变逐渐减小,进而承受越来越大的拉应变,此时管道下表面应变与上表面正好相反.应变片2的数值也受弯头影响,波动较大,但总的变化范围较小.

由上可见,场地沉降对管道上下表面的轴向应变影响很大,对侧面轴向和环向应变影响可以忽略,所以下面就以各观测点处应变片1的数据为主要数据来源进行整理与分析.

(2)管网各观测点上表面的应变

整理图4所示管网各观测点应变片1处的数据,绘制各观测点上表面应变随箱体位移的变化曲线,如图6所示.

由图6看出,管网各观测点上表面应变因所处位置不同,应变大小与方向各不相同.

图6 各观测点上表面应变随箱体位移的变化曲线
Fig.6 Curves of strain of upper surface vs. displacement of test box to observation points

图6(b)下层主管道各观测点上表面的应变变化与图6(a)基本一致.沉降区中心观测点3应变最大.观测点1,6位于两个固定区,但观测点1距离分支位置较近,受分支连接方式影响较大,所以应变较大.观测点2,5皆为两区交界处,测点2处上表面受压,与上层管道同位置测点2的受拉不同,这是因为下层管道在两区交界1处的管道分支连接影响了原来在该位置处的反向作用.测点5管道受分支连接的影响较小,所以保持受拉状态.

对于下层支管道,由图6(c)可以看出,沉降区中心观测点3管道上表面应变依然最大,属薄弱位置.因三通连接使支管道在土体沉降过程中,除与土体一起沉降,还会发生一定量的转动,所以造成两区交界处1(观测点2)支管道应变相对较小.管道分支位置,改变了支管道整体受力性能,使管道反弯点向沉降区中心靠近,因此在沉降区1/4处应变也相对较小.

由2.1分析得出,管网沉降区中心位置处上下表面应变很大,为管网循环系统中的薄弱环节,因此针对此位置,对比该处管道上表面应变,分析流体压力的影响.

(1)沉降区中心管道应变

当管内流体压力分为0.05 MPa,0.15 MPa和0.25 MPa时,上下层各管道应变随沉降位移的变化如图7所示.

图7 不同流体压力下沉降区中心管道上表面应变随箱体位移的变化曲线
Fig.7 Curves of strain of upper surface of pipe at the center of subsidence region vs. displacement of test box under different fluid pressure

(2)沿管长的应变分布

分别选取箱体沉降量为13 mm和40 mm时的管道上表面应变,绘制不同管内流体压力下,沿管网中各管长方向的应变曲线,如图8-图 10所示.图中横坐标原点为沉降区中心位置,标为“0”,固定区1位于横坐标-700 mm左侧,固定区2位于横坐标700 mm右侧.横坐标-700 mm和700 mm为两区交界处1,2.

图8为上层管道沿管长的应变分布.根据文献[14]可知,单根管道穿越沉降区时,管道应变沿沉降中心呈轴对称分布.所以对图4(a)中未标注观测点应变数据可通过轴对称分布的已标注观测点应变数据得到.

由图8可以看出,上层管道的应变沿管长方向,以沉降中心为轴对称分布.此图8(a)和8(b)中对应位置的点在土体沉降量较大时(40 mm),应变也较大.管网流体压力为0.05 MPa时,对应沉降区相同位置的管道应变明显大于内压为0.15 MPa和0.25 MPa的.沉降区管道应变普遍大于固定区,且沉降中心应变最大,固定区存在反弯点.两区交界附近应变最小.

另外,由图看出,管网固定区远端同一位置管道应变随管网内部压力的增大而增大,这是因为,通常情况固定区管道与周围土体处于一种平衡状态,当有场地沉降发生时,会对固定区场地及管道产生一定的影响,而此时管内流体压力的变化更是破坏了这种平衡,使得流体压力增大时,对应的管道应变也增大.

图8 不同流体压力和沉降量下上层管道沿管长的应变分布
Fig.8 Strain of the upper pipe along pipe length under different fluid pressure and subsidence

图9为下层主管道沿管长的应变分布.可以看出,与上层管道不同,下层主管道沿管长的应变分布没有呈轴对称,这是因为下层管网在-700 mm处存在树状分支,改变了管道受力状况,管道通过三通连接,抗弯能力小于管道本身.管道最大应变出现在接近沉降区中心的右侧位置,随着管道内部压力增大,应变最大处向沉降区中心靠近.固定区1应变最大值出现在观测点1左侧,固定区2应变最大值出现在距交界处约250～350 mm处.土体沉降量较大,对应管网的应变也较大.图9(a)下层主管道在沉降量为13 mm时,管道还处于弹性工作范围; 而沉降量达到40 mm时,如图9(b),管网内部压力为0.05 MPa管道在沉降区中心位置达到屈服应变,且管道内部压力越大,应变值越小,由此更加说明,在一定的压力范围内,管网稳定性随管内流体压力的增大而增大.

图9 不同流体压力和沉降量下下层主管道沿管长的应变分布
Fig.9 Strain of main pipe at the bottom along pipe length under different fluid pressure and subsidence

图 10 不同流体压力和沉降量时下层支管道沿管长的应变分布
Fig.10 Strain of branch pipe at the bottom along pipe length under different fluid pressure and subsidence

(1)上层管道

图 11给出试验后上层管道的实际变形图.可以看出管道在沉降区中心处变形最大,在两端固定区管道各存在一反弯点,与前面的应变分析结果相一致.

(2)下层管道

试验前后箱体内下层管道的变形对比如图 12所示.

从图 12(a)看出,试验前,下层管道平直,支管道与主管道在同一水平面.而由图 12(b)可以看出,箱体内的下层管道在随土体沉降过程中,支管道沉降量大于主管道,且因螺纹三通连接,支管道发生了一定的转动,改变了支管道受力,使支管道变形不同于主管道.另外,交界处位置支管道应变较小,较为安全.最终下层管道离开箱体的变形情况如图 13所示.

图 11 上层管道实际变形
Fig.11 The actual deformation of upper pipes

图 12 箱体内下层管道试验前后变形
Fig.12 The deformation of the bottom pipe before and after the test in the box

图 13 下层管道实际变形
Fig.13 The actual deformation of the lower pipe