泡沫轻质混凝土回填油气管道冲击试验模型研究

成文虎， 赵 江， 袁 萍, 王武斌

(1.中国石油化工股份有限公司天然气分公司， 河北石家庄 050000；2. 四川科宏石油天然气工程有限公司， 四川成都 610213;3. 西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031;4. 陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室, 四川成都 610031)

伴随着我国四大油气管道的大规模建设，沿途管道长距离的施工过程中，有效减少管道在碎石冲击下的磨损破坏是亟需解决的工程问题[1]。同时在施工现场往往缺乏合适回填土壤，若长距离运输土壤，会导致施工成本和施工难度大大增加[2]。泡沫轻质混凝土因其轻强度可控(0.5～15 MPa)、自立性强、抗震性良好、施工便捷、环保经济，广泛应用于公路、铁路的施工填筑材料[3]。但泡沫轻质混凝土应用于管道回填的案例较少，缺乏理论指导。

本文基于模型试验，验证轻质混凝土回填料对管道保护的性能，从而为泡沫轻质混凝土应用于油气管道回填提供理论支撑。

1 室内模型试验

1.1 试验模型建立

本试验模拟石块自由下落，垂直作用于管道的过程。其中管道直径150 mm，长度500 mm,壁厚7.5 mm；石块尺寸50 mm×250 mm×250 mm，质量39.5 kg，自由下落高度1.8 m，试验装置如图1 所示。

图1 可移动门式冲击试验

1.2 应变片布置

试验中通过贴于管道表面的电阻应变计，来反映管道受力情况，分别于管道顶部、管道底部以及管道两侧贴片，同时将管道分为三个断面，每个断面4个测点进行测试，应变片布置如图2所示。

图2 管道内应变片粘贴(单位：mm)

1.3 试验加载方案

试验采用TST动态采集仪测试每次冲击下的管道的动力响应情况。待试验设备调试完成后，用尼龙绳通过起吊装置将重物提升并固定于1.8 m高度处。随后用剪刀将绳剪断，使重物自由下落，垂直作用于管道保护层的正中央，数据采集结束，并记录保护层受冲击荷载后的下陷深度。重复上述过程，直至保护层破坏。

2 回填轻质混凝土基本性能

本试验采用水胶比(水泥与胶凝材料的质量比)分别为0.4、0.6、0.8的水泥浆，添加泡沫进行搅拌至浇筑密度为400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3的泡沫轻质混凝土，对包裹不同湿密度的轻质混凝土管道进行室内模型对比冲击试验，研究不同密度条件下轻质混凝土的相关性能[4](表1)。

表1 轻质混凝土基准配合比 kg/m3

为了解三类不同湿密度下轻质混凝土的力学性能，采用WDW系列微机控制电子万能试验机对试样开展单轴压缩和弯折试验。抗压试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，通过压缩曲线获得的无侧限抗压强度和弹性模量两参数。采用三点弯折法得到泡沫轻质混凝土的抗折强度，试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm[5]。三类泡沫轻质混凝土基本力学性能如表2所示。

表2 泡沫轻质混凝土力学性能 MPa

3 结果分析

3.1 不同湿密度下加载后下陷深度

通过比较轻质混凝土不同湿密度400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3下的冲击试验，分析各管道保护层的下陷深度的变化规律，测试所得结果如图3所示。

图3 不同湿密度轻质混凝土保护层下陷深度

由图3可知，6次冲击后，同一种密度下，下陷深度随加载次数线性增长，每次平均增长大约0.694 cm、0.923 cm、0.385 cm，另一方面400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3湿密度下的总沉陷量为6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm，可见400 kg/m3和600 kg/m3两种湿密度下，总沉降量大致相等，而800 kg/m3密度下，由于抗压强度、抗折强度以及弹性模量相较于前两者变化较大，材料的抗冲击性能提高。

3.2 管道有效应力

比较三种湿密度下，6次冲击作用下，管道顶部、左右侧、底部的应力变化。同时经试验后发现，1#和3#断面的由于对称，结果相差较少，这里仅列举出1#和2#断面的结果(图4、图5)。

(a)管顶

(b)管底

(c)管左

(d)管右图4 1#有效应力

由图4可知，在1#处，对于同一湿密度试件管道最大应力随冲击次数的增加而增加，而另一方面高密度800 kg/m3的轻质混凝土回填管道，管道顶部、左右侧处的管道所受的应力最大，同时随着冲击次数的增加，管道所受的应力增长率也最大，轻质混凝土回填层表面受到冲击作用后，应力波四周传递，导致轻质混凝土内部气泡破裂，轻质混凝土受挤压愈密实，而高密度下，轻质混凝土内部气泡含量少，泡沫破裂性能效果较差。

(a)管顶

(b)管底

(c)管左

(d)管右图5 2#有效应力

由图5可知，在2#处，同一密度下试件管道最大应力随冲击次数的增加而增加，最大密度处的因耗能较少，管道所受应力最大。管底受力由于应力波经过轻质土和管道内部传递，过程较复杂，规律不显著，但由于最大应力为5.2 MPa不是管道的破坏受力最大位置，可以不作考虑。

结合图4、图5可知，2#各处管道应力均大于1#处的应力，2#处管顶应力最大，是管道受力的控制位置，三组密度下，产生的最大应力分别为-4.8 MPa、-5.8 MPa、-7.6 MPa。

管顶是主要受力部位，管顶上部的轻质混凝土保护层的厚度决定着管顶受力的大小。不同轻质混凝土保护层密度，通过多次加载后，管道应力增长趋势来反映变化规律，各湿密度下的管顶应力如表3所示。

经线性回归方程通过最小二乘法求出，得到y=ax+b的直线。其经验拟合方程如下：

表3 管顶应力 MPa

拟合方程见表4。

表4 拟合方程参数

拟合方程中的参数a即为在冲击过程中应力增长斜率，随着轻质混凝土的湿密度的增大，冲击过程中应力增长斜率也在增大，说明在多次冲击荷载下，轻质混凝土湿密度越大其多次冲击和在作用下应力增长的幅度就越大。

3.3 管道冲击作用时间

受冲击荷载作用后，管道在不同密度轻质混凝土包裹下产生的动响应的时间也不同，测试结果如图6所示。

图6 冲击响应时间

由图6可知，同一密度下因不断的冲击压实，导致轻质混凝土弹性模量增大，冲击时间减小。但不同密度下，各密度平均响应时间为0.02537 s、0.01754 s、0.0147 s，因吸能特性不同，导致冲击时间不同，密度越大，吸能特性越低，冲击时间越小。

4 结论

本文通过室内模型试验，研究了回填不同密度轻质混凝土的受冲击作用下，轻质混凝土表面下陷深度、管道应力以及冲击时间的变化规律。得到如下结论：

(1)随着轻质混凝土密度的增加，下陷深度随之较小，400 kg/m3、600 kg/m3以及800 kg/m3湿密度下的总沉陷量为6.3 cm、5.8 cm、3.1 cm；

(2)2#断面的管顶处所受应力最大，各密度轻质混凝土 下分别为-4.8MPa、-5.8MPa、-7.6MPa，但管道均未发生破坏；

(3)随着冲击次数的增加，管顶应力增长率随轻质混凝土密度的增加而增长，各密度下应力随着冲击次数的增长斜率分别为-0.376、-0.507、-0.679，6次冲击后，2#截面的最大有效应力增大了1.86 MPa、2.79 MPa、3.24 MPa；

(4)但不同密度轻质混凝土下，因为吸能特性不同，导致冲击时间不同，密度越大，吸能特性越低，冲击时间越小。