نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد نهم، شمارۀ 3 پاییز 4331 1503

تأثیر مشخصات خاک و زاویۀ عبوری از گسل بر
پاسخ لولههای مدفون

غلامرضا نوری*؛ دانشگاه خوارزمی، دانشکدۀ فنی مهندسی مهدی بالو؛ دانشگاه محقق اردبیلی
تاریخ: دریافت 3/7/32 پذیرش 46/1/33چکیده
در این مقاله پارامترهای مؤثر بر رفتار لوله های مدفون از جمله طول مهاری، زاویۀ اصطکاک داخلی خاک، زاویۀ عبوری لوله و میزان جابه جایی گسل نرمال بررسی شده است.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

برای مدل سازی لوله و خاک اطراف آن، از مدل تیر- فنر غیرخطی و برای مدل سازی خاک نیز از شبیه سازی آن با فنرهای غیرخطی در سه جهت محوری، جانبی و عمودی استفاده شده است. پس از تعیین طول مهاری مناسب، تأثیر نوع خاک برحسب تغییر زاویۀ اصطکاک بررسی شد که نتایج نشان داد با افزایش زاویۀ اصطکاک داخلی خاک، میزان کرنش بیشینه و مقادیر نیرو و لنگر افزایش می یابند. مقایسۀ لنگر خمشی برای زوایای اصطکاک 22 و 12 درجه بیان گر افزایش حدود 32 درصدی است. هم چنین نتایج نشان داد با افزایش زاویۀ عبوری تا حدود 55 درجه، مقادیر کرنش های بیشینه روند نزولی داشته و پس از آن کرنش بیشینه با افزایش زاویۀ افقی افزایش می یابد که این میزان برای زاویۀ افقی 55 درجه 2 برابر زاویه 55 درجه است. با توجه به نتایج می توان اشاره کرد که با تغییر زاویۀ عبوری لوله از گسل و انتخاب زاویۀ مناسب عبوری می توان از به وجود آمدن کرنش های اضافی در لوله های مدفون ،جلوگیری کرد. از این رو، با بهینه کردن عوامل تأثیرگذار بر رفتار لوله های مدفون عبوری از گسل می توان از خرابی لوله ها هنگام زمین لرزه جلوگیری به عمل آورد.
واژه های کلیدی: لوله های مدفون، اندرکنش خاک– لوله، تحلیل غیرخطی، جابه جایی گسل، زاویۀ عبوری لوله
1626489-4603

[email protected] نویسنده مسئول *
مقدمه
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

لوله های مدفون در جوامع مدرن از شریان های حیاتی به شمار می آیند و نقشی حیاتی واساسی را در چرخه زندگی بشری ایفا می کنند. در ایران حدود سه هزار کیلومتر خط لولۀانتقال نفت و گاز وجود دارد که بـا احتسـاب خطوط لولۀ بین چاهها، مراکز جمعآوری و پالایشگاهها حدود هفتاد هزار کیلومتر خواهد بود [4]. با توجه به این که خطوط لوله در سطح وسیعی گسترش مییابند، از این رو، در اثر خطرهای گسلش، زمین لغزش ،تغییرمکانهای ناشی از روان گرایی، ترکهای زمین و حرکت های شـدید زمـین دچـار آسیبدیدگی میگردند. فراهم آوری خدمت های مداوم و ایمن برای افراد جامعه، حفظ ایمنی محیط زیست و حفاظت از سرمایه گذاری های کلان، نیازمند طراحی شریان های حیاتی در برابر پدیده هایی چون زمین لرزه است. برای نیل به این هدف لازم است بارهای وارد بر خطوط لوله مدفون و منشأ آسیب پذیری آن ها شناسایی و با استفاده از روش های تحلیلی یا عددی، رفتار خطوط لوله مدفون در برابر بارهای وارده بررسی شود.
پس از زمین لرزه سن فرناندو )4374( مشاهده شد که آسیب پذیری لوله های با اتصال های صلب بیش تر از اتصال های شکل پذیر است. اغلب آسیب های وارده به لوله ها به سبب ارتعاش و شکست ها از نوع لهیدگی و خمشی در لوله و در رفتگی و شکست برشی در محل اتصال بوده است. هم چنین در محل گسل ها، شکست ناشی از کمانش نیز به وقوع پیوسته بود [4].
در بررسی های پس از زلزله سانفرانسیسکو )4326( مشاهده شد که شدت خرابی لوله ها در اثر حرکت های گسل به مراتب بیش تر از خرابی ناشی از ارتعاش های زمین بوده است. در زمین لرزه آلاسکا )4361(، حرکت گسل ها و نشست های ناهم گون از عمده ترین دلایل شکست لوله ها گزارش شده است. پس از زمین لرزه گیلان )4363( بیش تر آسیب های وارد بر لوله ها به دلیل شکننده و ترد بودن لوله ها و قطع گسل های سطحی از طرف خط لوله تشخیص داده شد
.[2]
در یکی از اولین تحقیقات انجام شده پیرامون لوله های عبوری از گسل ،کندی و همکاران
)4377( نیروهای جانبی اعمالی از جانب خاک به خط لوله را در نظر گرفتند. در این روش 1501
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

تغییر شکل های به وجود آمده در خط لوله منحصر به تغییر طول محوری است و از سختیخمشی لوله صرف نظر شده است. آن ها با اصلاح مدل های ابتدایی، منحنی تغییر شکل یافتهخط لوله را با شعاع انحنای ثابت در نظر گرفتند. در این مدل، نیروهای اصطکاک طولی خاکدر قسمت های مستقیم متفاوت از آن در نواحی نزدیك خط گسل در نظر گرفته می شود [3]. هرچند مدل کندی و همکاران )4377( ارزشمند است، اما به دلیل صرف نظر کردن از سختی خمشی، خطای متنابهی را بر نتایج تحمیل می کند. وانگ و یاه ) 4355( با تصحیح مدل کندی تأثیر سختی خمشی را نیز بر پاسخ خط لوله در برابر حرکات گسل اضافه کردند. این پژوهش صرفاصرفاً حرکات امتدادی گسل را در بر می گرفت. مدل ارائه شدۀ وانگ و یاه )4355( نسبت به مدل کندی و همکاران )4377( به دلیل در نظر گرفتن سختی خمشی منجر به نتایج مناسب تری می شود و لیکن این نتایج به دلیل ثابت انگاشتن انحنای خط لوله همراه با خطا است [1]. چیو و همکاران )4331( به منظور رفع نقیصه مدل وانگ و یاه )4355( با استخراج معادلات دیفرانسیل توابع جابه جایی مقاطع لوله، انحنای خط لوله را متغیر فرض کردند. معادلات مذکور در صورت همراهی با معادلات تعادل تشکیل دستگاه معادلات دیفرانسیلی را می دهد که به روش های عددی قابل حل است [5].
تاکادا و همکاران )4335( با در نظر گرفتن تغییر شکل مقطع لوله در اثر حرکات گسل، روشی جدید برای محاسبه بیشینه کرنش به وجود آمده در جداره لوله متقاطع با گسل ارائه کردند. آن ها با استفاده از مدل تلفیقی تیر- پوسته برای خط لوله، خصوصیات غیرخطی مصالح و هندسی را در نظر گرفتند. مدل سازی بخشی از طول لوله که در نزدیکی خط گسل قرار داشت با استفاده از المان های پوسته ای و در نواحی دورتر از خط گسل با استفاده از المان تیر انجام شده است.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

مبنای روش ایشان استخراج رابطه میان کرنش بیشینه در جداره لوله و زاویۀ خمش به وجود آمده در نقطه مفروضی از خط لوله در نزدیکی گسل است که موقعیت نقطه مذکور بر اساس روابط ارائه شده در روش کندی و همکاران )4377( به دست می آید [6]. عبدون و همکاران )2223( آزمایش هایی برای بررسی پاسخ لوله به حرکت های گسل انجام داده اند. پژوهش آن ها شامل نتایج حاصل از پنج آزمایش سانتریفیوژ است که تأثیر پارامترهایی نظیر رطوبت خاک ،عمق دفن نسبی، نرخ جابه جایی گسل و قطر لوله را بر لوله های پلی اتیلن با چگالی زیادبررسی شده است. نتایج نشان داد که پاسخ لوله تحت اثر گسل راستا لغز از محتوای رطوبتخاک و نرخ جابه جایی گسل تأثیر نمی پذیرد، ولی عمق دفن نسبی و قطر لوله روی کرنش لولهتأثیرگذار است [7]. در پژوهش های جوشی و همکاران )2244( با استفاده از راهنمای طرح لرزه ای لوله های مدفون به بررسی پاسخ لوله تحت جابه جایی ناشی از گسل معکوس پرداخته شده است. نتایج پژوهش ها نشان داد در گسل های معکوس، انتخاب امتداد موازی با گسل می تواند موجب افزایش ظرفیت خط لوله شود. هم چنین استفاده از خاک دانه ای شل در اطراف لوله و انتخاب روکش صاف و سخت برای لوله موجب عمل کرد بهتر آن ها در جابه جایی های ناشی از گسل های معکوس می شود [42] . وزوراس و همکاران )2242( نیز پاسخ خط لوله تحت جابه جایی ناشی از گسل های امتداد لغز را بررسی کردند. در پژوهش آن ها زاویۀ گسل و خط لوله فقط به صورت عمودی در نظر گرفته شده و با تغییر مشخصات خاک، پاسخ لوله را بررسی کرده اند [44]. ساویدس و همکاران )2225( رفتار لوله تحت گسلش نرمال را با روش المان محدود تحلیل و نشان دادند که استفاده از روش کندی و همکاران )4377( در مقایسه با روش های المان محدود، مقادیر بیش تری برای کرنش محوری بیشینه به دست می آید [42].
در پژوهش های گذشته به تحلیل کرنشها و تلاشها در طول لوله با بهرهگیری از روشهای مختلف پرداخته و هر یك به تناسب روش استفاده شده و فرضیات اعمال شده نتایج را ارائه کردهاند که به علت در نظر گرفتن فرضیه های ساده کننده از دقت نتایج کاسته شده است. در این مقاله از روش آنالیز شبیهسازی حرکات سه بعدی گسل با اعمال جابه جایی های معین در پایه فنرهای غیرخطی بهرهگیری شده است. روابط استفاده شده برای شبیه سازی فنرها با آزمایشهای تجربی به دست آمدهاند که از روشهای تحلیل مبتنی بر تئوری، دقیقتر است. در این تحقیق با استفاده از روش تحلیل مذکور و بهره گیری از نرم افزار المان محدود تأثیر پارامترهای مختلف از قبیل طول مهاری لوله، میزان جابه جایی گسل، زاویۀ اصطکاک داخلی خاک و زاویۀ عبوری لوله از گسل عادی، بررسی شده است. برای بررسی عوامل تأثیرگذار بر پاسخ لوله عبوری از گسل از روابط پیشنهادی راهنمای طرح لرزه ای لوله های مدفون )ویرایش 1500
2225( برای تطابق شرایط در نرم افزار با شرایط واقعی محیطی استفاده شده است. با توجهبه این که در این راهنما از سیستم آحاد انگلیسی برای پارامترهای مختلف استفاده شده است،نتایج حاصل در این تحقیق نیز در سیستم آحاد انگلیسی ارائه شده است [5].

مدل سازی سیستم لوله-خاك
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

برای در نظر گرفتن رفتار غیرخطی خاک و رفتار الاستو-پلاستیك لوله، مدل سازی لوله و محیط اطراف در نرمافزار المان محدودANSYS انجام شده است. از جنبه های اساسی در مدل سازی لوله، توجه به منحنی مشخصه مصالح آن است که در این تحقیق منحنی تنش- کرنش مصالح لولۀ مدفون به صورت سه خطی در نظر گرفته شده است. این منحنی متشکل از سه ناحیۀ کشسان، نیمه خمیری و خمیری کامل است. در تمامی مدل ها از خصوصیات لوله X65 API استفاده شده است که در آن مدول الاستیسته لوله برابر با ksi 32222، تنش تسلیم ksi 5/67 و هم چنین تنش سخت شوندگی فولاد برابر باksi 5/71 است که به ازای کرنش 1% قابل دست یابی است.
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

برای مدل سازی خاک اطراف لوله مطابق پیشنهاد راهنمای طرح لرزه ای لولههای مدفون، از فنر معادل در جهت های افقی، جانبی و قائم بهره گرفته شده است. در مدل سازی، یك سر فنر به لوله متصل و سر دیگر آن با شرایط گیردار در نظر گرفته و جابه جاییهای گسل نیز در سمت گیردار فنر اعمال شده است. از سری المانهای موجود در نرم افزار ANSYS، المان COMBIN 39 به منظور مدلسازی رفتارخاک انتخاب شده که یك المان غیرخطی است و با دو گره ابتدا و انتها تعریف می شود. این المان برای جابه جاییهای بزرگ کاربرد داشته و در هر گره از المان امکان تعریف سه درجۀ آزادی انتقالی وجود دارد. المان تیر استفاده شده در این تحقیق المان PIPE20 است که در هر یك از گره های ابتدایی و انتهایی این المان سه درجۀ آزادی انتقالی و سه درجۀ آزادی چرخشی در نظر گرفته شده است. این المان توانایی در نظر گرفتن مشخصات غیرخطی هندسی و مصالح لوله را دارد. المان لوله به صورت چهار وجهی مشبندی شده و برای هر المان نیز سه فنر معادل برای مدل سازی خاک در نظر گرفته شده است. با تعیین سختی فنرها و مشخصات لوله، تحلیل غیرخطی برای محاسبه تنشها ،کرنشها و نیروهای لوله انجام شده است. هم چنین از لحاظ مهاری نیز در دو انتها، لوله با تکیه گاه گیردار به صورت کامل مهار شده است. شکل 4 الف و ب، به ترتیب شکل کلی مدل سیستم لوله-خاک و هم چنین رابطه تنش- کرنش مصالح لوله را نشان میدهد. با این فرض که خاک اطراف لوله هم سان باشد، نیروی عکس العمل خاک در برابر حرکت محوری و جانبی مستقل از جهت حرکت است. به عبارت دیگر فنرهای افقی و جانبی رفتار مشابهی در کشش و فشار از خود نشان میدهند ولی در جهت قائم خاک در کشش و فشار رفتار متفاوتی دارد. هم چنین عکس العمل خاک اطراف لوله نسبت به حرکت بالا رونده لوله کم تر از عکس العمل آن نسبت به حرکت پائین رونده لوله است که نتایج به دست آمده از روابط )2( تا )5( در شکل 2 نشان داده شده است. فعالیت گسل باعث جابهجایی زمین در جهات y ,x و z به مقدارx وy وz شده که محور x به موازات خط لوله و مماس بر سطح زمین و حرکت های گسل با اعمال جابه جایی در پایه فنرها مطابق شکل 3 در نظر گرفته می شود. تصویر زاویۀ تقاطع لوله با خط گسل در صفحات قائم و افق به ترتیب با نمادهای و نشان داده شده است. در این مقاله به پارامترهای مذکور به ترتیب مؤلفۀ قائم و مؤلفۀ افقی زاویه تقاطع گفته می شود که از رابطۀ )4( به دست می آید:
2919921-96380

tg1

yx tg1

xz   x2 y2 z2 )4(
برای راستی آزمایی مدل از نمونه مثال راهنمای طرح لرزهای لولههای مدفون، که لولهای با قطر 15 اینچ، طول 322 فوت، ضخامت 163/2 اینچ و عمق دفن 36 اینچ در خاک ماسه ای با زاویۀ اصطکاک داخلی 35 درجه و جرم مخصوص 422 پوند بر فوت مکعب است، استفاده شده است. نمودار کرنش حاصل از مدل المان محدود در طول لوله با نمودار موجود در راهنمای طرح لرزه ای لوله های مدفون مقایسه شده است که انطباق قابل قبولی بین دو منحنی وجود دارد )شکل 1(. نحوۀ اعمال جابهجایی گسل در راهنمای طرح لرزهای لولههای مدفون و این مطالعه به صورت تدریجی است، بدین معنی که جابه جایی با رشد یك اینچ اعمال و در پایان 1503
هر مرحله از جابه جایی برای عمود ماندن راستای فنرها بر محور لوله، مکان پایه فنرها اصلاح شده است. این روش در تحقیقات جوشی و همکاران )2244( نیز به کار گرفته شده است.
الف ب

126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

شکل 3. الف( مدل عناصر محدود سیستم لوله-خاك، ب( نمودار تنش-کرنش مصالح لوله
برای مدل سازی خاک اطراف لوله با فنر در راستای محوری که نشان دهندۀ عکس العمل خاک در برابر جابه جایی لوله در راستای محور آن است، حداکثر بار نهایی فنر محوری

در معادلۀ )2( بیان میشود [5]:
1 k
206334332806

tu DH 20 tgDC )2(
1790414347677

که در آن D، قطر خارجی لوله، C چسبندگی خاک، H فاصلۀ قائم مرکز لوله تا سطح زمین ، برابر با زاویۀ اصطکاک سطحی بین خاک و لوله، وزن مخصوص مؤثر خاک است. در رابطۀ )2(  f * مقادیرf مطابق با پیشنهاد راهنمای طرح لرزه ای لوله های مدفون به جنس لوله و سطح ظاهری آن وابسته است و هم چنین  زاویۀ اصطکاک داخلی خاک است.
ضریب  بر حسب ضریب چسبندگی خاک از رابطۀ )3( به دست می آید:
0.2740.695
223351875673

 0.608 0.123CC2 31 )3(
1 C 
126873825500

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:34 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.9.3.3051 ]

الف

ب



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید