本文研究目的為探討埋地管線受斷層作用下之大變形行為，利用有限元素模擬埋地連續鋼管在不同斷層運動形式以及不同埋設條件下的反應。其中管線使用四節點殼元素模擬，考慮彈塑性材料組成律；而土壤與管線間的相互作用則根據ALA-ASCE（2001）所定義的非線性土壤彈簧模擬，並且提出兩種等效土壓力分佈形式進行參數分析。數值模擬結果顯示在相同斷層位移量之下，由於逆斷層運動可能會造成管線的局部挫屈，故對管線的影響最為顯著。此外，若欲提高管線抵抗地表大變形能力，可在合理安全的範圍內減少管線的埋設深度；而回填材料的摩擦角越小以及比重越小，管線在斷層作用下所產生的變形越小。管材的使用應具備一定的延展性，俾利抵抗正斷層和平移斷層所可能引致的拉伸破壞；而管線軸向與斷層線在埋深方向的傾角越小，對管線的承載能力越不利。此外，本研究亦以新城斷層地下埋設的大口徑鋼管進行案例分析，定義不同的破壞準則來推估臨界地震規模。上述的結果可供在管線設計時參考。

The purpose of this research is to study the responses of buried pipelines subjected to large reverse faults by the nonlinear finite element analysis. The pipeline is modeled by 4-node shell elements with elasto-plastic material properties. In addition, the interaction of soil and pipelines is modeled by nonlinear springs in accordance with the ALA-ASCE guidelines for soil springs. Two distribution forms of the equivalent soil pressure are proposed in this study. Parametric studies are carried out to investigate the responses of pipelines subjected to different fault motions, buried conditions and material properties of pipelines. Numerical results indicate that the reverse fault motion, particularly with small dip angle, could results in the occurrence of local buckling of pipelines, which has remarkable influences on the safety of the water supply system. The decrease in buried depth and small friction angle of backfill sand with less unit weight are suggested to improve the bearing capacity of buried pipelines. Pipelines composed of ductile materials are also suggested to resist the normal fault and strike fault movements. Finally, a real case of buried pipelines subjected to the Shin-Cheng reverse fault is investigated in this paper. Two different failure criteria are proposed to estimate critical earthquake magnitude.

摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XIII

第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的與方法 3
1.3 文章內容 5

第二章 文獻回顧 7
2.1 前言 7
2.2 Newmark and Hell方法 8
2.3 Kennedy 方法 10
2.4 實驗方法 12
2.5 日本耐震規範介紹 14
2.6 中國耐震規範介紹 15
2.7 數值方法 16
2.8 小結 20

第三章 有限元素模型建立 23
3.1前言 23
3.2有限元素法及其軟體介紹 24
3.3有限元素模型建立 26
3.4等效土壤彈簧模型建立 29
3.4.1軸向土壤彈簧 30
3.4.2側向土壤彈簧 32
3.4.3垂直向土壤彈簧 33
3.5土壓力分佈形式 40
3.5.1 均勻土壓力 40
3.5.2 非均勻土壓力 40
3.6數值模型驗證 42
3.7不同方法驗證 46
3.7.1 Kennedy 解析方法驗證 46
3.7.2中國規範計算計算 48
3.8小結 51

第四章 斷層形式不同之影響 53
4.1前言 53
4.2平移斷層 55
4.3傾向斷層 63
4.3.1正斷層 63
4.3.2逆斷層 72
4.4斜向斷層 80
4.4.1 正向斜向斷層 80
4.4.2 逆向斜向斷層 85
4.5小結 94

第五章 埋設現地條件與管線性質不同之影響 97
5.1前言 97
5.2埋設現地條件不同之影響分析 97
5.2.1相對埋深分析 98
5.2.2摩擦角影響分析 105
5.2.3土壤類型之影響分析 111
5.3管線性質不同之影響分析 119
5.3.1 相對厚度比之影響 119
5.3.2 管線材料不同之影響 129
5.4小結 134

　　第六章 案例分析 135
6.1前言 135
6.2試驗比對 135
6.3新竹新城斷層案例分析 144
6.4小結 152

第七章 結論 155
7.1結論 155
7.2未來展望 156
參考文獻 157

表目錄

表1-1 供水率恢復時間表 （施邦築1999） 4
表3-1 管線與土壤之摩擦係數（ASCE 1984） 39
表3-2 承載因子係數表（ASCE 1984） 39
表3-3 X-60鋼管材料參數 47
表3-4 X-60之材料性質與規格 48
表3-5 中國規範結果與本文之數值結果比較 50
表4-1 平移斷層中斷層與管線交角不同的參數組合 56
表4-2 正斷層中不同斷層傾角（α）斷層 64
表4-3 正斷層中不同管線剖面交角（β）組合 64
表4-4 逆斷層中不同斷層傾角（α）斷層 72
表4-5 逆斷層中不同管線剖面交角（β）組合 72
表4-6 逆斷層運動下不同斷層傾角之最小主軸應變值 73
表4-7 逆斷層運動下不同斷層水平交之最小主軸應變值 77
表4-8 正向斜向斷層不同交角組合 80
表4-9 正向斜向斷層運動下之最大主軸應變值 84
表4-10 逆向斜向斷層錯動量與管線交角(β)不同之組合 85
表4-11 逆斷層與逆向斜向斷層之最小主軸應變 87
表4-12 逆向斜向斷層改變水平交角（β）之最小主軸應變 89
表4-13 逆向斜向斷層改變水平方向後之最小主軸應變 93
表5-1 不同埋深與管徑比（H/D）之參數組合 98
表5-2 不同摩擦角之參數組合 105
表5-3 不同土壤類型參數組合 112
表5-4 剪切強度（S<sub>u</sub>）存在之土壤勁度 112
表5-5 不同土壤類型下之管線最小主軸應變 117
表5-6 不同管徑與管厚比之組合 119
表5-7 不同管徑固定長度後之管徑倍數關係 120
表5-8 不同管徑下管線整體之最小主軸應變 120
表5-9 固定管徑下不同厚度之參數組合 124
表5-10 改變厚度後發生挫曲時對應之錯動量 125
表5-11 使用管線材料性質 130
表5-12 不同管線材料之參數組合 130
表6-1 HDPE管之管線資訊與土壤性質 136
表6-2 管線頂端中間處之軸向應變值比較表 141
表6-3 自來水用鋼管與水管橋用鋼管之管線規格 145
表6-4 埋管線地條件 145

圖目錄

圖1-1 台灣活動斷層分布圖 1
圖1-2 埋地水管受震破壞 （施邦築1999） 2
圖1-3 九二一震後埋地水管破壞圖 （施邦築1999） 2
圖2-1 Newmark與Hal模型示意圖 9
圖2.2 管線材料應力應變關係圖 10
圖2-3 Kennedy模型示意圖 11
圖2-4 水壓拉拔試驗方法示意圖（康文碩 2003） 12
圖2-5 油壓千斤頂試驗方法示意圖（康文碩 2003） 13
圖2-6 撓曲強度試驗示意圖（康文碩 2003） 13
圖2-7 撓曲水壓試驗示意圖（康文碩 2003） 13
圖2-8 重覆撓曲水壓試驗示意圖（康文碩 2003） 13
圖2-9 CU and RPI 地層錯動試驗之剪力箱示意圖 14
圖2-10 管線實際破壞情況(Ogawa et al., 2004) 17
圖2-11 埋地管線分析模型(Ogawa et al., 2004) 18
圖2-12 管線水平方向分析結果(Ogawa et al., 2004) 18
圖2-13 管線垂直方向分析結果(Ogawa et al., 2004) 18
圖2-14 徑向與環向彈簧示意圖 19
圖2-15 Takada et al.（1998）之土壤彈簧之力與位移關係曲線 20
圖3-1 埋地管線與斷層線間之幾何關係 24
圖3-2 有限元素分析軟體ABAQUS/CAE介面（ABAQUS 2011） 26
圖3-3 有限元素模型示意圖 28
圖3-4 埋管土壤回填剖面圖 30
圖3-5 各方向土壤彈簧力與位移關係圖 32
圖3-6 ASCE土壤彈簧計算流程圖 36
圖3-7 凝聚因子與剪切強度（ASCE 1984） 37
圖3-8 砂土側向承載因子 （ASCE 1984） 37
圖3-9 黏土側向承載因子 （ASCE 1984） 38
圖3-10 垂直向下承載因子 、 與 對照圖（ASCE 1984） 38
圖3-11 均勻土壓力分佈圖 41
圖3-12 非均勻土壓力分佈圖 41
圖3-13 Takada管線模型示意圖（Takada（1998）） 43
圖3-14 正斷層分析結果 44
圖3-15 逆斷層分析結果 45
圖3-16 Kennedy平移斷層數值例子結果 48
圖3-17 數值分析不同斷層錯動量之結果 51
圖4-1 各類斷層示意圖 54
圖4-2 軸向位置示意圖 55
圖4-3 平移斷層改變管線與斷層交角之軸向應變分佈圖 57
圖4-4 平移斷層水平交角為60<sup>。</sup>分析結果 58
圖4-5 平移斷層水平交角為90<sup>。</sup>之變形圖 59
圖4-6 平移斷層水平交角為120<sup>。</sup>之變形圖 59
圖4-7 平移斷層改變錯動量方向之軸向應變分析 60
圖4-8 平移斷層β=90<sup>。</sup>改變錯動量方向（Δ = -1）之變形圖 61
圖4-9 平移斷層β=60<sup>。</sup>改變錯動量方向（Δ = -1）之變形圖 62
圖4-10 平移斷層斷層改變角度正負值後之軸向應變分佈 62
圖4-11 正斷層改變斷層傾角(α)後軸向應變分佈情形 65
圖4-12 正斷層傾角為30<sup>。</sup>之變形圖 66
圖4-13 正斷層傾角為45<sup>。</sup>之變形圖 67
圖4-14 正斷層傾角為60<sup>。</sup>變形圖 67
圖4-15 正斷層改變管線交角(β)後軸向應變分佈情形 69
圖4-16 正斷層管線水平交角β=30<sup>。</sup>之變形圖 70
圖4-17 正斷層管線水平交角β=45<sup>。</sup>之變形圖 71
圖4-18 正斷層管線水平交角β=60<sup>。</sup>之變形圖 71
圖4-19 逆斷層改變斷層傾角(α)後軸向應變分佈情形 73
圖4-20 逆斷層之斷層傾角α=30<sup>。</sup>之變形圖 74
圖4-21 逆斷層之斷層傾角α=45<sup>。</sup>之變形圖 75
圖4-22 逆斷層之斷層傾角α=60<sup>。</sup>之變形圖 75
圖4-23 逆斷層改變管線交角(β)後軸向應變分佈情形 77
圖4-24 逆斷層之斷層水平交角β=30<sup>。</sup>之變形圖 78
圖4-25 逆斷層之斷層水平交角β=45<sup>。</sup>之變形圖 79
圖4-26 逆斷層之斷層水平交角β=60<sup>。</sup>之變形圖 79
圖4-27 正斷層與正向斜向斷層之軸向應變比較 81
圖4-28 正斷層與正向斜向斷層分析結果 83
圖4-29 逆斷層與逆向斜向斷層軸向應變比較 86
圖4-30 逆斷層之管線交角30<sup>。</sup>之變形圖 87
圖4-31 逆向斜向斷層之管線交角 之變形圖 88
圖4-32 逆向斜向斷層（Δ<sub>V</sub>= 0.63 m、Δ<sub>H</sub>= 0.45 m）不同管線夾角比較 89
圖4-33 逆向斜向斷層（Δ<sub>V</sub>= 0.63 m、Δ<sub>H</sub>= 0.45 m）之管線交角 之變形圖 91
圖4-34 逆向斜向斷層（Δ<sub>V</sub> = 0.63 m、Δ<sub>H</sub>= 0.45 m）之管線交角 之變形圖 92
圖4-35 逆向斜向斷層（Δ<sub>V</sub>= 0.63 m、Δ<sub>H</sub>= -0.45 m）改變水平方向之變形圖 93
圖4-36 逆向斜向斷層改變水平位移方向之軸向應變分佈 94
圖5-1 H/D=1之變形圖 99
圖5-2 H/D=1.25之變形圖 99
圖5-3 H/D=1.5之變形圖 100
圖5-4 H/D=1.75之變形圖 101
圖5-5 H/D=2.00之變形圖 101
圖5-6 不同埋深與管徑比（H/D）之軸向應變分佈圖 102
圖5-7 土壤彈簧力隨埋深改變之關係圖 105
圖5-8 不同摩擦角之軸向應變分布 106
圖5-9 ø=25<sup>。</sup>之變形圖 107
圖5-10ø=35<sup>。</sup>之變形圖 108
圖5-11ø=45<sup>。</sup>之變形圖 108
圖5-12 土壤彈簧力隨摩擦角改變之關係圖 111
圖5-13 不同土壤單位重之軸向應變分佈 113
圖5-14 γ=14.6KN/m<sup>3</sup>之變形圖 113
圖5-15 γ=17.3KN/m<sup>3</sup>之變形圖 115
圖5-16 土壤彈簧隨土壤單位重改變之關係圖 116
圖5-17 中密砂之變形圖 117
圖5-18 堅硬黏土砂之變形圖 118
圖5-19 疏鬆黏土之變形圖 119
圖5-20 不同管徑尺寸下之軸向應變分析結果 121
圖5-21 管徑600mm之變形圖 122
圖5-22 管徑800mm之變形圖 123
圖5-23 管徑1000mm之變形圖 123
圖5-24 管徑1200mm之變形圖 124
圖5-25 改變不同厚度之軸向應變分布圖 126
圖5-26 不同管厚之臨界應變對應之斷層錯動量 127
圖5-27 管厚2倍之變形圖 128
圖5-28 管厚3倍之變形圖 129
圖5-29 不同管線材料之軸向應變分佈 131
圖5-30 DIP管之變形圖 132
圖5-31 SP管之變形圖 133
圖5-32 不同管線材料5%應變對應之錯動量 134
圖6-1 HDPE管之應力應變關係圖 136
圖6-2 實驗方法示意圖 137
圖6-3 數值模擬與實驗量測分析結果之軸向應變分佈圖 138
圖6-4 試驗案例之數值分析結果 140
圖6-5 應力分佈圖選擇之位置 142
圖6-6 管線受斷層位移1.06 m時之應力分佈圖 144
圖6-7 新城斷層管線分析結果 146
圖6-8 新城斷層軸向應變與位移關係圖 148
圖6-9 鋼管(D = 2.032 m與t = 0.018 m)受斷層作用後軸向應變最大處
150
圖6-10 管線應變最大處剖面面積變化圖 150
圖6-11 鋼管面積改變率與斷層偏移量關係圖 152
圖6-12 數值方法管線分析流程 153

參考文獻

1.ABAQUS version 6.10-1. (2011). Analysis user’s manual. Providence, RI: Dassault Systemes Simulia Corporation.
2.Abdoun, T.H., Ha, D. and O’Rourke, M.J. (2008). “Behavior of Moderately Buried HDPE Pipelines Subject Strike-Slip Faulting,” 12-th International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IACMAG), Goa, India.
3.Abdoun, T.H., Ha, D., O’Rourke M.J., Symans, M.D., O’Rourke T.D., Palmer, M.C. and Stewart H.E. (2009). “Factors Influencing the Behavior of Buried Pipelines Subjected to Earthquake Faulting,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 29, No. 3, pp. 415-427.
4.ALA (American Lifelines Alliance) (2001). Seismic Fragility Formulations for Water Systems, http://www.Americanlife linesalliance.org.
5.ASCE (1984). “Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems,” Committee on Gas and Liquid Fuel Lifelines.
6.CU, RPI and Science Discovery Center, (2006). “NEESR-SG, Annual Report.”
7.CU, RPI and Science Discovery Center, (2007). “NEESR-SG, Annual Report.”
8.CU, RPI and Science Discovery Center, (2008). “NEESR-SG, Final Report.”
9.Elgamal, A., Huang, A.B. and Okamura, M. (2010). “Recent Trends in Geotechnical Earthquake Engineering Experimentation,” Physical Modeling in Geotechnics, Springman, Laue & Seward ed., pp. 23-24.
10.Elhmadi, K. and O'rourke, M.J. (1990). "Seismic Damage to Segmented Buried Pipelines," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 19, No. 4, pp. 529-539.
11.Ha, D., Abdoun T.H., O’Rourke M.J., Symans M.D., O’Rourke T.D., Palmer M.C. and Stewart H.E. (2008). “Centrifuge Modeling of Earthquake Effects on Buried High-Density Polyethylene (HDPE) Pipelines Crossing Fault Zones,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 134, pp.1501-1515.
12.Honegger, D. and Grande, A. (2006). “Full-Scale Laboratory Testing to Assess Methods for Reduction of Soil Loads on Buried Pipes Subject to Transverse Ground Movement,” 6-th International Pipeline Conference (IPC2006) Ipc2006-10047, Calgary, Alberta, Canada.
13.Japan Gas Association (1982). Earthquake Resistant Design Guideline of Gas Pipes. (in Japanese).
14.Joshi, S., Prashant, A., Deb, A., and Jain, S.K., (2011), "Analysis of Buried Pipelines Subjected to Reverse Fault Motion," Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 31, No. 7, pp. 930-940.
15.Karamitros, D.K., Bouckovalas, G.D. and Kouretzis, G.P. (2007). “Stress Analysis of Buried Steel Pipelines at Strike-Slip Fault Crossings”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 27, No. 3, 200-211.
16.Karamitros, D.K., Bouckovalas, G.D., Kouretzis, G.P., and Gkesouli, V. (2011). "An Analytical Method for Strength Verification of Buried Steel Pipelines at Normal Fault Crossings," Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 31, No. 11, pp. 1452-1464.
17.Kennedy, R.P., Chow, A.W., and Williamson, R.A., (1977), “Fault Movement Effects on Buried Oil Pipeline,” Journal Technical Councils of ASCE, Vol. 103, No. 15, pp. 617-633.
18.Kennedy, R.P., Short S.A. and Darrow A.C. (1979). “Seismic Design of Oil Pipeline Systems,” Journal Technical Councils of ASCE, Vol. 105, No. 1, pp. 119-134.
19.Newmark, N.M. and Hall W.J. (1975). “Pipeline Design to Resist Large Fault Displacement,” Proceedings U. S. National Confer. Earthquake Eng., University of Michigan, Ann Arbor, MI, pp.416-425.
20.O’Rourke, T.D. and Bonneau, A.L. (2007). “Lifeline Performance under Extreme Loading during Earthquakes,” Earthquake Geotechnical Engineering, 4th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Invited Lecture, vol. 6, pp.407-432.
21.O’Rourke, T.D., Palmer, M.C., Stewart, H.E. and Olson, N.A. (2009). Large-Scale Testing of Fault Rupture Effects, SFPUC CS-033, Final Report, Cornell University, Ithaca, N.Y.
22.O’Rourke, T.D. (2005). “Soil-Structure Interaction under Extreme Loading Conditions,” The Thirteenth Spencer J. Buchanan Lecture, Texas A&M University, College Station Hilton, TX.
23.Ogawa, Y., Yanou, Y., Kawakami, M and Kurakake, T. (2004). “Numerical Study for Rupture Behavior of Buried Gas Pipeline Subjected to Seismic Fault Displacement,”Proc.13-th World Confer. Earthquake Eng., Paper No 724, Vancouver, Canada.
24.Shinozuka, M, Tan, R. Y. and Toike, T. (1981). “Serviceability of Water Transmission Systems under Seismic Risk,” in Lifeline Earthquake Engineering, the Current State of Knowledge, ASCE, New York, NY.
25.Takada, S., Liang, J.-W. and Li, T. (1998). “Shell-Mode Response of Buried Pipelines to Large Fault Movements,” Journal of Structural Engineering, Vo1.44A, pp.1637-1646.
26.Takada, S., Hassani, N. & Fukuda, K. (2001). "A New Proposal for Simplified Design of Buried Steel Pipes Crossing Active Faults," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 30, No. 8, pp. 1243-1257.
27.Trifonov, O. V. and Chernify, V. P. (2010). "A Semi-Analytical Approach to A Nonlinear Stress-Strain Analysis of Buried Steel Pipelines Crossing Active Faults," Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 30, No. 11, pp. 1298-1308.
28.Vazouras, P., Karamanos, S. A. and Dakoulas, P. (2010). "Finite Element Analysis of Buried Steel Pipelines under Strike-Slip Fault Displacements," Soil dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 30, No. 11, pp. 1361-1376.
29.Wang, L. R. L. and Yeh, Y. (1985). "A Refined Seismic Analysis and Design of Buried Pipeline for Fault Movement," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 13, No. 1, pp. 75-96.
30.Wang, Y. (2006). Seismic Performance Evaluation of Water Supply Systems, PhD Dissertation, Cornell U., Ithaca, NY.
31.Wang, L.L.R. and Wang, L.J. (1995). Parametric Study of Buried Pipelines Due to Large Fault Movement, IG, CSB, Kobe Uni., pp165-172.
32.Wu, Y.M., Shin, T.C., and Chang C.H. (2001). "Near Real-Time Mapping of Peak Ground Acceleration and Peak Ground Velocity Following a Strong Earthquake," Bulletin of Seismological Society of American, Vol. 91, No. 5, pp. 1218-1228.
33.Yeh, C.H., Shih, B.J., Chang, C.H., Chen, W., Liu, G.Y. and Hung, H.Y. (2006). “Seismic Damage Assessment Of Potable Water Pipelines,” Proc. 4th Int. Confer. Earthquake Eng., Paper No. 247, Taipei, Taiwan.
34.Yun, H.D. and Kyriakides, S. (1984). “Buckling of a Heavy Beam on a Contacting Surface: A Mode for Beam Buckling of Buried Pipes”, Presented at the Pressure Vessels and Piping Conference and Exhibition, ASME, Paper No.84-PVP-71,San Antonio,Texas, June.
35.王信凱，2005，「地下管線耐震分析與設計」，國立台灣科技大學營建工程系碩士論文，台北。
36.侯信宇，2008，「地下延性鑄鐵管通過斷層之接頭佈設研究」，國立成功大學土木工程研究所碩士論文，台南。
37.施邦築，1999，「九二一集集大地震全面勘災報告－維生線震害調查」，國家地震工程研究中心研究報告，NCREE-99-056，台北。
38.康文碩，2002，「自來水延性鑄鐵管接頭耐震數值模擬研究」，國立成功大學土木工程學研究所碩士論文，台南。
39.陳振豪，2011，「應用側推分析法於地下自來水用管線受地層錯動之非線性分析」，國立台灣大學土木工程學系碩士論文，台北。
40.崔成臣，2008，「跨逆斷層埋地管線的斷層錯動反應分析」，中國地震局工程力學研究院碩士論文，中國。
41.劉愛文，2002，「基於殼模型的埋地管線抗震分析」，中國地震局地球物理研究所博士論文，中國。
42.王佑豪，2011，「地下管線耐震設計規範與數值分析方法之研究」，國立台北科技大學土木工程學研究所碩士論文，台北。
43.中國石油天然氣管道局，「油氣輸送管道線路工程抗震規範」，2009。
44.中國石油天然氣管道局，「輸油管道工程設計規範」，2003。
45.中國石油天然氣管道局，「輸氣管道工程設計規範」，2003。
46.中國石油天然氣管道局，「輸油（氣）埋地鋼質管道抗震設計規範」，1998。
47.經濟部中央地質研究所，2010，「台灣活動地斷層分佈圖」。
48.國家標準（CNS 10868），「延性鑄鐵管規範」。
49.國家標準（CNS 6568），「輸水用塗覆裝鋼管規範」。