冲击荷载作用下管土相互作用研究

作     者：陈德升 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑荣跃;刘干斌

授予年度：2021年

学科分类：083305[工学-城乡生态环境与基础设施规划] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081403[工学-市政工程] 0815[工学-水利工程] 0814[工学-土木工程] 0833[工学-城乡规划学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：冲击荷载 地埋管道 模型试验 管土相互作用 有限元模拟 

摘      要：埋地管道是埋置于地下的城市管道,具有运输油气、保障热力供应与给排水等功能,是城市地下生命线系统的重要组成部分。近年来,伴随着城市的迅猛发展,埋地管道在运营中面临的破坏性风险越来越多,因意外爆炸、冲击撞击、桩基施工土体扰动等原因导致管道变形破坏时有发生。为此,本文通过模型试验、数值模拟与实用计算方法相结合的方式就冲击荷载对管土相互作用影响进行了系统研究。本文首先通过模型试验,研究在冲击荷载影响下干燥土体与饱和土体环境中的管土耦合系统中的管周土体及管身物理力学特性;其次,结合有限元分析方法,对模型试验工况进行模拟,将模型试验结果和有限元计算结果进行对比,分析冲击荷载下地埋管及管周土体的物理力学特性;最后基于马斯顿沟内埋管垂直土压力计算模型,通过Spangler公式和爱荷华计算公式计算管顶垂直土压力、管道的环向弯曲应力和管道的竖向变形位移,并与实验结果进行了对比。主要内容包括:(1)以埋地管道为研究对象,开展落锤冲击管土耦合系统的模型试验,探讨干燥砂质黏土环境中管土耦合系统受到冲击荷载影响后的动力响应。研究将落锤重量控制在45kg与60kg,冲击高度控制为4.5m、5.5m和7m,同时控制埋地管道的壁厚分别为2.5mm与3.5mm,覆土厚度分别为0.45m与0.35m,观察在冲击荷载影响下管道及管周土体动力响应。结果表明:(1)落锤贯入深度随着冲击荷载的增大而增大,但增大幅度逐渐减小。(2)在落锤冲击荷载作用下,管道中部应变峰值最大,管道上下表面出现反对称应变;峰值应变沿管道两端方向逐渐减小。(3)当冲击高度增加时,厚壁管道峰值应变变化较小,管道埋深越大,峰值应变越小。(2)通过模型试验研究饱和砂质黏土环境中冲击荷载对管土相互作用的影响。研究土体含水量为16.5%的条件下,落锤冲击土体对埋地管道的影响及其周边土体的动土应力与孔隙水压力的变化规律。结果表明:(1)随着冲击次数的增加,冲击应力带来的超孔隙水压力减小,但是超孔压的消散时间却成倍数增长。随着冲击荷载的增大,超孔压峰值有非常明显的增长,消散时间也会随之变长。(2)落锤冲击时动土应力峰值随着冲击能、冲击次数的增大而增大,但增大幅度减小,且变化率逐渐降低,最后趋于相对稳定值。(3)干土与饱和土两种土体环境下管身应变趋势基本相同,干土环境中应变产生的速度更快,产生的应变更小。(3)利用ABAQUS有限元软件对不同冲击荷载和不同埋地管道厚度两种工况进行模拟,并将有限元软件的模拟结果与试验结果进行拟合。结果表明:(1)冲击荷载作用时,冲击应力波以冲击落点所在轴线为中心线以球状向下方与四周扩散。应力波在传递到箱体底部以后会迅速向上回弹,并在传递过程中逐渐消散。(2)模拟与试验中管周动土应力变化规律相同,相同条件下的应力峰值也较为接近。动土应力峰值与冲击荷载成正相关。数值模拟中落锤加速度变化规律与试验所测结果相同,均表现为剧增后迅速减小,在减小到一定程度后震荡至0。(3)数值模拟中埋地管道上各测点的应变变化规律与试验结果拟合较好。各测点的管道应变随冲击荷载增大而增大,随管身壁厚的增大而减小。(4)基于散体极限平衡条件,利用马斯顿沟内埋管垂直土压力计算模型计算管顶垂直土压力,根据Spangler公式计算管道的环向弯曲应力,通过爱荷华计算公式计算管道的竖向变形位移,并与第三章的试验数据对比得出以下结论:(1)冲击荷载瞬时冲击力远大于冲击荷载施加物的重力,冲击中心正下方区域为管道的最危险截面,所受冲击应力最大,最易发生失稳破坏。(2)埋管深度和埋管壁厚均为影响管身变形的重要因素,可以通过增加埋管上方的覆土层厚度来减小冲击荷载,也可以通过增加管道的壁厚来增强管道对变形的抵抗能力。(3)管道内压对管道的应力与变形影响非常大,埋管深度越小,埋管壁厚越小的管道区别越明显。