随着“西气东输”工程、“川气东送”工程的建设运营以及中国逐步从中亚、俄罗斯、缅甸等国家和地区引入管输天然气,越来越多的城镇敷设了燃气管道,城镇居民的天然气使用量也与日俱增。由于聚乙烯及其复合管道具有很好的抗腐蚀性、焊接性能优异、柔韧性高、经济又环保、使用寿命长、运行过程耗能低和维修便捷等优势,被广泛用做城镇燃气的输送管道。另外,我国幅员辽阔,西部山区多地震等自然灾害,东部平原地区地下水采集严重,因地震等自然灾害或地下水过度采集等人为因素造成地面沉降现象多发,不可避免地会对城镇燃气聚乙烯管道造成影响,甚至导致管道破坏。而聚乙烯管道常用于城镇中低压燃气的输送,所穿越地区人口密集,一旦发生破裂失效,造成燃气泄漏,极易造成火灾、爆炸等严重后果,将给周围环境和居民生命财产安全带来极大危害。因此,有必要就地面沉降作用对埋地聚乙烯管道的影响进行研究,这对保证城镇燃气管道的安全运行与城镇居民的生命财产安全具有重要意义。研究结果还可以为城镇燃气管网安全评价与损伤可量化评价体系的形成提供一定的理论基础。本文对地面沉降作用下的埋地聚乙烯(PE)管道进行了研究,主要研究内容如下:(1)考虑材料的率相关性,进行不同拉伸速率下聚乙烯材料的单轴拉伸试验,获得其本构模型。进行含裂纹缺陷试样拉伸试验,并采用扩展有限元法,对拉伸过程进行模拟,获得相关断裂参数。(2)建立地面沉降作用下埋地聚乙烯管道有限元模型,分析管道在沉降位移荷载下的受力变形特性。研究管道在不同参数作用下的力学响应,获得不同参数与管道最大Von Mises应力的量化关系,得到参数对结果的影响程度排序。以相对变形率和最小曲率半径来表征管道变形情况。以屈服强度为失效判据,分析地面沉降作用下管道的极限承载能力以及其随参数的变化规律。(3)建立含划痕聚乙烯管道有限元模型,研究划痕缺陷对管道受力特性的影响。考虑不同参数下管道最大Von Mises应力变化情况,得到它们之间的量化关系以及参数影响程度排序,并分析沉降作用下含划痕管道的极限承载能力变化规律。(4)根据含裂纹拉伸试验模拟结果,建立地面沉降作用下含裂纹埋地聚乙烯管道有限元模型,分析地面沉降作用对含裂纹聚乙烯管道裂纹行为的影响,并得到不同参数下管道断裂特性与极限承载能力的变化规律。(5)以地面沉降作用下埋地聚乙烯管道有限元模型为基础,当管道处于极限承载状态时,将此刻管道内压视为其爆破压力,计算不同参数下聚乙烯管道的爆破压力。采用统一理论损伤模型,建立基于爆破压力的地面沉降作用下埋地聚乙烯管道的损伤模型,并对不同参数变化下聚乙烯管道的损伤进行分析。