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输油气管道穿越山区时多沿坡脚敷设,崩裂岩块对管道造成的安全问题日渐突出。崩裂岩块对管道的主要危害是岩块自高空坠落对管道产生的冲击荷载,尤其是在高程差比较大的地段,冲击载荷使管道承受的应力超过其安全规定的许用应力,从而引起管道破坏。为保障埋地管道的安全运营,本论文采用理论分析和数值仿真方法开展了崩裂岩块冲击作用下埋地管道的动力学响应研究,主要研究内容有:1)崩裂岩块岩土工程稳定性评价及冲击力计算;2)岩块冲击荷载下埋地管道的受力分析和强度计算;3)埋深对埋地管道承受冲击力影响规律的研究;4)垫层防护机理及效果分析。通过对以上内容的研究,取得以下研究结论:
(1)推荐最符合实际的岩块最大冲击力计算方法。
(2)岩块冲击载荷作用下埋地管道应力和应变分析:1)管道纵向受力分析时可将管道视为弹性地基上的无限长梁,冲击载荷视为集中力,按照弹性地基梁法进行内力计算。2)横向受力分析时可将冲击载荷简化为均布载荷,按照弹性理论方法和结构力学方法计算横向内力。3)对于崩裂岩块这种会使埋地管道产生大变形的灾害类型,引入了更为适合设计使用的基于应变的设计方法。4)以某输油管道在甘肃阳坝遭受崩塌灾害为例,采用理论计算和有限元数值模拟相结合的方法,对管道进行荷载分析、应力分析和应变分析后,得出管道破坏结果与现场相吻合的结论。
(3)岩块冲击载荷在土层中的传播规律:1)岩块冲击荷载作用时间极短,最大冲击力与速度近似成正比。2)岩块冲击力在土层中的传播是一个过程,各深度出现最大冲击力的时间随着深度而延迟。
(4)在岩块冲击作用下土体竖向应力在管顶将出现应力集中现象,其分布形式与静力学荷载分布形式相似,但是应力更加集中。冲击中心正下方为管道最危险截面处,最大位移和最大有效应力均出现在管道顶部。
(5)增加埋深可以有效减弱岩块冲击荷载对管道的冲击效应,埋深对管体承受的峰值有效应力有较明显的影响,但是这种影响是在一定埋深范围内的,当超过这个范围时,增加埋深将变得毫无意义。以文中的工况为例,当埋深在1.0m~2.0m范围内时管道峰值有效应力急剧下降,且与埋深成近似线性关系;当埋深在2.0m~3.0m范围内时,增加埋深对减弱管道峰值有效应力的效果不再显著;当埋深超过3.0m时,管道峰值有效应力几乎不随埋深的增加而减小。
(6)EPS板垫层对冲击能量的耗能隔振效应显著,在同种条件下其耗能隔振效果可达5倍左右。EPS板垫层的初始密度越小,其对岩块冲击应力耗散作用越明显。