沉管下沟管道力学分析

为解决传统吊管法在水网、沙漠及沼泽等地段管道下沟所面临的实际施工难题,以大管径为研究对象,基于面面接触算法,实现管土耦合作用,构建单向及背向沉管法下沟管道模型,综合考虑管道与压袋自身重力及沟内积水带来的浮力作用,并以节点载荷形式间接实现流固耦合影响,对一般工况、含支墩及沟内积水工况进行分析,获取不同工况下管道力学规律。研究结果表明:针对不同沉管法施工,管道下沟过程可分为沉管下沟前期、稳定期、后期3个阶段;当管道刚接触沟底时,其位移、应力达到极值,相比于一般工况,含支墩工况下管道应力极值点位于临近管沟开挖边界的支墩处;为提高沉管法施工适用性,可在管土接触处铺垫胶皮、减小管沟深度及采用分层开挖管沟等措施,降低管道应力极值;当沟内积水深度大于临界深度时,优先建议采用抽排水措施,当不可避免采用平衡压袋时,建议以沉管下沟稳定期时管道悬空长度作为评判基准,控制压袋与管沟开挖边界间距,以保证管道施工安全。研究结果可为大管径管道设计及施工阶段提供理论指导与技术支撑。

推移式土质滑坡下输气管道力学响应及路由优化分析

为分析土质滑坡下管土作用对横穿敷设的输气管道所带来的影响,探讨滑坡影响区内管道路由选取,本文基于光滑粒子流体动力学与有限单元耦合法(SPH-FEM),构建滑坡下管道受力分析模型,从设计角度出发,综合考虑管道敷设位置,探讨管道壁厚、埋深等因素影响,分析土体大变形下管道受力变形特征。结果表明:针对推移式滑坡,管道敷设于滑体内时,位于滑体前缘处管道所产生的应力、位移较小,而后缘处管道更易发生损坏,当提高管道壁厚时,可有效提高管道承载能力,但对于埋深的增加,管道有效屈服应变呈现先增加而后减小的趋势;管道敷设于滑体外时,位于滑坡前缘管道产生应力小于后缘处管道,且呈现出不同应力状态,均满足运行安全,同时壁厚的增加可降低管道应力。所得结论可为设计阶段滑坡区管道路由优化提供建议,具有一定的工程意义与应用价值。

滑坡灾害下航油管道抗滑桩的阻滑性能分析

针对于土体等大位移问题所带来的模拟求解难题,分析滑坡灾害对横坡敷设的航油管道运行所带来的影响。利用SPH‐FEM耦合算法,采用不同的接触形式,建立管‐土及桩‐土相互作用全尺寸耦合模型,进行非线性分析,获取管‐土力学响应规律,并对抗滑桩阻滑性能加以分析,保证滑坡区管道本体的安全。结果表明,在文中工况下,当滑坡趋于稳定时,在滑土推力作用下,管道所产生的位移、应力最大值均出现在滑体区域内;但由于桩‐土间“土拱效应”,致其桩后滑土更易趋于稳定,同时管道也并未发生沿管轴扭转的现象;随抗滑桩数量的增多,其阻滑性能增强,但对于文中工况,设置2个抗滑桩且混凝土强度为C30的抗滑方案即可保证管道的安全运行。所得结论可为保证航油管道的安全运行提供理论支撑,并为滑坡下管道力学行为和抗滑桩阻滑性能研究提供一种可行的模拟方法。

滑坡下成品油管道力学响应研究

针对于管道横穿滑坡体存在的潜在危害,基于光滑粒子流体动力学与有限元耦合算法(SPH FEM)构建土管油完全耦合模型,综合考虑材料、几何及接触非线性,分析土管油作用机制,并探讨滑坡体位移、埋深及径厚比等主要因素对管道力学行为的影响。研究表明,相比于简化为内压的油管(存在内压的空管),当考虑管内成品油存在时,均存在滑坡作用下管道典型的损伤行为,但在满管输送工况下,管内成品油的作用由滑坡初始时刻的“抗变”转变为“助变”,且对管道位移形变产生更大的影响,与简化空管相比,其位移增加了10.63%(应力增加了4.96%);随滑坡体位移、滑坡规模的增大及埋深的减小(对于敷设于滑坡中部的管道),会产生更大位移及塑性形变区域;对于穿越滑坡区的管道,可适量增加壁厚以增强管道极限承载能力。研究所得成果可为保障管道安全运行及滑坡灾害下管道防护给予理论指导与技术支持。

粒子法和离散元法在管土耦合分析中的应用

为克服管土耦合分析中土体分层、压缩、运移、流变等大变形问题,传统有限元分析技术需借助新的土体模拟及耦合方法。其中,基于纯拉格朗日的粒子法(PM)和细观离散单元理论的离散元法(DEM),因其在土体大变形领域的独特优势而得到广泛关注。针对管道沿线最常见的地质灾害和第三方扰动行为,利用光滑粒子流体动力学(SPH)分析土质滑坡大变形、黏性泥石流冲刷下管道的受力变形特征,获取管道受土中近场爆炸冲击下的动态响应规律,精确模拟了爆炸土中成腔、土体层裂、压缩等现象,联合离散元法中的颗粒流软件(PFC)与三维有限差分程序(FLAC 3D)再现挖机多铲掘进下土体的运移过程,得到管体的载荷累积效应。多次实践表明:以SPH为代表的粒子法和以PFC为代表的离散元法均能较好解决管土耦合分析中土体的非线性大变形问题,引入流体动力学手段,达到了土体变形研究方法多元化的目的,为进一步研究土中多物理场耦合响应机理奠定了基础。