机械冲击荷载对邻近埋地管道的影响及控制研究

摘要

埋地管道作为物流输送的一种有效手段，与现代工农业生产和人民生活的关系越来越密切。随着公路、铁路等基础设施的大量修建，由机械施工产生的冲击荷载必然对邻近埋地管道周围的地层产生扰动，给埋地管道的正常使用和安全运行带来不利影响。而油气管道一旦发生运行事故（破裂、爆管或渗漏），除了管道系统自身损坏造成的直接损失外，还有可能引发严重的次生灾害，造成土壤和地下水的污染，导致巨大的经济损失甚至人员伤亡，危及社会生产与生活安全。因此，为保障管道的安全，也为工程建设顺利进行，研究机械冲击荷载对埋地管道的影响及控制已成为当前岩土工程界和管道安全保护亟待解决的一项重要课题。
　　有鉴于此，本文借助于理论分析、有限元数值计算和现场试验对机械冲击荷载作用下埋地管道的受力性状进行了综合研究，以此评估和控制施工振动对邻近埋地管道的影响。主要开展了如下几方面的研究工作:
　　(1)对冲击荷载作了定性和定量描述，建立冲击物理模型，对运动方程求解推导了冲击荷载的数学表达式;基于波动理论，分析了冲击型点振源产生的振动波在岩土体中的传播特性，并给出了估算振动波影响范围的方法。结合理论分析和数值模拟，得到了存在衰减的粘弹性介质中振动波的传播规律。
　　(2)对埋地管道受力的现行计算理论和方法进行了阐述，评述了现行管土相互作用理论分析模型的不足。在考虑管土接触面变形协调的基础上，采用应力函数法推导了埋地管道管周土压力的弹性解，建立了管周应力与管道截面刚度之间的解析关系，为管道受力计算提供了一种新的途径。
　　(3)在对埋地管道受力分析的基础上，从理论上分析了冲击荷载对埋地管道的作用。基于Boussinesq方程，建立了埋地管道在地表冲击荷载作用下的受力表达式;基于Mindlin计算模型和无限梁弹性地基模型，建立了桩孔内冲击时冲击荷载作用下埋地管道的受力计算公式;基于单位脉冲δ函数属性及傅里叶级数，建立冲击荷载作用下埋地管道的Eular-Bernoulli地基梁分析模型，求解了冲击荷载下埋地管道的动力响应。为桥梁桩基施工振动对埋地管道的影响分析提供理论支持。
　　(4)建立三维管土非线性接触有限元计算模型，分别从振源位置变化、管道埋深、冲击能量、管道与振源间距等方面分析了埋地管道在冲击荷载作用下的动力响应，并对影响因素作了参数敏感性分析;通过数值计算，着重论述了地表振动速度与管道变形的关系;针对冲击荷载的周期循环特性，对埋地管道的累积效应进行了相应计算和分析。
　　(5)开展现场微震试验，通过试验分析了施工振动特性及对邻近埋地管道的影响，将其结果与相应数值计算结果进行了比较;并通过冲击振源的定位分析，得出了振动影响范围，为桥梁桩基施工振动研究提出了一种新的手段和方法。
　　(6)在数值计算和现场试验的基础上，对桥梁桩基冲击钻孔施工振动可接受控制标准进行了探讨。通过对相关规范的深入剖析，结合管道承受振动荷载能力的计算，以此提出了邻近埋地管道冲击钻孔施工振动的控制标准，并从主动控制和被动控制两个方面系统总结了管道的保护和控制措施，在工程实际应用中取得了较好成效。研究成果可以直接应用于相近工程，研究方法为开展类似工程和研究提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状及存在的问题

1．2．1 埋地管道土压力及管土相互作用研究

1．2．2 埋地管道动力响应研究

1．2．3 非爆破振动安全评估研究

1．3 本文的研究内容

第二章 冲孔桩施工冲击荷载特性及振动波在土体中的传播

2．1 引言

2．2 冲孔桩施工冲击荷载特性及其分析模型

2．2．1 冲击荷载特性

2．2．2 冲击荷载的数学表达

2．3 冲击引起的振动波在土体中的传播理论

2．3．1 振动波概述

2．3．2 波动方程

2．3．3 振动波的衰减

2．3．4 振动波的影响范围

2．4 振动波传播的数值模拟

2．5 本章小结

第三章 埋地管道受力与管土相互作用分析

3．1 引言

3．2 埋地管道受力计算理论和方法

3．2．1 管道表面附加荷载分布

3．2．2 埋地管道竖向土压力计算方法

3．3 管-土相互作用分析模型

3．3．1 弹性模型

3．3．2 弹塑性模型

3．3．3 接触面模型

3．4 管土相互作用计算的弹性解

3．4．1 计算模型与基本方程

3．4．2 边界条件与系数的确定

3．4．3 管周应力分布简化

3．4．4 算例分析

3．5 冲击荷载对埋地管道的作用

3．5．1 地表冲击

3．5．2 桩孔内冲击

3．5．3 算例分析

3．6 埋地管道的振动分析模型

3．6．1 数学模型建立

3．6．2 荷载函数的建立

3．6．3 振动控制微分方程的不解

3．7 本章小结

第四章 冲击荷载作用下埋地管道的动力响应分析

4．1 引言

4．2 动力有限元分析方法

4．2．1 动力有限元方程

4．2．2 接触问题的描述

4．2．3 基于LS-DYNA程序的接触碰撞处理

4．3 计算模型建立及参数选取

4．3．1 计算模型建立

4．3．2 冲击振源模拟

4．3．3 材料参数及相关计算条件设置

4．3．4 计算模型的校验

4．4 土体动力响应分析

4．4．1 土体应力

4．4．2 地表振速的变化

4．5 埋地管道动力响应分析

4．5．1 冲击振源位置变化的作用

4．5．2 埋深对管道的影响

4．5．3 冲击能量对管道的影响

4．5．4 管道与振源水平间距对管道的影响

4．5．5 对管道影响的参数敏感性分析

4．6 地表振速与管道变形的关系

4．6．1 振动引起管道应变的计算

4．6．2 管道上方地表振速变化规律

4．7 埋地管道的累积效应分析

4．8 本章小结

第五章 冲孔桩施工振动对埋地管道影响的微地震监测与分析

5．1 引言

5．2 微地震监测研究

5．2．1 微地震研究概况

5．2．2 现场试验布置

5．2．3 信号采集

5．3 试验数据处理与分析

5．3．1 振动特性及对埋地管道的影响分析

5．3．2 冲击破裂区范围的确定

5．4 本章小结

第六章 冲孔桩施工振动对邻近埋地管道影响的控制体系

6．1 引言

6．2 冲孔桩施工振动可接受控制标准的探讨

6．2．1 对相关规范的剖析及非爆破振动安全判据的确定

6．2．2 管道承受振动荷载的容许能力计算

6．2．3 邻近埋地管道冲孔桩施工振动控制标准的选取

6．3 冲孔桩邻近埋地管道施工的控制保护措施

6．3．1 施工主动控制措施

6．3．2 管道被动防护措施

6．4 张石高速桥梁桩基施工对管道影响的控制措施

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要研究成果

7．2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目