市政埋地供水管道抗寒潮可靠度分析

为研究市政埋地供水管道抗寒潮可靠度,建立管道在气温变化影响下的结构功能函数,运用改进一次二阶矩方法计算可靠度随气温变化的情况,并以常州市某钢质供水管道为例,对影响管道可靠度的参数进行敏感性分析,最后用蒙特卡洛法进行验证。研究表明,寒潮期气温不同,供水管道的可靠度也不同,开展市政埋地供水管道设计时,考虑寒潮的影响是十分必要的;当寒潮期气温达到零下情况下,抗寒潮可靠度分析应该考虑管道的冰冻应力。管道正常工作压力下影响管道可靠度因素的顺序为屈服强度、管径、工作压力、壁厚等。     

高压输电塔倒塌对埋地管道的冲击影响

为了研究高压输电塔倒塌产生的冲击载荷对埋地管道安全性的影响,首先对输电塔几种常见的失效模式进行了分析,明确了不同失效模式下的载荷分布及简化原则,并以某输气管道与750k V高压输电线相交段为例,结合传统力学和有限元理论,建立了输电塔倒塌冲击埋地管道过程的分析模型。利用该模型,仿真模拟了输电塔冲击作用下管道的应力和应变等参数的变化规律;同时利用理论计算方法对该模型计算结果进行了比较验证。研究表明:理论计算与数值计算具有良好的吻合性,所选输电塔冲击过程中管道的强度和稳定性均通过校核,满足规范要求,不需要采取防冲击安全措施。     

断层两侧差异性土壤冻融对埋地管道力学性能影响研究

季节性冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻融循环引起的管道冻胀与融沉,不仅给管道带来附加应力与变形,而且在特定的条件下容易造成破坏,引起严重灾害。通过ABAQUS软件对跨断层埋地管道与土壤系统进行热力耦合数值模拟,建立冻融循环情况下管-土相互作用模型,分析断层两侧土壤性质相同与差异情况下管道应力分布规律。当断层两侧土质相同时,管道总应力与轴向应力在最高或最低温度下都接近于相同,但是当断层两侧土壤性质不同时,管道最大应力与最大轴向应力明显大于断层两侧土壤性质相同时的应力,且均出现在距离断层一定位置处。管道内部承压会导致相应的最大总应力和轴向应力增加,同时低温和高温时的最大应力差值变化规律改变。断层处埋地管道土壤回填时宜采用相同或者渐变的土质,否则应采取特殊的抗冻胀措施,对断层错动与断层两侧土壤性质差异同时出现时的管土作用机理与灾害预估需进一步研究。     

黏性泥石流对山区油气管道的冲击动力响应研究∗

近年来,随着人类活动引起的地质灾害和极端天气现象频发,因泥石流引发的管道失效事故及次生灾害不断发生。为掌握黏性泥石流冲击山区油气管道的动力响应规律,建立了基于有限单元法与光滑粒子流体动力学(FEM‐SPH)的山区泥石流与管道的多物理场耦合模型。通过把黏性泥石流浆体简化为非牛顿流体——宾汉流体,研究X70钢管在泥石流作用下冲击响应过程,得到了管道不同位置的位移及应力时程特征,结果表明:①将泥石流浆体简化为宾汉流体,并离散为SPH颗粒不仅可真实展示泥石流的行进过程,也能清晰地反映泥石流对管道的动力响应规律。②通过建立多物理场耦合模型来模拟黏性泥石流冲击过程,发现泥浆附带的块石将会受到浆体阻力影响,运动加速度将受到限制。③泥石流对管道产生的破坏力主要来自泥石流“龙头”产生的瞬时冲击力和块石造成的局部撞击力;在泥浆作用下,所产生的应力主要分布于管道迎冲面中心截面处和管道背冲面与山体交界处,石块作用力主要集中在撞击部位,对管道背撞面影响较小;泥石流对管道产生的冲击位移整体呈现“马鞍状”的对称分布。研究所采用的非牛顿流体模型为泥石流对建(构)筑物的冲击模拟提供了新途径,相关研究结论可为泥石流段管道的灾害防控提供理论参考。     

埋地管道-砂土横向相互作用试验及理论研究

通过埋地管道-砂土的横向相互作用试验,研究了砂土密实度、管径、埋深等对土体极限抗力的影响,初步探讨不同埋深下的管土相互作用规律。根据试验中浅埋与深埋下管周土体不同的破坏模式,分别建立了管周土体破坏简化计算模型。借鉴桩土相互作用p—y曲线方法对管周土体发生不同破坏模式时的土体极限抗力进行了理论推导,并给出分别适用于浅埋与深埋工况下的土体极限抗力计算公式。结果表明,埋地管道-砂土相互作用简化计算公式与已有试验及数值模拟结果均具有较高吻合度,验证了公式计算结果的准确性。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

泥石流作用下新型楔挡分流结构的流-固耦合动力分析

我国西部地区泥石流活动频繁,对建筑物的破坏以及人们生活带来了极大的影响。有效模拟泥石流冲击作用下结构的响应,可为研究建筑物抵抗泥石流冲击奠定基础。基于流-固耦合的基本理论,运用工程数值模拟软件ANSYS Workbench对设计的新型楔挡分流结构在泥石流冲击作用下的动力响应进行了数值模拟,并利用流体分析软件CFX对黏性泥石流流场进行了模拟,得到了泥石流速度场及压力场的大小及分布。研究表明:楔挡分流结构的楔挡角度越大,结构所受应力就越大,容易破坏。综合流速和角度的关系,得到60°的楔挡分流结构综合拦挡分流效果最佳,该结果可供泥石流拦挡工程的设计参考。     

横向通过滑坡输油气管道应变响应分析

输油气管道通过山区时不可避免地会受到滑坡灾害的威胁。为了分析管道在滑坡作用下的应变响应特点,利用ANSYS有限元分析软件建立了管道横向通过滑坡的模型,并考虑了管道与土体的相互作用。在此基础上,通过算例分析了管道轴向应变的分布特点,并分析了滑坡宽度、管道壁厚以及管道埋深对管道轴向应变的影响规律。结果表明:(1)横向滑坡作用下,管道轴向应变有沿滑坡作用中心位置呈对称分布的特点;(2)在滑坡作用中心位置、滑动区与非滑动区交界处附近的管道将会产生最大的轴向应变,是管道最为危险的截面;(3)适当增加管道壁厚和减小管道埋深可以达到降低管道应变的目的。     

含软弱夹层场地中埋地管道的地震反应特性研究∗

为了研究含软弱夹层场地中埋地管道的地震反应特性,基于管土接触模型,运用ADINA软件,采用非线性分析,研究埋深、厚度和倾角等因素对含软弱夹层场地中埋地管道地震反应的影响规律。结果表明：软弱夹层各因素对埋地管道地震动力响应产生影响不同,一定厚度和埋深条件下,软弱夹层具有隔震作用,当软弱夹层的存在增大其场地不均匀程度,则会对埋地管道地震动响应具有非常不利的影响;管道有效应力和位移随着软弱夹层厚度的增大而减小,当厚度达到一定值时,软弱夹层起到一定的缓冲作用;管道有效应力和位移随着软弱夹层埋深的增大而减小,但影响程度小于夹层厚度所产生的;软弱夹层因倾角变大增大了场地不均匀程度,导致管道有效应力和位移变大。     

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

降雨强度对泥石流起动影响的模型试验研究

利用自制小比例模型槽,采用可控降雨强度降雨模拟器,进行了人工降雨诱发泥石流的室内模型试验,研究降雨强度对泥石流起动的影响,并确定泥石流起动的临界降雨强度。基于临界降雨强度下泥石流的起动过程,对孔隙水压力和坡体内部含水率的变化规律进行了研究,并与现场试验进行了对比。运用Geodog软件对泥石流形成前坡体的位移场进行了分析,研究坡体破坏规律。研究结果表明,泥石流起动的临界降雨强度范围为43~50 mm/h。泥石流发生前存在一个孔隙水压力增加的过程,在泥石流形成后,孔隙水压力急剧下降。降雨强度影响雨水在坡体内部的渗透,是泥石流起动的主要原因。泥石流起动与坡体含水率和饱和度的变化有关,当坡体饱和度超过80%时,产生整体滑动破坏,并迅速转化为泥石流。     

非饱和土边坡三维稳定性分析方法及考例

为了同时考虑边坡的饱和状态和三维尺度,根据非饱和土Barcelona模型进行了三维有限元数值模拟,确定了非饱和土边坡的应力位移分布。结合稳定性分析理论,将吸力对强度的贡献嵌入安全系数公式中,研究了非饱和土边坡的三维稳定性分析方法,并通过标准算例边坡的稳定性分析,确定了吸力对安全系数的贡献,并证明了该方法能够很好地退化到常规稳定性分析。     

上埋式管道穿越高填方填挖结合部位的受力状态研究

以延安新区黄土高填方工程中的上埋式排水管道为原型,开展了相似比为1:2的室内试验,试验前在模型箱底部一定位置预设沉降底板模拟实际填方的工后沉降过程,在试验土体和管道中布设压力盒、位移计和应变片,以采集试验过程中的管土接触压力、管-土相对位移和管道应变等数据。研究表明,负土拱效应对管道的上部压力影响明显,竖向压力系数最大达3.4,与沉降量的关系符合三次多项式曲线,负土拱效应对管道的影响不可忽略。开挖纵向剖面后发现管道下部土层间出现明显的脱空裂缝,是管道下部管-土接触压力减小的原因。该成果为黄土高填方场地中管周土压力的计算、管道变形控制提供参考。     

三维离散单元法在泥石流堆积研究中的应用

泥石流在河道汇流部的堆积会引起主河道河床和水流的改变。为了研究泥石流的堆积与输移规律，在对传统离散单元法(DEM)进行分析的基础上，提出了适用于计算泥石流运动的三维离散单元模型，并应用该模型计算了主河在无水(或弱水流)条件下，泥石流的堆积过程与堆积扇形态。在此基础上，提出了泥石流(采用离散单元法)与主河水流(用流体力学方法)交替计算的耦合模型，模型重点考虑了堆积体与水流交界面单元格中泥沙的沉积与输移，并按单元格中的流动状态和泥沙浓度来确定泥沙的沉积与输移。运用改进后的模型计算了无水和有水流作用下的两种堆积过程，其堆积体的纵向坡面变化、堆积扇的几何形态、泥沙浓度分布等，均得到了较详细的刻画。     

考虑接头影响的综合管廊标准段地震响应分析∗

地震是造成综合管廊破坏的主要原因之一,综合管廊一旦发生破坏,其产生的后果将比传统埋地管道复杂得多。本文介绍了常见的几种综合管廊接头形式,并对不同的接头形式分别建立有限元模型,选取综合管廊标准段并考虑混凝土塑性损伤模型以及土体本构模型,利用自编程序施加黏弹性人工边界以及等效节点力对不同接头形式下管廊及内部管道进行地震响应分析。结果表明,在不同地震动强度下的最大纵向位移差,整体现浇结构的响应会高于预制拼装结构,且随着地震动强度的增加,响应的差异会进一步增大。两种接头形式下,管廊标准段在地震动作用下的损伤很小,仅在地震动峰值加速度达到0.4g及以上时会发生轻微损伤,不会影响正常使用。同一地震动作用下,小管径的管道应力水平会小于大管径的管道应力水平。同时采用橡胶止水带和预应力钢筋的接头形式会比仅采用橡胶止水带的接头形式更有利于降低廊内管道的应力水平。考虑到采用预应力钢筋连接的预制拼装结构会进一步提高廊内管道的安全水平,因此,在成本允许的情况下,不仅要考虑接头的防水,还应该采用预应力筋对相邻节段连接,进一步提升综合管廊的抗震性能。     

大气作用下膨胀土地基的水分迁移与胀缩变形分析

运用土体渗流和蒸发理论,建立了大气-非饱和土相互作用模型;以现场观测的气象数据作为边界条件,进行了地基土中水分迁移的数值模拟,得到了大气作用下地基土体含水量的动态分布规律.计算结果表明,地基土中含水量变化幅度随深度增加而递减,3.5m深度以下土体的体积含水量基本不变,从而确定了南宁地区膨胀土地基的大气影响层深度为3.5...     

土体强度分区各向异性对边坡稳定性影响研究

土体强度各向异性的空间分布会随边坡受力状态变化出现一定程度的重新调整。文中以石人足成层土边坡工程为研究对象,首先,根据土体最大主应力方向角以及土层几何特征进行初始分区划分,并结合数值分析结果确立各向异性强度参数方程,计算各分区土体强度参数;其次,根据计算结果对初始分区进行即时调整,确定调整后的耦合分区并再次计算其土体强度参数;最后,考虑土体强度各向同性和分区各向异性,建立了流固耦合数值计算模型,研究了边坡体渗流、位移和应力的演化特点,确定了加固前后边坡稳定性系数,分析了该边坡工程采用挡土墙和抗滑桩联合加固的效果。结果表明：考虑分区各向异性计算所得边坡平均应力最大值大于各向同性,但其渗流域和流速均小于后者;考虑分区各向异性时,坡体位移理论计算结果与现场监测结果更吻合。     

穿越断层埋地管线反应数值模拟——建模中的几个具体问题

讨论了地震断层作用下埋地管道有限元分析模型的几个具体问题。建议将穿越断层的埋地管道反应数值模拟问题分解为两个步骤,它们分别是基岩运动作用下覆盖土层的反应分析(步骤A)和断层引起的地面永久变形作用下埋地管道的反应分析(步骤B)。在后者的分析中,取出埋地管道与周围土体建立管土体系模型,并将管道和土体分别模拟为薄壁型空间结构和实体均匀介质,管道、土体及管土间的接触均采用有限元技术建模和分析。对于管土体系有限元模型中涉及到的一些问题,如力学分析模式、计算域的确定、断层运动的施加、管道与土体本构模型的选择、管土接触问题的处理、管土体系初始应力场的确定、管道破坏模式及判断准则等进行了简要分析和讨论。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

中国山区沟谷泥石流危险度的定量判定法

本文根据专家系统调查,确定了一次泥石流冲出物最大方量和泥石流暴发频率作为判定泥石流危险度的主要危险因子。运用灰色关联度分析,优选出10项判定泥石流危险度的次要危险因子,并根据关联序确定了它们的权重。在各危险因子等级划分的基础上,得出了泥石流危险度的定量计算公式。通过实例检验,证明该判定方法具有60％以上的可靠度。