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。     

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。     

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。     

逆断层作用下埋地管线对周围土体的影响区域分析

在穿越断层埋地管线原位足尺试验的基础上,借助于有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,并将有限元分析结果和试验分析结果进行对比以确定建立模型的正确性。利用有限元模型对试验工况进行补充分析,通过对逆断层作用下管道和周围土体的反应模拟结果确定地震中管道变形对周围土体的影响区域。分析对影响区域可能造成影响的各个参数,从管径、管道埋深、断层面倾角、位错量、土体刚度5个方面研究了其变化对影响区域可能造成的影响。     

基于非饱和土渗流理论的尾矿库流固耦合分析

基于非饱和土渗流理论,针对某上游法尾矿库工程地质、水文地质条件以及库内尾矿的物理力学性能试验成果,建立了尾矿库三维有限元模型,研究了尾矿的土-水交互特征曲线,分析了尾矿库的渗流场、应力场以及流固耦合效应,总结出了上游法尾矿库流固耦合计算规律。结果表明:(1)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库堆积坝内浸润线平均埋深更符合实际、更趋合理;(2)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内正孔隙水压力更大,而考虑流固耦合作用时尾矿库内负孔隙水压力则更小;(3)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内最大Von-Mises应力和最大切应力均更小;(4)连续流固耦合只需耦合计算1次,完全流固耦合则需多次耦合计算,完全流固耦合作用时的计算精度随耦合计算次数增加而趋于精确,尾矿库流固耦合分析宜采用完全流固耦合分析方法。     

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。     

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。     

滨海高水位下渗透性风化岩的损伤模型研究

滨海地区风化岩层中高地下水位对地下工程的影响是长期被关注的热点问题。从岩土材料应力-渗流-损伤完全耦合作用下的弹塑性特点出发,提出一种适用于风化岩层的流固耦合弹塑性损伤本构模型。考虑岩土材料抗拉性能和抗压性能的差异,选取修正的Mohr-Coulomb破坏准则作为岩土介质的塑性理论模型,采用有效应力空间进行应力-应变计算,把塑性计算与损伤计算进行解耦,并对有效应力进行谱分解,分析了拉、压不同状态应力下岩土体材料损伤演化的不同规律,利用得到的应力、应变和损伤变量,与介质的渗流参数建立相应的关系,实现了应力-渗流-损伤的完全耦合。此外,基于Abaqus软件平台及回映算法编制了相应的非线性程序,结合算例将所得计算结果进行了系统分析,初步验证了该理论的可靠与合理性。研究成果可为滨海城市中深基坑开挖诱发地层渗透破坏等灾害的控制提供理论依据。     

分块降阶模型及其在风与膜结构流固耦合计算中的应用

提出一种分块降阶模型,将流固耦合体系看成由力模型和结构动力模型构成,力模型中作用于结构上的力由力幅和频率信号构成,考虑膜结构的非线性,对模型进行了非线性校正。校正时采用本征正交分解方法,对每一个模态利用其时间系数进行比例调整;最后将力模型输出结果输入到结构动力模型中,计算得到膜结构的风振响应。将降阶模型应用于风与膜结构的流固耦合分析中,计算得到膜结构风压系数、风振响应等参数,并与全阶模型进行了对比。结果表明,降阶模型可以准确预测膜结构的风致响应和风压系数,且计算效率大大提高。     

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。     

地下管线工程地震破坏等级划分标准

简要介绍了地下管线工程的地震破坏特点及类型，搜集整理了国内外地下管线工程地震破坏等级划分标准方面的有关标准、规定，对不同标准、规定进行了评述，在此基础上，以整个管网系统为评定对象，主要考虑管段破坏程度和单位长度管线破坏处数两个因素，将管网系统地震破坏细划为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏5个等级，给出了一套新的地下管线工程地震破坏等级划分标准。     

地震荷载作用下埋地玻璃钢夹砂管的动力响应分析

玻璃钢夹砂管在土木水利工程领域得到了愈来愈广泛的应用,但现有的埋地管道地震响应分析模型大多不考虑管-土动力相互作用,且多针对均质材料管道,无法应用于具有明显层状复合材料结构特征的玻璃钢夹砂管。基于玻璃钢夹砂管的层状复合材料结构特征,建立了完整的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型,在数值分析模型中,考虑了管-土间复杂的动力相互作用,以及地震散射波从有限域向无限域的传播。算例分析表明,所建立的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型可合理地分析埋地玻璃钢夹砂管在地震荷载作用下的动力响应。     

滨海软土中爆炸冲击对盾构隧道的影响研究∗

随着地下工程与城市管网的布设日益发展,在规划设计阶段往往需要考虑潜在发生的安全事故影响,确定安全距离。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合天津滨海新区饱和软土特点,分析了可能发生的燃气管线爆炸所产生的冲击荷载对土中埋置盾构隧道的结构安全影响。运用有限元数值模拟,得到了隧道与管线的间距—隧道结构振速峰值的曲线关系;通过对标相关规范的振速限制,得到不同燃气压力下隧道—管线的安全避让距离关系。结果表明:随着燃气管道压强的增大,隧道—管线的安全避让距离呈现先增大后平稳的趋势。结论对于爆破与防护工程设计均具有重要的参考价值。     

基于浅层地热能的寒区隧道排水沟-保温防冻可行性研究

寒区隧道冻害问题严重影响隧道的正常运营和结构安全。以西宁—成都高速铁路寒区特长隧道洞口排水沟的保温为背景,首先使用COMSOL有限元软件建立了寒区隧道水沟保温的二维分析模型,结合西宁气象数据分析洞口排水沟保温的供暖负荷;然后考虑将热交换管埋设在仰拱中利用浅层地热能,建立三维模型对隧道仰拱埋管换热器进行设计,并对埋管间距、进水温度、围岩导热系数等进行参数分析。研究结果表明,一定条件下,能源隧道可用于寒区隧道洞口排水沟的保温和防冻。     

埋地管线腐蚀模型及地震随机反应分析

埋地管线在使用过程中会出现不同程度的腐蚀现象。由于管线腐蚀受到周围土壤性质、输送介质等不确定因素的影响,其腐蚀状态会呈现随机性的特点。本文利用带吸收壁的齐次马尔可夫链理论,提出了管线腐蚀发生的离散状态模型,并根据管线腐蚀线性发展模型,推导给出了管线截面面积随时间变化的概率模型。在此基础上,利用弹性地基梁原理建立了管线地震反应的表达式,并利用M on te-C arlo随机模拟方法进行了模拟分析。实例分析表明,本文建立的腐蚀模型可以较好地模拟埋地管线的腐蚀现象,并能获得在地震激励下腐蚀管线的随机反应。     

地下管网地震反应分析模型

建立了多点地震动激励作用下的地下管网地震反应拟静力分析模型.首先建立基于有限单元模型的地下管网系统刚度方程,接着给出考虑地震动空间相关性及场地条件等诸多因素的地震动场模拟思路及管网系统地震动施加策略,最后通过解析法验证了模型的正确性.采用本文方法对一“十”字形管网进行了地震反应分析,结果表明:①管线轴向应力沿着管线长度...     

基于VB6.0的供水管网震害预测方法和软件

为了提高供水管网震害预测的效率,修订了现有供水管网震害预测模型,应用Visual Basic 6.0软件平台,开发了供水管网震害预测软件。震害预测软件提供了两方面的预测功能,分别为不同地震烈度下供水管段基于三态的破坏等级预测和供水管网基于五态的破坏等级预测。软件实现了批量供水管段及整个管网的震害预测,且可以进行管网在设定地震下的震害预测,提高了预测效率。经算例分析,验证了软件的可靠性。     

PCC桩水平承载特性足尺模型试验与数值模拟

通过进行大型模型槽足尺模型试验,根据桩身变形和桩身弯矩的试验结果,分析了水平荷载作用下现浇混凝土大直径管桩(以下简称PCC桩)的水平承载特性和桩-土共同作用性状。采用大型通用有限元软件ABAQUS对PCC桩的水平承载特性进行了数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好,并进一步探讨了PCC桩水平承载特性的主要影响因素。结果表明:表层土体的弹性模量对水平受力性状影响较大,表层土体的厚度对桩身水平位移也有较大影响,因此可以通过改良表层土体来控制桩身水平位移,以达到工程设计要求;土体强度参数对水平承载特性也有影响,尤其是内摩擦角和粘聚力较小时更为明显。     

双线盾构多因素引起地下管线的附加荷载研究

研究了地下管线与双线盾构垂直时地下管线附加荷载的分布规律。采用弹性力学Mindlin解,推导出双线盾构在掘进过程中多因素引起的土体附加应力计算公式。基于Winkler土体模型,推导出双线盾构施工中土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。算例分析结果表明:双线盾构施工中盾壳摩擦力和盾尾注浆压力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小;土体损失是引起竖向附加荷载的主要原因;随着先行、后行盾构开挖面前后距离Q的减小,后行盾构上方管线的附加荷载变化比较明显;随着先行、后行盾构轴线水平间距L的增大,x和z方向的附加荷载峰值减小。