機(jī)械沖擊荷載對鄰近埋地管道的影響及控制研究.pdf

1、埋地管道作為物流輸送的一種有效手段，與現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的關(guān)系越來越密切。隨著公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建，由機(jī)械施工產(chǎn)生的沖擊荷載必然對鄰近埋地管道周圍的地層產(chǎn)生擾動(dòng)，給埋地管道的正常使用和安全運(yùn)行帶來不利影響。而油氣管道一旦發(fā)生運(yùn)行事故（破裂、爆管或滲漏），除了管道系統(tǒng)自身損壞造成的直接損失外，還有可能引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，造成土壤和地下水的污染，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，危及社會(huì)生產(chǎn)與生活安全。因此，為保障管道的安全，

2、也為工程建設(shè)順利進(jìn)行，研究機(jī)械沖擊荷載對埋地管道的影響及控制已成為當(dāng)前巖土工程界和管道安全保護(hù)亟待解決的一項(xiàng)重要課題。
　　有鑒于此，本文借助于理論分析、有限元數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)對機(jī)械沖擊荷載作用下埋地管道的受力性狀進(jìn)行了綜合研究，以此評(píng)估和控制施工振動(dòng)對鄰近埋地管道的影響。主要開展了如下幾方面的研究工作:
　　(1)對沖擊荷載作了定性和定量描述，建立沖擊物理模型，對運(yùn)動(dòng)方程求解推導(dǎo)了沖擊荷載的數(shù)學(xué)表達(dá)式;基于波動(dòng)理論，分析

3、了沖擊型點(diǎn)振源產(chǎn)生的振動(dòng)波在巖土體中的傳播特性，并給出了估算振動(dòng)波影響范圍的方法。結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，得到了存在衰減的粘彈性介質(zhì)中振動(dòng)波的傳播規(guī)律。
　　(2)對埋地管道受力的現(xiàn)行計(jì)算理論和方法進(jìn)行了闡述，評(píng)述了現(xiàn)行管土相互作用理論分析模型的不足。在考慮管土接觸面變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，采用應(yīng)力函數(shù)法推導(dǎo)了埋地管道管周土壓力的彈性解，建立了管周應(yīng)力與管道截面剛度之間的解析關(guān)系，為管道受力計(jì)算提供了一種新的途徑。
　　(3)在對

4、埋地管道受力分析的基礎(chǔ)上，從理論上分析了沖擊荷載對埋地管道的作用。基于Boussinesq方程，建立了埋地管道在地表沖擊荷載作用下的受力表達(dá)式;基于Mindlin計(jì)算模型和無限梁彈性地基模型，建立了樁孔內(nèi)沖擊時(shí)沖擊荷載作用下埋地管道的受力計(jì)算公式;基于單位脈沖δ函數(shù)屬性及傅里葉級(jí)數(shù)，建立沖擊荷載作用下埋地管道的Eular-Bernoulli地基梁分析模型，求解了沖擊荷載下埋地管道的動(dòng)力響應(yīng)。為橋梁樁基施工振動(dòng)對埋地管道的影響分析提供理論

5、支持。
　　(4)建立三維管土非線性接觸有限元計(jì)算模型，分別從振源位置變化、管道埋深、沖擊能量、管道與振源間距等方面分析了埋地管道在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并對影響因素作了參數(shù)敏感性分析;通過數(shù)值計(jì)算，著重論述了地表振動(dòng)速度與管道變形的關(guān)系;針對沖擊荷載的周期循環(huán)特性，對埋地管道的累積效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算和分析。
　　(5)開展現(xiàn)場微震試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析了施工振動(dòng)特性及對鄰近埋地管道的影響，將其結(jié)果與相應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比

6、較;并通過沖擊振源的定位分析，得出了振動(dòng)影響范圍，為橋梁樁基施工振動(dòng)研究提出了一種新的手段和方法。
　　(6)在數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對橋梁樁基沖擊鉆孔施工振動(dòng)可接受控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。通過對相關(guān)規(guī)范的深入剖析，結(jié)合管道承受振動(dòng)荷載能力的計(jì)算，以此提出了鄰近埋地管道沖擊鉆孔施工振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，并從主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩個(gè)方面系統(tǒng)總結(jié)了管道的保護(hù)和控制措施，在工程實(shí)際應(yīng)用中取得了較好成效。研究成果可以直接應(yīng)用于相近工程，研究方法