深埋隧道大超挖围岩力学响应分析

隧道爆破开挖过程中的超欠挖问题是隧道工程中普遍存在的现象,大超挖问题严重影响了隧道工程的造价投资及安全使用。本文以某隧道工程为例,利用数值模拟的方法,研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。研究表明,在不同埋深条件下,围岩最小等效应力出现在拱顶位置,最大等效应力出现在拱脚位置。隧道拱顶位置的变形量最大,拱脚位置的变形量最小。相同超挖厚度对应的等效应力值随隧道埋深的增加而增大;相同位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。另外,超挖厚度对围岩的力学响应影响较小,隧道埋深对围岩等效应力的影响较大。本研究成果可为同类工程提供借鉴。     

土体塌陷下各参数对埋地管线的影响

土体塌陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一。到目前为止, 国内外对塌陷区埋地管线反应的有限元分析甚少。为分析土体塌陷对埋地管线的影响,通过ANSYS有限元分析软件,建立管土模型,通过设置不同参数,如塌陷范围、埋深、管壁厚度,得出埋地管线在塌陷情况下的挠曲变形和轴向应力曲线。得出在土体塌陷下,增加壁厚和减少埋深均可减小埋地管道的破坏,同时得到埋地管道受力最大的位置在塌陷与非塌陷区交界处,因此应选此处为控制截面。设计中,应避免在控制界面附近设置接头。     

Pasternak地基降水对邻近管线影响的解析研究

基于Pasternak弹性地基梁理论,结合土的有效应力原理和Dupuit假设,推导了砂土地层单井降水引起邻近管线变形的解析解.算例解析计算结果与抽水试验及数值模拟结果吻合较好,验证了其准确性,在此基础上深入分析了管线受力变形的影响参数.结果表明:研究管-土相互作用时,土中剪力的影响不应被忽略,管线变形范围与降水影响半径大致相等.降水深度、管线与降水井距离对管线变形及受力有较大影响,且存在临界降深,使得管线变形及受力发生较大转变.到达临界降深前,管线变形和弯矩最大值位于管线中心,随降深增大而增大.超过临界降深后,管线弯矩最大值会随降深增大由管线中心向外偏移,出现两个弯矩峰值,位于水位线与管线相交处.研究成果可为相关工程的管线防护提供参考.     

穿越正断层埋地管线的破坏模式分析

在正断层引起的地面永久性大变形作用下,埋地管线可能会发生拉伸、剪切等形式的强度破坏,亦可能在局部受压区发生屈曲破坏。利用ABAQUS 有限元分析软件,建立穿越正断层埋地管线的空间有限元分析模型,采用非线性接触分析方法模拟正断层引起的地表永久性大变形作用下管线—土体间的相互作用,分析了不同管径、跨越角对管线破坏模式的影响。依据算例分析可知：小口径埋地管线易发生拉伸强度破坏,大口径薄壁管线易发生屈曲失效,口径0．65 m 是管线从发生强度破坏到发生屈曲破坏的临界值;当跨越角大于90°时,角度越大越易发生屈曲失效,跨越角为100°是埋地管线发生强度破坏与屈曲失效的分界点。     

地铁隧道开挖中地下管线的内力和变形分析

以Winkler弹性地基梁理论为基础,针对地铁开挖过程中地下管线的受力作用和变形作用进行分析,并在考虑地基扩散作用影响下构建地下管线挠度位移、转角、弯矩和剪力的表达式,定量分析地基扩散角与埋深对地下管线变形的影响.经理论分析证明:地下管线最大挠度出现在沉陷区域中间,沉陷区两端边缘处集中了最大弯矩和剪力,地基扩散角与管线的埋置深度均对管线最大挠度有重要影响.     

相变对两相区连续退火带钢温度和屈曲变形的影响

以低碳铝镇静钢对研究对象,利用有限元数值模拟方法,分别对连退炉内加热段和缓冷段中带钢相变对带钢温度分布和带钢屈曲变形的影响进行研究。研究结果表明:对于在两相区进行连续退火热处理的钢种,在加热段,相变能有效抑制由带钢热应力引起的横向诱导压应力的增大,并且降低带钢温度和横向温差,从而抑制带钢发生屈曲变形,在760~820℃退火时,相变对带钢屈曲变形的抑制作用随着退火温度的升高先增大再减小;在缓冷段,相变减弱了带钢热应力减小横向诱导压应力的作用,并且升高带钢温度,从而使带钢容易发生屈曲变形;退火温度越高,发生相变的带钢越容易屈曲变形。     

卧式埋地储罐稳定性研究

埋地卧式储罐受力条件复杂,其应力和变形较难计算。根据储罐实际受力特点,建立储罐稳定性的有限元计算模型。采用非线性径向力和切向力描述给定埋深储罐的覆土压力,利用ANSYS软件对储罐模型进行屈曲分析。将屈曲特征值作为储罐埋深迭代系数,计算新的储罐埋深,重新进行屈曲分析。结果表明:新储罐失稳临界埋深计算方法可用于对储罐模型进行屈曲分析,多次迭代后屈曲特征值接近1,此时对应的埋深即储罐失稳临界埋深。在储罐结构上设置加强圈可大幅提升埋地储罐的稳定性,为储罐埋深设计提供充足的安全裕量。     

隧道开挖对既有管线沉降的影响

隧道施工使周边管线的附加应力及变形加大,严重影响管线安全,而管线监测通常落后于施工,只有正确地预估管线沉降和沉降规律才能保证施工安全。针对这一问题,采用ANSYS分析软件,考虑管土之间的相互作用,模拟隧道台阶法施工的实际过程,探讨隧道浅埋暗挖施工对管线的影响,分析其沉降规律,并与实测值对比,研究管线直径、埋深、材质、埋置年代等对其沉降的影响规律。研究结果表明:模拟值略小于实测值,但沉降规律一致,地下水的损失以及地面荷载都将加大管线沉降;管线的最大沉降与管线直径大致成正比关系;埋深对管线变形的影响较大,近地面处随埋深的加大管线沉降加大,靠近管线处随埋深的加大沉降减小;不同材质管线的沉降从大到小依次是PVC管、混凝土管、铸铁管、钢管;壁厚对管线的影响不大。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

金棕苑工程裂缝问题的分析研究

根据已建工程发生裂缝的特征，采用排除法的方式，对施工、材料、混凝土收缩徐变、受力、地基、设计、温度等对工程有影响的问题进行了分析和研究，重点对温度变形作了理论计算，对温度变形差引起的内力进行了分析，得出是因室内外温差引起的线膨胀值不同而导致规律性裂缝问题的发生，为工程的安全使用提供了理论依据．     

逆断层作用下埋地管道局部屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道的局部压溃和起皱行为,以黄土地层埋地管道为例,建立了管土耦合数值计算模型,分析了逆断层作用下埋地管道的变形及局部屈曲过程,研究了内压、径厚比及地层位错量对管道局部屈曲模式的影响规律。结果表明,随着地层位错量增大,断层面两侧管道出现应力集中,并逐渐演化为局部屈曲,埋地管道变形曲线由S形变为Z形,断层面两侧的管道变形并非呈对称或反对称分布,上盘区的管道屈曲现象较下盘区更为严重;地层位错量大于3倍管径时,管道轴向应变迅速增大;无压管道和低压管道的局部屈曲模式为压溃,而随着内压的增大,管壁屈曲模式由压溃变为起皱,且管道起皱幅度随着内压的增大而增大;上盘区管段屈曲部位与断层面之间距离受内压、径厚比影响较小,而压溃模式下下盘区屈曲部位与断层面之间的距离随着内压的增大而减小,起皱模式下二者之间的距离随着内压的增大而增大;不同地层位错量作用下,管道最大轴向应变随径厚比的变化呈现出不同变化规律。     

滑坡对纵向埋地管道的变形特征与减灾对策研究

纵向布置作为埋地管道跨越山区地形的主要方式之一,滑坡对其致灾模式与横向布置埋地管道存在显著差异,横向布置埋地管道的变形机制和减灾对策并不适用于纵向布置的埋地管道。本文采用ABAQUS有限元软件研究埋地管道承载纵向滑坡作用的变形破坏规律,分析滑坡几何形态对管道变形破坏规律的影响,探讨改变管道径厚比、埋深、内压值对减小埋地管道受滑坡作用变形破坏的效果。研究结果表明：①埋地管道遭受滑坡作用最大的应变发生在滑坡坡脚管段;②埋地管道应变随滑坡坡度、厚度、长度增大而增大,其中滑坡厚度对管道遭受滑坡作用变形破坏影响程度最大,其次是滑坡长度,最后是滑坡坡度;③减小管道径厚比、埋深、内压都能有效增强管道的抗灾能力,从管道施工难易程度、成本、减灾效果以及运营管理四个方面考虑,最佳方案是减小管道的径厚比,其次是改变管道内压,最后是改变管道的埋深。     

地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响

为了分析地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响,采用ANSYS workbench有限元软件建立了堆载-土壤-管道应力状态分析三维模型,采用堆载体直接加载在地基土壤上,分析管道在堆载下的承载能力响应,采用理论计算验证了模型的可行性,分别探讨了堆载高度、管道埋深、堆载距离、管径、壁厚和土壤泊松比因素对管道承载能力的影响。结果表明,堆载下管道应力最大出现在堆载下方,并且向管道两边递减,堆载范围内的承载能力明显减弱。堆载高度和堆载距离对管道承载能力的影响最大,堆载距离的微小改变可以明显提高管道的承载能力,堆载高度的增加同时又导致管道承载能力减弱,通过堆载高度和堆载距离的变化规律可以用来判断,在管道极限承载能力范围内,不同堆载位置下的极限堆载高度。在一定堆载高度下,管道存在一个临界埋深,此时管道承载能力最大。管径、壁厚和土壤性质对管道承载能力有影响但较小。通过本文的研究可以为判断高后果区埋地管道占压下安全状态提供指导。     

寒区油气集输管道合适埋深数值计算

油气集输管道的敷设深度直接影响管道的建设成本,对管道的安全平稳运行也起重要作用.考虑寒区土壤的初始温度周期性变化、地表不同日平均温度以及是否冻结等因素,建立数学模型,并采用有限单元法对多种埋设深度的集输管道土壤温度场进行数值计算.实例计算表明:0.8 m是寒区较合适的管道埋设深度.当大气温度升高时,可适当减小集输管道的埋深,以节省建设成本.在集输管道运行管理计算分析时,可以不考虑冻结及非冻结状态物性对土壤自然温度场的影响,将土壤看作常物性.该模型可为寒区油气集输管道的敷设提供一定的理论依据.     

采坑区冲沟演变影响下管道埋深预测

管道埋深是水毁灾害风险评价、防治决策的关键指标之一。基于洪积扇采坑区冲沟发育特征、几何形态及其对油气管道的影响方式,将冲沟演变过程简化为溯源侵蚀和沟床回淤两个阶段,在此基础上构建管道埋深预测模型。利用15处水毁点管道埋深实测值对模型预测值进行验证,偏差小于15%的比例达73%,预测结果基本可信。模型中管道埋深与冲刷比降、回淤比降、设计埋深、水平距离、沉积厚度呈线性正相关,与采坑深度、原始坡面坡降、采坑边坡坡降呈负相关。该模型能快速预测出不同沟床比降下的管道埋深,可为采坑区穿越段管道风险评价、灾害防治、选线等提供技术支撑。     

埋深对平坦地区天然气管道泄漏的影响研究

针对三维埋地输气管道泄漏扩散问题,对不同埋深的平坦地区天然气管道泄漏情况进行数值模拟。根据单一
变量原则在相同气候条件下,对于不同工况只针对埋深作为单一变量,对忽略埋深的准确性进行论证,并分别研究了
埋深为1.4 m 和2.0 m 工况埋深对地下、地表、和空气中泄漏的影响。研究结果表明：埋深对泄漏的影响非常大,忽略
埋深的工况与埋深为1.4 m 和2.0 m 的工况相比所得出的各项结果都有很大的误差,忽略埋深是不准确的。埋深与扩
散范围、泄漏速度、质量分数、高浓度范围成反比,埋深越小扩散范围、泄漏速度、质量分数、高浓度范围越大。     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

饱和含水土壤埋地原油管道冬季停输温降

建立了饱和含水土壤埋地原油管道在低于冰点环境温度下的停输流动和传热模型，该模型不仅考虑土壤水分结冰和管内原油凝固相变过程与初始温度场和流场的影响，而且考虑了水分在土壤多孔介质中和管内原油的自然对流。通过数值模拟，获得了停输期间温度场、流场以及土壤水分结冰界面和管道中原油凝固界面的分布情况。结果表明，停输期间越靠近管壁正上方的土壤，其温度梯度越大；受温度分布的影响，土壤水分和管内原油产生沿y轴对称线自下而上的自然对流；土壤水分结冰界面和管道中原油凝固界面随停输时间向埋深方向推进，管道顶部土壤中的结冰界面推进速度较远离管道土壤中的结冰界面缓慢，管内原油凝固界面也向埋深方向偏移。     

埋地管线在沉陷情况下的可靠性分析

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一.目前,有关埋地管线在沉陷情况下的可靠性研究甚少,为了研究埋地管线在沉陷大位移下的可靠度,运用蒙特卡罗法对埋地管线在地面沉陷位移、材料性能参数、内压等随机变量下的可靠度进行计算.同时通过对变量的敏感性分析,发现地面沉陷位移、管线的直径、厚度及管线内压的变异性对计算结果影响较大.增加地面沉陷位移和管线内压将导致管线应力的增加,降低了管线的可靠度,失效概率增大;而增大管线的直径和壁厚将导致管线应力减小,提高了管线的可靠度,失效概率减小.因此减少地面沉陷位移,降低管线内压,增大管线的直径和壁厚有助于提高埋地输油钢管的可靠度.