河浜管道管土相互作用及差异沉降分析

基于ABAQUS有限元软件建立并验证了考虑河浜与非河浜地基接触、管土接触的交通荷载-土基结构-埋地管道三维有限元模型.利用该模型分析了埋地管道在不同地基处理方案下的管道竖向土压力、侧向土压力及管道内部应力,并采用分层总和法与有限元相结合的方法计算河浜地区管道存在情况下土基顶面差异沉降,结果表明,在交通荷载作用下,管道结构最大土压力出现在管顶、管侧及管底位置;交通荷载和土体自重荷载引起的管道Mises应力不容忽视,在河浜土基不处理的情况下,其最大值达4.887 MPa;在管顶(底)处存在由于管土相对刚度差异带来的土压力集中现象,其值分别是天然土基同等深处的土压力的2.61和2.99倍,分层总和法无法考虑管土相互作用导致的结果失真,有限元和分层总和法相结合的计算结果与实际情况较为吻合.     

碎石桩单桩受荷模型试验的离散单元法数值模拟

为了克服连续介质模型无法有效反映碎石散体特性的缺陷,将碎石桩视为凸多边形离散块体集合,桩周软土视为理想弹塑性材料,采用二维离散单元与有限差分耦合数值方法建立了软土地基中碎石桩单桩竖向受荷模型,对碎石桩单桩受荷变形破坏及桩土相互作用全过程进行了模拟,通过荷载-沉降曲线、桩体及土体变形场应力场讨论了碎石桩单桩承载破坏机制.数值模拟结果与室内模型试验实测的荷载-沉降曲线、桩体鼓胀变形吻合良好,验证了本文数值模型的合理性.利用离散单元法建立的碎石桩模型无需复杂的本构模型假设便能较好地反映其鼓胀变形和失稳特性,同时讨论了模型的不足与有待进一步研究的问题.     

车辆荷载作用下埋地管道动力响应分析

铺设在农田、荒地的埋地管道容易受地面车辆荷载的影响,管道在其作用下一旦达到强度极限就会产生安全问题。本文建立车-管-土耦合模型,分析车辆荷载作用下埋地管道的动力响应,得到不同时刻埋地管道的应力分布规律。再建立管道减荷有限元模型,分析不同轮压下承压板宽度对管道减荷的效果,得到管道中部等效应力与承压板宽度的对应关系。结果表明：埋地管道任一点处的力学响应与车辆荷载作用点的距离成负相关,承压板宽度与其对埋地管道的减荷效果成正相关,不同宽度的承压板存在承载力极限。该研究结果为车辆荷载作用下埋地管道的减荷提供了参考依据。     

含管黄土渗流变形规律模拟研究

黄土地区油气长输管道管沟回填土及附近区域中发育有洞穴灾害,对管道安全的威胁日益严重.尽管原状黄土、公路与铁路路堤中黄土洞穴的成因机理研究较多,但对含管黄土的渗透变形及洞穴灾害研究却较为匮乏.文章在厘清含管黄土渗流变形流固耦合方程的基础上,构建由原状土、回填土与管道组成的含管黄土渗流变形计算模型.利用Ansys Workbench中Fluent和Transient Structural耦合求解,模拟分析含管黄土中雨水渗流和土体变形规律.结果表明:约3 m宽的管沟回填黄土的渗流速度和变形量明显大于原状土;入口流速、回填土孔隙率与密度的增加均会以不同方式加快管沟回填黄土的渗流变形,进而加速管周黄土洞穴的形成与发展;微地貌起伏汇水区、管沟回填土、原状土与回填土的接触面是管周黄土洞穴灾害易发区.研究结果对揭示管周黄土洞穴成因机理有重要的理论意义,为管周黄土洞穴灾害防治提供参考.     

埋地管道静载试验水平边界约束影响的数值分析

基于模型试验结果,通过有限元数值模拟软件研究静载作用下模型尺寸对埋地管道力学性能与形变性能的影响.数值分析结果表明:模型箱水平边界在距管壁20D以内变化时,随着模型尺寸逐渐增大,土体极限承载力不断增加,并且相同荷载水平下加载板沉降与管道径向变形比也随之变大,而管周土压力、管周径向和环向应力均随之减小,边界对管道的约束作用逐渐减弱;模型尺寸不同时,管道径向变形比在加载过程中的变化规律差异明显;地表静载作用下,管道以环向受压为主,并且由于管顶产生土拱效应,管周土压力中管侧处最大,管顶处次之,管底处最小;当模型箱外壁水平向扩展超出20D时,管道上方土体承载力、管道受力和形变规律基本一致.表明为减少或消除水平边界效应,模型箱外壁水平向扩展边界选20D为宜.     

埋地管线-土体相互作用分析计算区域的选取

将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中共同取出,建立了管土相互作用分析模型,采用有限元技术分析地面永久变形下埋地管线与周围土体的反应和相互影响,以确定有限元分析中计算区域的范围.管道及其周围土体分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触单元模拟管土之间的滑移、分离及闭合现象.考虑了初始应力场的影响,对有限元模型的有效计算区域问题进行了数值分析,给出了管土界面分离及滑移情况,得到了有效计算区域与位错量、管径、埋深及土体刚度的关系.     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

大直径回填钢管管土相互作用研究

目前国内水利水电行业回填钢管的设计主要参考给排水行业规范,但其管径远超出给排水管道,研究大直径回填钢管管土相互作用,完善回填钢管结构设计理论,是当前亟待解决的重要课题.本文建立大直径回填钢管有限元计算模型,假定土体遵守Drucker-Prager屈服准则,钢管与土体交界面采用面-面接触单元,分析了管空、充水和满水工况下管土接触状态、钢管变形、土体位移和管周土压力,并探讨了管径和管土间摩擦系数对管土相互作用的影响.结果表明:管土接触状态在管顶、管腰和管底通常处于黏合状态,胸腔和腋部区域易发生滑动;钢管竖向和水平变形量并不完全相同,充水工况对钢管变形最为不利,满水工况较为有利;管顶土体位移受钢管变形的影响呈"U"形分布,即中间大、两侧小;管周土压力分布在管空和充水工况下较为相似,满水工况下会发生较大变化,土压力在土层交界附近会出现突变现象,其分布形式与Spangler模型存在较大区别;管径增大后,管内水体重力对钢管受力和变形更为不利,故大直径回填钢管设计时应考虑充水工况下的钢管变形;管径越大,管顶土压力平均值越接近棱柱荷载,钢管胸腔到顶部之间土体对管顶土压力影响越显著;管土间摩擦系数对管土相互作用影响较小,非关键因素.     

沟埋式管与土相互作用的动态有限单元法

利用动态有限单元法建立和推导二维等参形式四边形动态有限单元，研究了沟埋式管与土的动力相互作用，求得管周土体的静，动应力分布，结果表明，动态有限元法比一般动力有限元法更精确，有效。     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

基于DEM-FEM耦合的滑坡作用下输气管道动力响应分析

油气长输管道输送距离长,途径地形地貌复杂多样,沿途地质灾害频发对油气管道的安全输送造成严重威胁与破坏。本文以联络线输气管道横向滑坡为例,通过离散元与有限元单向耦合方式,对管道进行滑坡作用下的动力响应分析。首先通过EDEM离散元软件模拟滑坡过程中土体颗粒对管道的动态冲击过程,分析在滑坡过程中土体颗粒与管道的接触变化以及受力变化,然后将管道所受最大滑坡推力作为荷载导入ANSYS中,模拟得到在滑坡及内压协同作用下管道的应力和位移分布,最后将模拟结果与线上监测数据进行对比。结果表明：由离散元模拟得到滑坡作用下输气管道受力时程变化曲线,在第3秒管道受到的滑坡推力最大,将其导入有限元中模拟得到滑坡段管道等效应力、剪切应力与位移分布云图,将等效应力与实际监测数据进行对比,计算得到相对误差在7.30%以内,因此表明该模型具有一定的可靠性。     

机坪输油管道荷载附加应力分析

应用ABAQUS有限元软件,考虑管土相互作用,建立并验证了管道结构有限元分析模型.应用该模型,分析了管周附加应力的分布特征,计算了飞机、施工重型车辆和压路机荷载作用下,管道附加应力及其引起的管道结构应力和变形随管道埋深的变化规律.结果表明:不同管道埋深对应的管周附加应力在管顶至管两侧60°的范围内有显著差异,且该范围内附加应力近似呈抛物线分布.即使管道埋深小至1倍管径时,飞机荷载和施工重型车辆荷载引起的管道结构应力和变形仍远小于容许值,而压路机高振幅振动压应力引起的管道结构应力达到管道强度失效的临界标准,是管道承受的最不利外荷载类型,对管道埋深有重要影响.     

垃圾炉渣力学性质的颗粒流模拟

基于离散单元法理论和PFC3D软件,采用平行胶结模型来模拟炉渣中的胶结作用,建立了城市垃圾炉渣的细观颗粒模型。将模型细观参数和材料宏观力学性质联系起来,标定了模型的细观力学参数,将数值模拟结果和室内试验数据进行了对比。结果表明:离散元方法可以较好的模拟炉渣的应力-应变变形关系;细部结构调整的变化速率是影响模型受力变形机制的主要因素;改变边界刚度,分析了边界刚度对剪切强度参数和压缩模量的影响。从细观角度揭示影响炉渣强度的因素,对离散单元法的应用有一定的价值。     

大变形埋地钢管结构承载能力及修复方法研究

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演了该工程的施工过程,分析了该大变形管道若直接投入运行后的变形、应力及塑性情况,进而结合工程实际提出了水压法修复,并与传统的内撑法修复进行了比较研究.结果表明:大变形埋地钢管承受了较高的弯曲应力且管周土体支撑不足,结构承载能力较弱,荷载作用下钢管的变形和应力会大幅增加,安全风险较大.设置加劲环虽能增加钢管的抗外压稳定,但对管壁应力不利,高应力及塑性区域主要集中在管顶、管腰和管底及加劲环附近.大变形埋地钢管虽不符合规范要求,但不必更换钢管,可考虑对其进行修复,以降低钢管变形并提高管周土体模量,修复方法可采用内撑法或水压法.内撑法采用千斤顶将钢管顶圆,在顶撑区易产生应力集中,适用于管线局部发生大变形的情况;水压法利用内压复圆原理,可使管壁受力均匀,长距离管线下使用更为方便,修复后应检测并修补焊缝及防腐措施,并对运行期管道做好监测工作.研究成果可为类似工程处理及后续规范编制...     

波浪荷载作用下风机桩基础与土相互作用分析

采用三维数值分析方法,建立考虑流固耦合的三维桩-土模型;同时考虑波浪作用在桩上的水平荷载和波浪对海床的直接作用,研究2种形式的波浪荷载耦合作用下海上风机桩基础与土相互作用;根据数值模拟结果,研究2种荷载耦合作用下海上风机桩基础的变形与内力分布、桩侧土体超静孔压及桩土界面接触应力的变化规律,探讨不同波浪参数对单桩基础性状的影响,并与只考虑桩受荷时的计算结果进行对比分析。研究结果表明:当考虑波浪对海床的作用时,桩身将产生附加水平位移,同时也会引起桩侧土体超静孔压和桩土界面接触应力的循环变化。     

结构性对昆明泥炭质土层压缩特性影响的试验

为了研究昆明泥炭质土结构性对其压缩特性的影响,对取自于埋深16.5~17.0 m的原状土样与扰动土样进行了一维压缩试验.结果表明:采用作图法求得原状土样的前期固结压力为91~105 k Pa,超固结比为0.71~0.82,土体处于欠固结状态,而扰动土样的固结屈服压力仅为60~72k Pa,表明泥炭质土具有较强的结构性;由于受到土体结构性的影响,固结压力较小时,原状土样的压缩指数小于扰动土样,随着固结压力增加,原状土样结构破坏,其压缩指数逐渐增大,并超过扰动土样;随着荷载的增大,压缩量急剧增加,原状土样、扰动土样所对应的各级固结系数均呈减小趋势;昆明泥炭质土的次固结系数为0.071~0.101,而次压缩系数为2.00%~2.85%,属于高次压缩性或很高次压缩性土体.     

埋地管道断层错动反应分析

跨断层埋地管道在断层错动下力学模型设计和受力分析一直是生命线工程的前沿问题.弹簧-管道-土体模型中,断层每侧沿管道方向的近断层土体采用实体建模,此范围内的土体与管道相互作用采用接触进行模拟,远离断层的管道与土体相互作用采用等效非线性弹簧模拟.采用有限元分析软件对模型进行实现,有限元模型考虑了管道与土体的材料非线性、几何非线性,管道采用四节点壳单元.分析了断层破碎带宽度、断层错距、管道埋深、直径,壁厚对管道的受力影响,得出一些有益结论.     

沉管复合地基水平特性颗粒流数值模拟

对复合地基进行颗粒流模拟,建立了沉管水平受荷时的离散元模型,并研究了复合地基系统的水平特性,分析了沉管受水平载荷作用过程中土体位移场变化规律,及应力等宏观因素和土颗粒力链、配位数、孔隙率、转角等细观参数的变化.结果表明:竖向载荷作用下沉管在水平方向移动时,垫层颗粒受到扰动,当沉管竖向载荷增加时,沉管底部土体所受扰动范围变小;因此,增加竖向载荷使桩间土的挤密作用更显著,对降低土体扰动有较明显效果;桩顶土颗粒中强力链在沉管水平位移影响下的发展趋势说明土体颗粒体系内强弱力链间可相互转换.     

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.     

冲击荷载作用下埋地长输管道受力性能分析

为研究冲击荷载作用下埋地长输管道的受力性能,制作一个土箱—管道缩尺模型,进行落锤冲击试验,并建立落锤冲击埋地管道的有限元计算模型,对管道动态响应过程进行数值模拟。主要分析了管道壁厚、管径、埋深和冲击能量等参数对管道受力性能的影响,探讨埋地长输管道在冲击荷载作用下的整体变形特点和应变分布规律。研究结果表明:在冲击荷载作用下,冲击能量增加,管道跨中表面的应变峰值增大;相同工况下大管径和薄壁管道应变值大,管道覆土越深,管道应变峰值越小,土体的缓冲作用削弱了管道受到的冲击作用;通过有限元模拟结果与试验结果对比分析,两者一致性较好,故在实际工况下可用有限元模拟落石对埋地管道的冲击作用。