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。     

低温冻结条件下板岩破坏类型及单轴抗压强度试验研究

为揭示低温冻结作用对板岩破坏类型及抗压强度的影响,采用DX-40型低温数控试验箱、DNS100微型控制电子万能试验机进行7种不同层理倾角β和6种不同试验温度t的单轴压缩试验,对其应力-应变曲线以及单轴抗压强度、峰值应变、破坏类型的变化规律进行分析。在JAEGER层理面理论的基础上,建立以冻结温度和层理倾角为控制变量的单轴抗压强度公式,给出影响板岩破坏类型的2个极限角度β1和β2的表达式,并通过试验结果验证强度公式的正确性。研究结果表明:受低温冻结作用的影响,板岩的单轴抗压强度随温度降低呈指数增加;板岩的单轴抗压强度随倾角增加先减小后增大;在低温冻结条件下,板岩的破坏类型有3种,即当0°≤β27.0°时,板岩沿与竖直轴线呈一定角度的方向发生剪切破坏;当27.0°≤β≤82.7°时,板岩沿层理面发生剪切破坏;当82.7°β≤90.0°时,板岩沿垂直方向发生劈裂破坏。     

层状岩体强度结构面特征的数值分析

运用FLAC3D软件建立层状岩体试件模型,分析单轴压缩情况下的破坏模式和强度各向异性特征.研究结果表明:随着结构面倾角β的增大,试件抗压强度σc呈现先减小后增大的趋势;当结构面倾角为20°～30°和80°～90°时,试件抗压强度对β的灵敏度最大;当β为30°～70°时,σc变化不大;当结构面内摩擦角φj＜β＜90°时,数值计算结果和理论计算结果差别较小;当β≤φj或β=90°时,两者差别较大,数值计算结果明显小于理论计算结果;数值模拟结果能够反映出β≤φj和β=90°对应的岩体抗压强度存在一定差别,与实际情况相符.     

走滑断层作用下埋地充液钢质管道接口应变特性的试验

目的研究走滑断层作用下埋地充液管道不同接口的力学性能,保证埋地管道的安全运行,并为埋地管道抗震设计提供参考.方法利用自行研发的场地变形模拟箱体和千斤顶等设备,对走滑断层作用下埋地管道不同接口的力学性能进行试验.将接口形式分为焊接、螺纹连接、法兰连接,接口位置分别在断层处与非断层处(距离断层处500 mm)的管道埋于箱体内,并向管道内充入常温自来水,保持管内压力,再利用试验设备模拟走滑断层作用.结果通过测量管道各处应变,箱体及管道位移和管内水压变化,得出只有焊接接口应变比相同位置直管段应变小;管道上最大应变出现在断层附近(试验中为距断层300 mm处);与螺纹连接管道相比,当断层错动量小时,焊接管道在断层处位移大,而断层错动量大时管道位移小;只有法兰连接管道内的水压有所下降.结论走滑断层条件下,埋地管道接口适合用焊接,不适合用法兰连接;埋地管道接口在断层错动量小时适合采用螺纹连接,错动量大时适合采用焊接;在断层两侧一定距离处管道最容易破坏,埋地管道接口不宜设在此处.     

埋地钢管在逆断层作用下失效模式研究

穿越逆断层的埋地管道在断层错动过程中呈现的失效样式复杂多样,根据逆断层错动管道受力特征分为压缩屈曲失效、Euler梁失稳失效两种失效模式,但对两种失效出现的工况认知不足.在管道抗震计算中通常借用管道在走滑断层错动时的反应分析方法来估算管道在逆断层中的变形状况,避免梁式失稳靠满足一定的埋深来保障.本研究利用ANSYS通用有限元程序建立了钢制埋地管道地震反应的有限元模型,以分析逆断层作用下管道的失效模式.该模型适合分析逆断层倾角≤80°的情况.计算结果显示:逆断层倾角≤45°,管道发生屈曲失效,管道失效部位在管道与断层破裂线相交处.倾角在50—70°之间,管道存在两种失效可能:当断层垂直位错量在0.7—1.0m之间时,管道出现失稳失效;当位错量大,错动速度快时,管道在与断层破裂线相交处发生屈曲失效.倾角在75—80°之间,管道屈曲失效和失稳失效可能相伴发生,屈曲失效部位出现在两处:(1)管道在与断层破裂线相交处失效;(2)失稳隆起处发生弯折.     

逆断层粘滑错动对公路隧道影响的试验研究

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.     

考虑压缩失效时埋地管线跨地震断层的最佳交角研究

在断层错动下埋地管线跨断层的最佳交角研究方面,已有方法均以管道受拉失效为基本假定,未考虑管道压缩失效的情况.本文利用管体壳模型有限元方法进行了跨断层管线在断层错动下管体反应的计算分析,在考虑管材特性、管道尺寸及地基土特性多种影响因素的情况下,探讨了在仅控制轴向拉伸应变值和同时控制轴向拉伸应变值与轴向压缩应变值两种管道失效控制准则下管道的失效问题,分析了不同失效控制准则对管线跨断层的最佳交角的影响.发现失效控制准则是确定最佳交角值的关键因素,而且基于同时考虑拉伸和压缩失效的控制准则,管线跨断层的最佳交角应在70°左右.     

跨断层聚乙烯埋地供水管线抗震反应参数分析

以供水用聚乙烯(PE)管线为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS建立管土非线性接触模型.采用薄壳单元模拟管线作为中空壳体结构的力学特性,采用三维实体单元模拟管线周围土体,分析逆断层作用下管线的地震反应行为.对可动盘土体施加挤压位错量来模拟逆断层运动,讨论埋地管线的跨逆断层反应行为,考察断层位错量、管线径厚比、场地条件、断层角度等因素对管线抗震性能的影响.结果表明:在断层作用下,供水用聚乙烯埋地管线的变形主要集中在断层引起的土体破裂带附近区域,且上述参数对埋地管线的抗断层反应性能均有一定的影响.     

无侧限压缩下中心裂缝压实黏土强度及破坏特征分析

为探讨中心裂缝对压实黏土试样无侧限抗压强度及破坏特性的影响,考虑裂缝倾角β、裂缝长度2a和试样厚度H等条件,对预制中心裂缝的立方体压实黏土试样进行无侧限抗压强度试验,并对不同裂缝倾角条件下试样的破坏特征进行了分析。试验结果表明,裂缝倾角、裂缝长度和试样厚度均会对试样的弹性模量和无侧限抗压强度有不同程度的弱化作用。其中,裂缝长度的弱化作用较裂缝倾角的更强,而试样厚度仅在2～6 cm时,其弱化作用才会变得显著。关于试样的破坏特征,其裂纹的扩展方式主要是受裂缝倾角的影响,当β=0°时,裂缝尖端主要是扩展翼型裂纹;当β=15°～60°,裂缝尖端主要是产生翼型裂纹和次生共面裂纹;当β=75°和β=90°时,裂缝尖端主要是产生翼型裂纹和次生倾斜裂纹,此外,在预制裂缝中部还会发育有拉伸微裂纹。     

节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

白鹤滩水电站坝基岩体柱状节理十分发育,岩体中存在许多复杂节理面,各向异性特性十分显著.为了研究柱状节理岩体的各向异性特性,采用模型试验方法,考虑横向贯通节理,制作具有不同柱体倾角(β=0~90°)的正四棱柱形试样,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同节理倾角β下的单轴抗压强度、变形模量和峰值应变,分别分析了不同倾角下应力-应变曲线、峰值强度、变形模量、峰值应变及破坏类型的特性,得到以下结论:倾角β=0~15°以及75~90°范围时,应力-应变曲线存在多峰现象,β=30~60°范围时,应力-应变曲线以单峰为主;单轴抗压强度在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值,试件强度各向异性比K_c为11.12,属于极高各向异性;变形模量在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值;峰值应变在β=60°时取得最小值,β=30°时取得最大值;试样主要有沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏两种破坏模式.     

地下管线跨越断层地震反应拟静力研究

对于跨越活动断层埋地管线地震反应问题,根据实际管线埋设情况,采用有限元实体简化模型,并在管段有效计算长度范围内设置弹性支座,对管土体系施加等效位移荷载,利用拟静力方法对断层运动引起的管线地震反应进行了计算,通过分析,考察了断层位错量,跨越角度,贯通裂缝宽度和径厚比等因素对管线地震反应结果的影响,得出了管线地震反应的一般运动规律,同时认为适当地设置弹性支座有利于管线有效抵抗断层运动造成的破坏作用.     

入口射流角度对通风方腔内流动的影响

用数值方法探讨了入口射流角度对顶部对称送风方式的方腔内流动的影响.计算的物理模型为固定宽高比为1,进风角度θ分别取20°,45°,70°,90°,110°,135°及160°.计算结果表明,不同的射流角度对通风方腔内流动的影响是明显的.随进风角度的变化,在不同的控制参数下,方程的解呈现多样的、不稳定的非线性特征,可归结为定常解(稳态解)、周期性振荡解、非周期性振荡解.在选定的计算参数下,当进风角度的变化范围在20°≤θ≤160°时,考虑纯强制对流,θ为135°的流场最先失稳振荡;考虑自然对流的作用,θ为70°的流场最易失稳振荡.     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

不均匀场地钢制波纹接头埋地管线地震响应

震害调查表明,地震作用下埋地管线主要发生轴向接头拔出破坏,提升接头变形能力可有效地减轻埋地管线地震破坏。提出一种柔性大变形钢制波纹接头,以土弹簧模型考虑管土相互作用非线性特征,考虑两种力学性能的场地土,采用有限元方法对不均匀场地下埋地管线进行地震响应分析。分别建立有波纹管接头连接和无接头埋地管线有限元模型,数值分析了不同地震动作用下波纹管接头对地下管线应力、能量耗散、内力等的影响规律。结果表明：埋地管线在不均匀场地交界面处最大应力显著增加,波纹管接头可以有效减小管道轴力、弯矩以及von Mises应力。     

不同开挖顺序对大偏压小净距隧道安全性影响

依托某大偏压小净距隧道工程,通过有限元强度折减法研究不同偏压角度及开挖顺序对隧道开挖安全性与围岩破坏模式的影响.研究结果表明:偏压角度的增大能极大地降低隧道安全系数,当偏压角度在30°～40°之间增大时,安全系数减小最为明显;先开挖深埋洞时隧道整体安全系数明显低于先开挖浅埋洞时;先开挖浅埋洞或先开挖深埋洞时,在隧道浅埋...     

导流板对海底管线下沉自埋及涡振影响

为研究导流板对海底管线的下沉、自埋及涡振的影响,采用ANSYS软件流固双向耦合数值模拟方式分别对无导流板、30°、60°、90°夹角安装导流板的海底管线进行模拟计算,并通过现有试验结果对比验证数值模拟的可行性。模拟分析得到不同方式安装导流板的海底管线附近压力分布云图、流场分布云图、管线所受升力、拽力曲线、应力变化曲线及下沉变形量曲线。结果表明:海底管线上安装导流板,使得管线上下表面的海流区域形成压力差,压力差随导流板的夹角增大而增大;但传统90°夹角安装导流板的海底管线后侧压力产生波动,使管线产生涡激振动,存在疲劳破坏隐患;60°安装导流板海底管线,下沉变形量出现趋恒现象;管线下方流速最大,冲刷海床形成凹陷,为管线下沉创造条件,同时管线后方回流带起的泥沙对管线形成自埋。     

断层上覆土层破裂对埋地管道的影响

利用ANSYS程序建立的三维管土非线性有限元模型,计算分析了断层基岩上覆土层的变形破裂形式、土层厚度及土层土质的硬度对埋地管道的影响.结果表明,埋地管线发生大变形及失效的位置由上覆土层的破裂形式决定,穿越土层发生塑性变形及破裂区域的管段是管道发生塑性变形的管段.当断层倾角发生接近于90°的错动时,随上覆土层破裂的发展,埋地管道产生两处塑性变形区段.上覆土层越厚,埋地管道发生塑性变形的长度越长,变形值减小.埋在土质较硬土层中的管道发生塑性变形的管段长度短,极限应变值大.     

层状岩体的颗粒流模拟新方法及数值分析

在颗粒流软件PFC2D的基础上,采用新的建模方法建立了层状岩体数值试样,并通过直剪试验验证了新方法的优越性。开展了不同层理倾角下的岩体单轴压缩试验的数值模拟,对层状岩体的变形特性、强度特性以及破坏模式进行了分析。数值结果表明:随着层理倾角的增大,其弹性模量与峰值强度都是呈先减小后增大的趋势,但两者取最小值时的层理倾角并不相同且两者的变化速率也不尽相同。当层理倾角β=0°~30°或者β=90°时,岩石试样的强度主要由基岩控制;而当层理倾角β处于中间角度时,此时岩石试样的强度则主要由层理控制。     

连续埋地管线沉陷情况下可靠度分析

场地的不均匀沉陷是埋地管线破坏的重要原因之一.运用均值一次二阶矩法和ANSYS中的蒙特卡罗法对埋地管线在地面沉陷位移、材料性能参数、内水压力等随机变量下的可靠度进行计算分析,得到考虑和不考虑管道内水压力时的可靠度系数和失效概率.结果表明,地面沉陷位移的变异性对沉陷区埋地管线的可靠度有着十分重要的影响,与不考虑管道内水压力作用的结果相比,考虑管道内水压力时的失效概率较大,可靠度系数较小;管道壁厚和直径的变异性对沉陷区埋地管线的可靠度也存在着不可忽视的影响.     

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。