地表夯擊載荷作用下埋地管道力學(xué)分析
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韓傳軍，張 瀚，張 杰，李 翔
（1．西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川成都610500：
2-西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500：
3．中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川成都610213）
摘要：為研究地基強夯作業(yè)中夯擊載荷對埋地管道力學(xué)性能的影響，基于有限元原理建立了夯錘一管道一圍土耦合三維模型，分析了夯擊過程中管道截面變形及所受沖擊力變化規(guī)律，研究了管道壁厚、夯擊速度、夯錘體積對管道應(yīng)力、應(yīng)變及變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明：夯擊載荷下的管道所受沖擊力為脈沖型，且隨時間推移逐漸降低為o，最大沖擊力隨管道壁厚、夯擊速度、夯錘體積增大而增大；管道最大等效應(yīng)力、高應(yīng)力范圍及最大等效塑性應(yīng)變隨壁厚增加而減小，但隨夯擊速度或夯錘體積增大而增大；隨著夯擊速度、夯錘體積增大，管道截面變形率（橢圓度或凹陷率）逐漸增大，但其隨壁厚增加而減小。
關(guān)鍵詞：埋地管道；夯擊載荷；沖擊力；等效應(yīng)力；塑性應(yīng)變
中圖分類號：X937 文獻標(biāo)志碼：A cloi：10. 11731/j．issn．1673 -193x. 2015. 10.011
0 引言
由于敷設(shè)施工便捷、在役壽命較高、可有效提高土地利用率等特點，埋地敷設(shè)是我國油氣管道及城市供應(yīng)管道的主要敷設(shè)方式。通常溝埋管道保護措施少、埋深淺，易受各類外部載荷干擾，致使管道發(fā)生不同程度變形或失效。隨著城市化建設(shè)進程加快，在公路、建筑、機場、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，地基強夯作為基本施工工藝已成為影響管道安全的第三方破壞因素之一。地基強夯是一種利用夯錘自由下落產(chǎn)生巨大沖擊能將地基夯實，提高其穩(wěn)定性及承壓范圍的一種加固方法。由于已建管線大多未整體化、系統(tǒng)化設(shè)計施工，信息化程度較 ，且施工方時常未能及時了解在役管道具體信息，因而在施工過程中極易在埋地管道附近進行地基強夯作業(yè)，進而造成埋地管道出現(xiàn)變形、破裂、壓潰等失效形式，嚴(yán)重影響在役管道的安全性，從而引發(fā)泄漏、爆炸等災(zāi)難性安全事故。因此，研究地表夯擊作用對管道力學(xué)性能的影響不僅可為埋地管道及其防護裝置的設(shè)計、維護和安全評價提供科學(xué)依據(jù)，而且可供相關(guān)管道安全法規(guī)完善參考。
目前，關(guān)于埋地管道受沖擊載荷的研究大多集中于落石沖擊的影響，如劉新波分析了拆除爆破中塌落體對埋地管道的危害，提出了判斷管道安全性的理論判據(jù)；邢義鋒等利用數(shù)值模擬研究了管道內(nèi)壓等對落石沖擊載荷下管道動力響應(yīng)問題。張杰、梁政研究了落石沖擊作用下架設(shè)管線的凹陷變形。鄧學(xué)晶等對高速巖體沖擊地基及引起埋地管道動力響應(yīng)過程進行數(shù)值模擬。但關(guān)于施工作業(yè)中地基強夯對埋地管道影響的研究相對較少，且未對其塑性變形進行研究。因此，本文建立了夯錘沖擊作用下埋地管道的管土耦合模型，研究了夯擊作用下埋地管道的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，分析了管道壁厚、夯擊速度、夯錘體積等對夯擊作用下管道力學(xué)性能及管道安全性的影響。
1 數(shù)值計算模型
由于夯擊作用下埋地管道受力較為復(fù)雜，涉及材料非線性、幾何非線性和接觸狀態(tài)非線性等，且管道為薄殼結(jié)構(gòu)，疊加原理很難直接應(yīng)用求解其應(yīng)力應(yīng)變。另外，管土耦合作用對管道力學(xué)影響顯著，因而采用數(shù)值模擬能較好地解決此工況下埋地管道力學(xué)問題。
為了消除端部效應(yīng)影響，取模型尺寸為10m×15m×7.5m，又因為載荷及模型結(jié)構(gòu)的對稱性，取1/2模型進行分析計算。對模型底部進行固定約束，并將對稱面施加對稱約束。管道外徑為660mm，壁厚為8mm，埋深為1.1m。夯錘常見形狀為高度較低的圓柱體，半徑r= Im，高度h=0. 5m。假設(shè)夯錘作用于埋地管道正上方，且在自由下落過程中不發(fā)生傾斜，與地表接觸瞬間接觸面保持水平，此刻夯錘鉛垂速度稱為夯擊速度。采用四節(jié)點殼單元對管道進行網(wǎng)格劃分，采用八節(jié)點六面體對圍土進行網(wǎng)格劃分，為保證精確性，將夯擊作用區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格細(xì)化，劃分后的模型如圖1所示。
以我國在役管道中較為常見的X65管材為例進行分析，其密度ρ= 7800kg/m3，彈性模量E=206GPa，泊松比v=0.3，屈服強度為盯σs=448. 5MPa。夯錘采用鑄鋼材料。假設(shè)地基為各向同性單相材料，不含碎石、砂礫、結(jié)塊等。選用理想彈塑性Mohr - Coulomb模型描述圍土本構(gòu)關(guān)系，其密度ρ= 1840kg/m3，彈性模量E= 20MPa，泊松比v=0.3，內(nèi)摩擦角=150，粘聚力c=15kPa。采用罰函數(shù)描述管一土、夯錘一土之間的接觸關(guān)系，設(shè)定管土摩擦因數(shù)為0.5。
2 計算結(jié)果與分析
當(dāng)夯擊速度為20m/s時，管道所受沖擊力隨時間變化曲線如圖2所示。當(dāng)夯錘自由下落到地表后短時間內(nèi)，沖擊力迅速升高至最大值，而后由于回填土的阻礙作用，使得沖擊力迅速降低，呈脈沖型。但并未降低為0，而是出現(xiàn)了小幅度的波動，波動幅度隨時間推移而逐漸減小，當(dāng)沖擊時間到達0. 30s時，沖擊力幾乎消失，夯擊作用結(jié)束。
在地基強夯作業(yè)過程中，當(dāng)夯錘達到最低點時埋地管道變形最大，此狀態(tài)為臨界狀態(tài)。由于管道和圍土均具有彈性，在夯擊作用下它們將產(chǎn)生一定的反彈力作用于夯錘上。當(dāng)夯錘速度降至0后，反彈力將把夯錘從最低點抬升至一定高度，此時達到穩(wěn)定狀態(tài)，管道形變?yōu)樽罱K變形。
圖3所示為夯擊作用下埋地管道的等效應(yīng)力云圖。當(dāng)夯擊速度為20m/s時，在臨界狀態(tài)，管道頂部出現(xiàn)明顯凹陷，高應(yīng)力區(qū)主要集中在管道頂部和底部，并由頂部向左右兩側(cè)擴散。距夯擊區(qū)越遠(yuǎn)，管道應(yīng)力集中程度越低。最終變形狀態(tài)時，高應(yīng)力區(qū)面積大幅度縮小，凹陷外沿的殘余應(yīng)力較大，而凹陷區(qū)應(yīng)力較小。同時，管道底部未出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。
圖4為夯擊作用下管道在縱向截面的變形曲線。沖擊中心的回彈量最大，且隨著軸向距離增大，管道變形逐漸減小，回彈量也隨之減�。划�(dāng)軸向距離大于2m后變形基本相同。可知，該工況下的管道回彈量較小，說明管道所受的沖擊能主要用于塑性變形。
3 影響因素分析
3.1 管道壁厚
圖5所示為夯擊速度為15 m/s時，不同壁厚埋地管道等效應(yīng)力圖。不論壁厚如何變化，最大等效應(yīng)力總是出現(xiàn)在夯錘沖擊作用正下方的管道頂部，而管道下半部分應(yīng)力較小。當(dāng)壁厚為6. 4mm時，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在管道上半部。隨壁厚增加，管道最大等效應(yīng)力和高應(yīng)力區(qū)范圍逐漸減小，當(dāng)壁厚大于8mm時，高應(yīng)力集中在管頂位置且呈橢圓形分布。
圖6所示為管道等效塑性應(yīng)變和最大沖擊力隨壁厚變化曲線。隨壁厚增加，埋地管道等效塑性應(yīng)變逐漸降低，且變化率也逐漸減�。划�(dāng)壁厚小于10mm時，等效塑性應(yīng)變隨壁厚變化較大：當(dāng)壁厚小于8mm時，沖擊力變化率較小；當(dāng)壁厚大于8mm時，沖擊力隨著壁厚的增加而增大。
如圖7所示，當(dāng)壁厚為6.4~ 21mm時，夯擊作用下的埋地管道頂部均發(fā)生塑性變形，且塑性應(yīng)變區(qū)域隨壁厚的增加而逐漸減小，但管道底部未發(fā)生塑性變形。壁厚為6. 4mm時，管道頂部及左右兩側(cè)均出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形。壁厚超過11mm后，管道的塑性應(yīng)變十分微小，對管道工作狀態(tài)影響不大。壁厚為6. 4mm時的等效塑性應(yīng)變是壁厚為20mm時的40倍。
埋地管道在夯擊作用下截面形狀逐漸變?yōu)闄E圓形，當(dāng)夯擊作用超過一定限度后，截面形狀發(fā)生大變形，即出現(xiàn)明顯凹陷。因此采用橢圓度和凹陷率來表征埋地管道的截面變形率。橢圓度表達式為：
式中：為橢圓度；Dmax為管道最大直徑；Dmin為管道最小直徑；D為標(biāo)稱外徑。
凹陷率計算公式：
= /D (2)
式中：為凹陷率；為最大凹陷深度。
由表1可知，當(dāng)夯擊速度為15 m/s時，管道截面變形率隨壁厚增大而逐漸減小。壁厚為6. 4mm時，管道在夯擊作用下發(fā)生凹陷，臨界狀態(tài)凹陷率為27. 2%，最終狀態(tài)凹陷率為20.2 %。當(dāng)壁厚8mm時，管道未出現(xiàn)凹陷，橫截面為橢圓形，橢圓度隨著壁厚的增加而減小。圖8為不同夯擊速度下埋地管道的等效應(yīng)力分布云圖。隨夯擊速度增大，管道等效應(yīng)力逐漸增大，管道應(yīng)力分布情況亦發(fā)生變化。當(dāng)夯擊速度為9~ 15m/s時，管道最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在管道頂部。當(dāng)夯擊速度大于18 m/s時，管道出現(xiàn)凹陷，最大等效應(yīng)力不再出現(xiàn)在管道頂部，而是在管道左右兩側(cè)至管道頂部之間區(qū)域。
3.2夯擊速度
圖9為管道等效塑性應(yīng)變和沖擊力隨夯擊速度變化曲線。管道等效塑性應(yīng)變及沖擊力隨夯擊速度增大而增大，但二者變化規(guī)律不同。隨夯擊速度的增大，等效塑性應(yīng)變的增長率逐漸增大，而沖擊力增長率隨夯擊速度的變化較小。
圖10為不同夯擊速度下埋地管道等效塑性應(yīng)變云圖。管道塑性變形區(qū)域隨夯擊速度的增大而增大當(dāng)夯擊速度小于15 m/s時，管道的塑性形變非常小。當(dāng)夯擊速度為18 m/s時，管道發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，高應(yīng)變區(qū)出現(xiàn)在夯錘作用下方的管道頂部，且塑性應(yīng)變沿頂部軸線方向呈尖角形擴展。
由表1可知，隨著夯擊速度的增大，埋地管道截面變形率逐漸增大。當(dāng)夯擊速度小于15 m/s時，管道截面出現(xiàn)橢圓形變形。當(dāng)夯擊速度大于15 m/s時，管道出現(xiàn)凹陷變形，且夯擊速度越大，管道凹陷率越大。
3.3夯錘體積
夯錘體積越大，對埋地管道產(chǎn)生的沖擊能就越大。設(shè)定夯錘底面積不變，通過改變其高度得到不同體積。圖11為夯擊速度為15 m/s時，不同夯錘體積下埋地管道等效應(yīng)力圖。隨著夯錘體積增大，管道最大等效應(yīng)力及高應(yīng)力區(qū)范圍隨之逐漸增大=埋地管道左右兩側(cè)應(yīng)力集中程度隨夯錘體積的增大而增大。當(dāng)夯錘體積在小于1. 57 m3時，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在管道頂部，且呈細(xì)長橢圓形分布。當(dāng)夯錘體積大于1. 884m3時，埋地管道發(fā)生凹陷，且管道左右兩側(cè)應(yīng)力集中愈發(fā)嚴(yán)重。管道底部應(yīng)力隨著夯錘體積的增大而增大。
圖12為管道等效塑性應(yīng)變和沖擊力隨夯錘體積變化曲線。隨夯錘體積的增大，埋地管道等效塑性應(yīng)變和沖擊力均以非線性關(guān)系逐漸增大。等效塑性應(yīng)變變化率隨夯錘體積的增大而增大，但沖擊力變化率隨夯錘體積的增大而逐漸減小。
圖13為不同夯錘體積下埋地管道等效塑性應(yīng)變云圖。管道塑性變形區(qū)域隨夯錘體積的增大而增大。當(dāng)夯錘體積大于1. 884m3時，管道發(fā)生較嚴(yán)重塑性變形。
由表1可知，當(dāng)夯錘體積為小于1. 57 m3時，管道截面為橢圓形變形。當(dāng)夯錘體積大于1. 884 m3時，管道發(fā)生凹陷變形。隨夯錘體積的增加，埋地管道的橢圓度或凹陷率逐漸增大。
4結(jié)論
1)在地表夯錘夯擊作用下，管道承受脈沖型沖擊力，隨作用時間推移沖擊力以小幅波動形式逐漸降低為0。管道所受沖擊力隨壁厚、夯擊速度、夯錘體積的增大而增大。沖擊中心的回彈量最大，且隨軸向距離的增大而減小。
2)在夯擊作用下，高應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)于管道上半部分。管道最大等效應(yīng)力和高應(yīng)力區(qū)范圍隨壁厚的增加而減小，但隨夯擊速度或夯錘體積的增大而增大。埋地管道塑性應(yīng)變集中于管道頂部，底部幾乎不發(fā)生塑性變形。管道塑性變形區(qū)域隨夯擊速度、夯錘體積的增大而增大，隨壁厚的增加而逐漸減小。
3)隨著壁厚增大，埋地管道的橢圓度或凹陷率逐漸減小，但隨夯擊速度、夯錘體積增大而逐漸增大。
