滑坡作用對大直徑埋地管道的力學性能分析

史飛

(鄭州大學綜合設計研究院，河南鄭州 450000)

1 問題的提出

近年來，國內外學者對埋地管道的分析提出了多種理論和方法，目前研究最多的是彈性地基梁和土彈簧模型。彈性地基梁主要考慮土體最終位移對管道的作用，是一種靜力分析方法;土彈簧模型主要是將土體簡化為縱向、橫向和軸向的彈性土彈簧，通過土彈簧系數變化模擬不同的土體類型對管道的作用，這兩種模型均不能真實地反映出土—管之間的相互作用。本文基于巖土的抗剪強度理論、非線性摩擦理論和三維實體模型的有限元分析方法，用ADINA有限元軟件建立三維有限元模型，對管道在滑坡作用下的受力進行分析，總結出不同影響參數作用下埋地管道受特殊地質災害作用的規律性特點。

2 滑坡土體的邊界條件分析

2.1 滑坡土體幾何邊界條件分析

幾何邊界條件是指構成滑坡土體的各種邊界面及其各邊界組合之間的關系。滑坡土體中各邊界面由于其土體的性質和所處的位置不同，其對埋地管道造成的影響也各不相同。對于一般的滑坡土體來說，邊界面主要包括:滑動面、切割面和臨空面三種情況。

為了使所建立的集合模型能夠真實模擬滑坡土體對管道的相互作用，我們不僅要對邊界面進行分析，還要對模型的幾何邊界條件進行適當的選取。由于埋地管道處于半無限空間的土體中，使用無限元模型不僅增加建模困難，還耗費大量的計算時間，根據圣維南原理，物體所受的力只對近處的應力分布有顯著改變，而對遠處所受力的影響可以忽略不計。因此，對土體和管道選取有限長度進行模擬，對土體底面和兩個端面施加X向，Y向，Z向的固定約束;對管道的兩個端面也施加X向，Y向，Z向的固定約束;如果選取的土體和管道的長度相對較大，我們也可以只對土體的底面施加X向，Y向，Z向的固定約束，通過分析發現，只要土體和管道的長度足夠大，這種影響就微乎其微。

2.2 滑坡土體的受力條件分析

滑坡土體及其邊界面上所受的力的大小、方向、合力的作用點以及受力的類型等統稱為受力條件。滑坡土體上所受的力主要包括:滑坡土體的自重、滑坡土體周邊的靜水壓力、動水壓力、建筑物作用力、邊坡堆載及地震力等。由于大直徑埋地管道的特殊性，文中對滑坡作用下埋地管道的受力分析只考慮滑坡土體的自重和滑坡土體失穩后獲得加速度作為受力的邊界條件。

3 滑坡作用下埋地管道的三維有限元模型

文中使用ADINA有限元軟件建立滑坡作用下埋地管道的三維有限元模型，通過在土體與滑坡土體、土體與管道、滑坡土體與管道之間建立接觸單元來模擬管—土之間的相互作用，假定土體是連續均勻的介質，分析不同影響參數情況下埋地管道的力學響應。

3.1 滑坡作用下埋地管道的三維有限元模型參數說明

文中將滑坡作用下埋地管道的三維模型簡化為規則的形狀，以特殊滑坡類型楔形體滑坡作為主要的研究對象，同時也研究其他類型滑坡作用對埋地管道的力學響應。

1)幾何模型參數。在對楔形體滑坡作用下埋地管道三維模型建模過程中，假定管道在滑坡體內為連續直管，沒有設置接頭。土體和滑坡土體都定義為規則的多面體形狀。幾何模型參數如表1所示。

2)材料模型參數。在ADINA有限元軟件中，對管道采用多線性塑性材料模型，如圖1所示，管道參數如表2所示;土體參數如表3所示。

表1 幾何模型參數表

圖1 鋼材材料性能和容許拉伸應力應變關系

表2 管道材料參數

表3 土體材料參數

3)模型荷載的選取。對滑坡作用下埋地管道的三維有限元模型施加的荷載有兩種:一種是靜荷載，即土體、滑坡土體、管道的自重荷載和管道內壓;一種是動荷載，即滑坡土體滑動時的加速度，加速度的方向平行于兩個滑動面的交線向下。

4)邊界條件的設定。根據滑坡現場的實際情況，一般都是滑坡土體向下滑動，而周邊的土體基本上不發生改變，因此對周邊土體的底面、后面和兩個斷面施加X，Y，Z方向的固定約束;管道也由于管—土之間的相互作用和選取的有限長度管道的原因，從而對管道的兩個斷面施加X，Y，Z方向的固定約束。

5)單元類型及網格劃分。通過ADINA有限元軟件建立的地面沉陷作用下管道三維有限元模型，由于管道、土體材料不同，劃分為不同的單元組，土體劃分為4節點的四面體三維實體(3D Solid)單元，管道為8節點六面體三維實體(3D Solid)單元。

圖2 埋地管道等效應力與摩擦系數的曲線

圖3 管道埋深與管道等效應力曲線

圖4 埋地管道到邊坡距離與管道的等效應力之間的曲線

圖5 埋地管道壁厚與管道的等效應力之間的曲線

圖6 不同管道直徑與滑坡作用下最大等效應力曲線

3.2 模型參數對滑坡作用下埋地管道力學響應的影響

通過建立的滑坡作用下埋地管道三維有限元模型作為基本模型，選取對管道破壞影響較大的滑坡面的摩擦系數、管道埋深、管道到邊坡距離、土體類型、管道壁厚、管道直徑、不同材料模型、管道內壓進行對比分析，各種對比曲線如圖2～圖7所示。

圖7 不同管道內壓與滑坡作用下最大等效應力曲線

4 結語

隨著摩擦系數的增大，埋地管道在滑坡作用下的等效應力呈減少趨勢，而且減幅越來越大;隨著埋置深度的增加，埋地管道的等效應力呈現一種逐漸增大的現象;埋地管道距離邊坡越近，埋地管道的等效應力越小，隨著埋地管道遠離邊坡，埋地管道的等效應力逐漸增大;土體參數的不同對整體三維有限元模型都有很大的影響，滑坡作用下埋地管道在泥巖和細砂巖土體參數下，管道主要承受剪力，在粉土和粘土土體參數下，管道主要承受拉應力;隨著埋地管道壁厚的增加，管道整體所受的應力云圖有明顯的變化，壁厚較小的埋地管道所受的等效應力偏大，而壁厚較大的埋地管道所受的等效應力偏小，呈現一種下降趨勢;隨著埋地管道直徑的增加，管道整體所受的應力云圖有明顯的變化，直徑較小的埋地管道所受的等效應力小，而直徑較大的埋地管道所受的等效應力偏大，呈現一種顯著上升趨勢;兩種材料模型在滑坡作用下對管道的力學響應基本相同，相對誤差為16%;隨著管道內壓的增加，管道承受的等效應力有明顯的下降趨勢，當管道內壓達到14 MPa時，在滑坡作用下埋地管道承受的等效應力最小;當管道內壓大于14 MPa時，埋地管道承受的等效應力又逐漸增大。

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