滑坡作用对大直径埋地管道的力学性能分析

史飞

(郑州大学综合设计研究院，河南郑州 450000)

1 问题的提出

近年来，国内外学者对埋地管道的分析提出了多种理论和方法，目前研究最多的是弹性地基梁和土弹簧模型。弹性地基梁主要考虑土体最终位移对管道的作用，是一种静力分析方法;土弹簧模型主要是将土体简化为纵向、横向和轴向的弹性土弹簧，通过土弹簧系数变化模拟不同的土体类型对管道的作用，这两种模型均不能真实地反映出土—管之间的相互作用。本文基于岩土的抗剪强度理论、非线性摩擦理论和三维实体模型的有限元分析方法，用ADINA有限元软件建立三维有限元模型，对管道在滑坡作用下的受力进行分析，总结出不同影响参数作用下埋地管道受特殊地质灾害作用的规律性特点。

2 滑坡土体的边界条件分析

2.1 滑坡土体几何边界条件分析

几何边界条件是指构成滑坡土体的各种边界面及其各边界组合之间的关系。滑坡土体中各边界面由于其土体的性质和所处的位置不同，其对埋地管道造成的影响也各不相同。对于一般的滑坡土体来说，边界面主要包括:滑动面、切割面和临空面三种情况。

为了使所建立的集合模型能够真实模拟滑坡土体对管道的相互作用，我们不仅要对边界面进行分析，还要对模型的几何边界条件进行适当的选取。由于埋地管道处于半无限空间的土体中，使用无限元模型不仅增加建模困难，还耗费大量的计算时间，根据圣维南原理，物体所受的力只对近处的应力分布有显著改变，而对远处所受力的影响可以忽略不计。因此，对土体和管道选取有限长度进行模拟，对土体底面和两个端面施加X向，Y向，Z向的固定约束;对管道的两个端面也施加X向，Y向，Z向的固定约束;如果选取的土体和管道的长度相对较大，我们也可以只对土体的底面施加X向，Y向，Z向的固定约束，通过分析发现，只要土体和管道的长度足够大，这种影响就微乎其微。

2.2 滑坡土体的受力条件分析

滑坡土体及其边界面上所受的力的大小、方向、合力的作用点以及受力的类型等统称为受力条件。滑坡土体上所受的力主要包括:滑坡土体的自重、滑坡土体周边的静水压力、动水压力、建筑物作用力、边坡堆载及地震力等。由于大直径埋地管道的特殊性，文中对滑坡作用下埋地管道的受力分析只考虑滑坡土体的自重和滑坡土体失稳后获得加速度作为受力的边界条件。

3 滑坡作用下埋地管道的三维有限元模型

文中使用ADINA有限元软件建立滑坡作用下埋地管道的三维有限元模型，通过在土体与滑坡土体、土体与管道、滑坡土体与管道之间建立接触单元来模拟管—土之间的相互作用，假定土体是连续均匀的介质，分析不同影响参数情况下埋地管道的力学响应。

3.1 滑坡作用下埋地管道的三维有限元模型参数说明

文中将滑坡作用下埋地管道的三维模型简化为规则的形状，以特殊滑坡类型楔形体滑坡作为主要的研究对象，同时也研究其他类型滑坡作用对埋地管道的力学响应。

1)几何模型参数。在对楔形体滑坡作用下埋地管道三维模型建模过程中，假定管道在滑坡体内为连续直管，没有设置接头。土体和滑坡土体都定义为规则的多面体形状。几何模型参数如表1所示。

2)材料模型参数。在ADINA有限元软件中，对管道采用多线性塑性材料模型，如图1所示，管道参数如表2所示;土体参数如表3所示。

表1 几何模型参数表

图1 钢材材料性能和容许拉伸应力应变关系

表2 管道材料参数

表3 土体材料参数

3)模型荷载的选取。对滑坡作用下埋地管道的三维有限元模型施加的荷载有两种:一种是静荷载，即土体、滑坡土体、管道的自重荷载和管道内压;一种是动荷载，即滑坡土体滑动时的加速度，加速度的方向平行于两个滑动面的交线向下。

4)边界条件的设定。根据滑坡现场的实际情况，一般都是滑坡土体向下滑动，而周边的土体基本上不发生改变，因此对周边土体的底面、后面和两个断面施加X，Y，Z方向的固定约束;管道也由于管—土之间的相互作用和选取的有限长度管道的原因，从而对管道的两个断面施加X，Y，Z方向的固定约束。

5)单元类型及网格划分。通过ADINA有限元软件建立的地面沉陷作用下管道三维有限元模型，由于管道、土体材料不同，划分为不同的单元组，土体划分为4节点的四面体三维实体(3D Solid)单元，管道为8节点六面体三维实体(3D Solid)单元。

图2 埋地管道等效应力与摩擦系数的曲线

图3 管道埋深与管道等效应力曲线

图4 埋地管道到边坡距离与管道的等效应力之间的曲线

图5 埋地管道壁厚与管道的等效应力之间的曲线

图6 不同管道直径与滑坡作用下最大等效应力曲线

3.2 模型参数对滑坡作用下埋地管道力学响应的影响

通过建立的滑坡作用下埋地管道三维有限元模型作为基本模型，选取对管道破坏影响较大的滑坡面的摩擦系数、管道埋深、管道到边坡距离、土体类型、管道壁厚、管道直径、不同材料模型、管道内压进行对比分析，各种对比曲线如图2～图7所示。

图7 不同管道内压与滑坡作用下最大等效应力曲线

4 结语

随着摩擦系数的增大，埋地管道在滑坡作用下的等效应力呈减少趋势，而且减幅越来越大;随着埋置深度的增加，埋地管道的等效应力呈现一种逐渐增大的现象;埋地管道距离边坡越近，埋地管道的等效应力越小，随着埋地管道远离边坡，埋地管道的等效应力逐渐增大;土体参数的不同对整体三维有限元模型都有很大的影响，滑坡作用下埋地管道在泥岩和细砂岩土体参数下，管道主要承受剪力，在粉土和粘土土体参数下，管道主要承受拉应力;随着埋地管道壁厚的增加，管道整体所受的应力云图有明显的变化，壁厚较小的埋地管道所受的等效应力偏大，而壁厚较大的埋地管道所受的等效应力偏小，呈现一种下降趋势;随着埋地管道直径的增加，管道整体所受的应力云图有明显的变化，直径较小的埋地管道所受的等效应力小，而直径较大的埋地管道所受的等效应力偏大，呈现一种显著上升趋势;两种材料模型在滑坡作用下对管道的力学响应基本相同，相对误差为16%;随着管道内压的增加，管道承受的等效应力有明显的下降趋势，当管道内压达到14 MPa时，在滑坡作用下埋地管道承受的等效应力最小;当管道内压大于14 MPa时，埋地管道承受的等效应力又逐渐增大。

［1］ 梁 政.滑坡地区管线应力和位移的分析［J］.天然气工业，1991，11(3):55-59.

［2］ 童 华.长输管线大变形设计理论研究［D］.成都:西南石油学院硕士学位论文，2005.

［3］ 李观宇，陈朝晖.滑坡作用下简支埋地管道的力学分析［A］.重庆力学学会2009年学术年会论文集［C］.2009:7-10.

［4］ 熊春宝，雷礼钢.土的不同本构关系对三维有限元分析的影响［J］.天津理工大学学报，2006，21(1):80-84.

［5］ 孙常玉，宫必宁.基于ADINA接触算法的岩质边坡稳定性分析［J］.水利与建筑工程学报，2006，4(4):25-26.

［6］ 殷宗泽，朱 泓，许国华.土与结构材料的接触面的变形及数学模型［J］.岩土工程学报，1994，16(3):14-22.