土体塌陷作用下埋地管道力学分析研究现状*

1 概述

天然气管道运输有效解决了各个地区天然气资源产需不平衡的问题

，对全球经济发展起到不可或缺的能源调配作用。埋地管道沿线地质环境复杂多变，管道不可避免地穿越不良地质地段，例如西南地区输气管网系统发达，但地震、滑坡等地质灾害频发，降水强度较大，极易引发土体塌陷造成管道失效。与此同时，随着城镇化的不断推进，地上建筑工程及水电、通信、给排水管网等地下施工活动越发频繁，成为土体塌陷的重要诱因

，严重地威胁到埋地天然气管道的安全运行。近年来由土体塌陷造成的管道破坏事故频发，使人类生命财产遭受巨大损失，典型事故见表1。

管道事故不仅会诱发火灾、爆炸、中毒等次生灾害，给人民的生命财产造成极大的损失，而且对天然气使用的普及也会产生巨大的负面作用，严重影响地区和谐发展。近年来，随着土体塌陷引起的管道失效事故日益增多，为了保证塌陷区域埋地管道的安全、平稳运行，国内外学者针对土体塌陷作用下埋地管道的力学响应开展了一系列研究，依据所使用的研究方法可将其划分为理论解析法、数值模拟法以及试验分析法。在此背景下，本研究以塌陷区埋地天然气管道为对象，探讨土体塌陷作用下管道力学响应的研究方法，以期为管道失效判断及风险管控提供理论依据，对于输气管道的完整性管理具有重要意义。

位丽娜等[24]应用聚类分析法对单一和两种掺伪的芝麻油进行检测，结合化学计量软件和数据分析建立模型，结果表明在检测单一掺伪芝麻油时宜选择矢量归一、二阶导数等预处理方法进行预测，预测的准确率为100%；在检测两种掺伪芝麻油时宜选择二阶导数预处理方法建立的模型，可以实现聚类分析，但有时理论和模型不相符。它不能检测出掺假油的种类和性质，同时操作和计算过程也较为复杂，因此有待于进一步改进。

2 塌陷区埋地管道力学响应理论解析法

理论解析法主要通过所构建的简化管-土相互作用理论模型开展土体塌陷作用下埋地管道的力学分析，其模型相对简单易懂、计算过程简捷省时，与其他研究方法相比具有一定优势，因此被国内外相关标准广泛用于土体塌陷作用下埋地管道的力学校核。

实践教学是学生掌握知识的重要渠道，是学生把所学的理论知识转化为实际技能的重要途径，也是培养学生创新能力的源泉；也是拓展学生职业能力的根本途径，同时还是展现学生个性化的舞台。

理论解析法通常将埋地管道简化为索锁模或者梁模型，因此无法全面地考虑管道沿线各点的具体形变以及力学响应情况。当土体塌陷引起的管-土相对变形较大时，研究对象开始呈现复杂的非线性特征，模型简化造成的计算结果偏差趋于显著。近年来，随着计算机技术的不断发展，计算精度高、适用范围广、写实能力强的数值模拟方法逐渐得到国内外相关学者的广泛应用。数值模拟法主要利用有限元分析软件对土体塌陷过程中管-土间的相互力学作用开展仿真模拟，一方面弥补了理论解析法无法解决复杂非线性问题的不足，另一方面避免了苛刻试验条件造成的研究难度，从而更加真实、准确地反映埋地管道力学响应的实际情况。对数值模拟法的总结见表3。

Winkler弹性地基梁理论开创了土体塌陷作用下埋地管道力学响应理论解析研究的先河，在此基础上国内外研究人员开展了一系列研究（见表2）。

（1）数值模拟法的基本思路是基于现代计算机技术、应用数学以及力学理论，依据现场实际数据确定边界条件与模型参数，利用ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件建立三维有限元计算模型，在充分考虑多重非线性特征的基础上对不同塌陷情景、不同运行工况下的管-土相互作用进行仿真模拟，从而更加直观地确定土体塌陷作用下埋地管道的变形特征及应力应变响应规律。

（1）理论解析法的基本思路是在假设和简化的基础上建立适当的管-土相互作用理论模型，基于弹性梁理论及变形协调方程分析土体塌陷作用下管道的力学特征，由外部受力计算出埋地管道的挠曲变形，最终依据挠曲变形计算出管道的内力分布。

（2）目前采用的埋地管道理论模型主要为梁模型，在非沉陷区一般将管道等效为Winkler弹性地基梁，在沉陷区管道模型逐步从弹性地基梁向基于曲线方程的弹性梁以及弹性基础上的连续梁发展，从仅适用于距离沉陷区域边界面无穷远处有最大沉陷的情形，发展到适用于有限远处有最大沉陷的情形，从沉陷作用下的管-土协同变形向非协同变形，从明悬空管道向暗悬空管道拓展，不断与各种实际工况相接近。

（3）目前采用的土体塌陷数值模拟技术包括人工去除塌陷区域、施加位移载荷以及单元生死技术。其中，人工去除塌陷区域技术在塌陷模拟分析结束后才施加内压载荷，故在塌陷过程中土体载荷未与管道内压形成耦合作用，管道受力与实际情况存在差异；而施加位移载荷技术假定塌陷区域沿线地表具有相同的沉陷量，因而无法真实模拟地表沿线位移由塌陷中心向两侧递减的分布规律，管道位移与实际情况存在差异；单元生死技术通过设置塌陷土体的刚度属性可以相继实现多个土体单元集的“杀死”以及重新激活，从而能够准确模拟塌陷逐步发育过程中的土体流失

。

（3）虽然理论解析法具有概念简单、计算方便、便于工程应用等优点，但以上研究均是建立在一定约束前提下，对管-土参数及边界条件进行了假设或简化，且大量研究表明管道轴向拉伸试验结果和解析计算值间存在较大误差

，因此理论解析法计算结果的可靠性还需进一步验证。

3 塌陷区埋地管道力学响应数值模拟法

为了研究不均匀地层沉降对埋地管道受力变形的影响，1867年，Winkler

提出“Winkler弹性地基梁理论”，此理论以弹性梁模拟埋地管道，将管周土体视作具有一定拉压刚度且相互独立的弹簧，模型如图1所示。然而，Winkler弹性地基梁模型存在以下缺陷：在土体不均匀沉降条件下，管周土刚度的确定具有一定难度；由于管周土被视为相互独立的“土弹簧”，土体之间的相互作用力未被考虑，因此存在一定偏差

。

土体塌陷作用下管-土相对变形以及力学作用复杂多变，国内外学者大多基于小尺寸模型试验开展研究，试验数据为埋地管道力学响应的宏观分析提供了一定程度上的有效参考，但与此同时，物理试验由于自身的局限性往往无法真实、准确地还原土体塌陷的实际过程，因而较难保证试验结果的准确性和可靠性。对试验分析法的总结见表4。

（2）目前采用的埋地管道有限元数值模型主要包括梁模型、壳模型以及实体模型；土体有限元模型从土弹簧边界发展为实体模型，模拟结果更能真实、准确地描述实际受力情况，但与此同时单元数量相应增加，模型解算成本更高；研究的塌陷情形主要包括地震沉陷、黄土湿陷、采空塌陷等；塌陷过程主要涉及管-土协同变形阶段、管道局部暗悬空阶段、管道局部明悬空阶段。

对上述理论解析研究进行归纳总结可以得出：

对上述数值模拟研究进行归纳总结可以得出：

(2)仪器与试剂管理因素。临床检验的仪器未定期进行校正和核定,会对检验质量的准确性造成影响,使用的检验仪器质量不合格,注射器和容器不干燥、清洁度差、密封度差等均对检验质量造成影响,试剂过期、操作顺序颠倒也会对检验质量造成影响。

基于关联规则挖掘的跨语言译后扩展核心问题是如何计算关联模式支持度.常见支持度计算主要有四种：(1)将关联模式在事务文档中发生的概率作为该模式的支持度[9]；(2)将项目权值总和与无加权支持度的乘积作为加权项集支持度[15]；(3)将特征词项目平均权值与无加权支持度的乘积作为完全加权项集支持度[11,16]；(4)以项集在事务数据库中项集权值总和占事务数据库中所有项目权值总和的百分比作为完全加权项集支持度[10,17].文献[17]表明，方法(4)挖掘效果比方法(3)的好.然而，方法(4)只考虑特征词项目权值对支持度的影响，忽略特征词频度对支持度的作用.

4 塌陷区埋地管道力学响应试验分析法

稻壳中微生物检测采用平板菌落计数法，即将样品经一系列梯度稀释后与培养基混合制成平板，经过培养进行菌落计数。

对上述试验分析方法研究进行归纳总结可以得出：

（1）试验分析法的基本思路是基于现场数据选用合适的试验材料，将试验管道置于装有土体的模型箱体中，借助外部工具模拟场地环境及管-土边界条件，通过控制试验模型模拟土体塌陷的实际过程，利用土压力盒、应变片以及位移传感器等元件监测试验过程中管道沿线的位移变形特征及应力应变响应。

（2）目前开展的土体塌陷作用下埋地管道力学试验的研究土体主要采用砂土，管道材质主要针对聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等非金属管材，这主要是由于塌陷土体一般体积较大，考虑到全尺寸模型构建困难且成本较高，现有研究往往基于相似比实验理论开展小尺寸试验，若研究对象采用高强度、高延性的钢管则难以有效模拟土体塌陷过程对管道的力学影响，因此相关学者通常在确保模型管道与原型管道满足应力条件相似性的前提下，采用PE、PVC管道近似模拟天然气管道在塌陷载荷作用下的变形演化过程，从而保证试验设计的合理性和结果的可靠性。与此同时，为了防止管道端部在试验过程中发生滑动，以模拟实际无限长管道对塌陷区管段产生的拉拽作用，因此管道两端通常采用固定约束。

（3）针对土体塌陷的模拟方法主要分为3类：①通过千斤顶在竖直方向施压模拟管道在上覆土压力下的受力变形，主要适用于塌陷区长度相对于管道沿线长度显著较小，且管-土间相互作用影响较小的研究情景；②顶部放置砂袋以模拟上覆土压力，管道下部去除土体（铁铲掏除、抽取箱底钢条等）以模拟下覆土塌陷，主要适用于足尺寸试验，且发育特征为采空塌陷、岩溶塌陷等自下向上拓展的塌陷形式；③管道置于土中，调整模型底部高度（下调液压千斤顶、模型底板、沉降板等）以模拟土层错动，主要适用于管-土间相互作用不容忽略，且塌陷过程较为连贯的研究情景。

5 研究方法评述与展望

（1）现有理论解析研究主要集中在埋地钢管，针对土体塌陷作用下PE管道力学响应的理论解析研究有待完善，虽然在ASCE

和ALA

规范中已经给出了在不均匀沉降条件下管周土刚度的参考数值，但其主要针对于埋地钢管的理论模型研究，而用于埋地聚乙烯管道的受力变形计算时往往过于保守。与此同时，虽然理论解析法具有概念简单、计算方便、便于工程应用等优点，但以上研究均是建立在一定约束前提下，对管-土参数及边界条件进行了假设或简化，因此存在一定的失真与局限，其计算结果的可靠性还需进一步验证。

（2）数值模拟研究一方面弥补了理论解析法无法解决复杂非线性问题的不足，另一方面避免了苛刻试验条件造成的研究难度。但现有土体塌陷数值模拟研究主要采用施加位移载荷的方法，仅有部分研究采用了有限元分析软件提供的单元生死技术，但对于岩溶塌陷等特殊情形，单元生死技术能够更加真实地模拟塌陷逐步发育过程中的土体流失。现有研究涉及岩溶塌陷这一特殊地质灾害的内容较少，但近年来在各种自然或人为因素影响下岩溶区域埋地管道时常遭受土体塌陷作用，且岩溶塌陷的发育特征（土洞向上扩展引起顶板破裂导致岩溶覆盖层土体失稳塌陷）有别于其他形式的土体塌陷，因此未来应针对岩溶塌陷作用下埋地天然气管道的力学响应开展进一步研究。

范丞丞很火，他隔空喊李晨一句“姐夫”就能上热搜。但9月8日晚在南京，他哭了都没能上热搜。在那场乐华七子NEXT巡回粉丝见面会上，范丞丞哭得梨花带雨。他说，“因为最近发生的事情很多，可能使我变得更加敏感了吧。”就在两天前，他在个人微博上写道：中世纪的钟声敲响，戴好王冠准备出场。配图中，范丞丞头戴王冠，身着披风，意气风发。18岁，到底还是太年轻。南京之行，舞台上的范丞丞被问及10年后的样子，明显情绪不稳，哽咽落泪。按照往常，姐姐一定会出来打打气，安慰鼓励一番。但翻遍了各种渠道，人们也没有找到范冰冰的任何消息。从6月2日至今，她的微博已经100天没有更新了。

（3）土体塌陷作用下埋地管道的试验分析研究为理论解析及数值模型方法的校核与改进提供了大量有效依据，对于管道宏观变形等方面的研究具有一定意义，但由于试验条件较为苛刻，现有研究在塌陷模式、土体性质、管道敷设等方面仍与实际工况存在一定差异，试验结果的准确性和可靠性无法保证，难以进行较为深入的分析研究。全尺寸模型试验是分析管土复杂相互作用的有效途径，但目前国内外已开展的大型试验较少，且考虑的影响因素较为有限，对穿越塌陷区埋地天然气管道开展全尺寸模型试验研究，对于保证管道的安全、平稳运行具有重要意义。

随着市场经济的发展，财务管理不能再停留在过去单单是事后反映的财务上，而要在正确核算的基础上更好的发挥监督和决策功能，一方面要控制、规范企业的经营行为，另一方面要通过科学的财务分析，为企业的生产决策提供依据。具体而言，就是要重视财务管理，树立市场观念、利润观念，形成一套行之有效的财务管理体系，能够快速对市场的变化进行准确的财务预测，更好的发挥财务决策职能。

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