韩传军，张 瀚，张 杰，李 翔
（1．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500：
2-西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500：
3．中国石油西南油气田分公司输气管理处，四川成都610213）
摘要：为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响，基于有限元原理建立了夯锤一管道一围土耦合三维模型，分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律，研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明：夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型，且随时间推移逐渐降低为o，最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大；管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小，但随夯击速度或夯锤体积增大而增大；随着夯击速度、夯锤体积增大，管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大，但其随壁厚增加而减小。
关键词：埋地管道；夯击载荷；冲击力；等效应力；塑性应变
中图分类号：X937 文献标志码：A cloi：10. 11731/j．issn．1673 -193x. 2015. 10.011
0 引言
由于敷设施工便捷、在役寿命较高、可有效提高土地利用率等特点，埋地敷设是我国油气管道及城市供应管道的主要敷设方式。通常沟埋管道保护措施少、埋深浅，易受各类外部载荷干扰，致使管道发生不同程度变形或失效。随着城市化建设进程加快，在公路、建筑、机场、码头等基础设施建设中，地基强夯作为基本施工工艺已成为影响管道安全的第三方破坏因素之一。地基强夯是一种利用夯锤自由下落产生巨大冲击能将地基夯实，提高其稳定性及承压范围的一种加固方法。由于已建管线大多未整体化、系统化设计施工，信息化程度较 ，且施工方时常未能及时了解在役管道具体信息，因而在施工过程中极易在埋地管道附近进行地基强夯作业，进而造成埋地管道出现变形、破裂、压溃等失效形式，严重影响在役管道的安全性，从而引发泄漏、爆炸等灾难性安全事故。因此，研究地表夯击作用对管道力学性能的影响不仅可为埋地管道及其防护装置的设计、维护和安全评价提供科学依据，而且可供相关管道安全法规完善参考。
目前，关于埋地管道受冲击载荷的研究大多集中于落石冲击的影响，如刘新波分析了拆除爆破中塌落体对埋地管道的危害，提出了判断管道安全性的理论判据；邢义锋等利用数值模拟研究了管道内压等对落石冲击载荷下管道动力响应问题。张杰、梁政研究了落石冲击作用下架设管线的凹陷变形。邓学晶等对高速岩体冲击地基及引起埋地管道动力响应过程进行数值模拟。但关于施工作业中地基强夯对埋地管道影响的研究相对较少，且未对其塑性变形进行研究。因此，本文建立了夯锤冲击作用下埋地管道的管土耦合模型，研究了夯击作用下埋地管道的应力应变响应，分析了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积等对夯击作用下管道力学性能及管道安全性的影响。
1 数值计算模型
由于夯击作用下埋地管道受力较为复杂，涉及材料非线性、几何非线性和接触状态非线性等，且管道为薄壳结构，叠加原理很难直接应用求解其应力应变。另外，管土耦合作用对管道力学影响显著，因而采用数值模拟能较好地解决此工况下埋地管道力学问题。
为了消除端部效应影响，取模型尺寸为10m×15m×7.5m，又因为载荷及模型结构的对称性，取1/2模型进行分析计算。对模型底部进行固定约束，并将对称面施加对称约束。管道外径为660mm，壁厚为8mm，埋深为1.1m。夯锤常见形状为高度较低的圆柱体，半径r= Im，高度h=0. 5m。假设夯锤作用于埋地管道正上方，且在自由下落过程中不发生倾斜，与地表接触瞬间接触面保持水平，此刻夯锤铅垂速度称为夯击速度。采用四节点壳单元对管道进行网格划分，采用八节点六面体对围土进行网格划分，为保证精确性，将夯击作用区域内网格细化，划分后的模型如图1所示。
以我国在役管道中较为常见的X65管材为例进行分析，其密度ρ= 7800kg/m3，弹性模量E=206GPa，泊松比v=0.3，屈服强度为盯σs=448. 5MPa。夯锤采用铸钢材料。假设地基为各向同性单相材料，不含碎石、砂砾、结块等。选用理想弹塑性Mohr - Coulomb模型描述围土本构关系，其密度ρ= 1840kg/m3，弹性模量E= 20MPa，泊松比v=0.3，内摩擦角=150，粘聚力c=15kPa。采用罚函数描述管一土、夯锤一土之间的接触关系，设定管土摩擦因数为0.5。
2 计算结果与分析
当夯击速度为20m/s时，管道所受冲击力随时间变化曲线如图2所示。当夯锤自由下落到地表后短时间内，冲击力迅速升高至最大值，而后由于回填土的阻碍作用，使得冲击力迅速降低，呈脉冲型。但并未降低为0，而是出现了小幅度的波动，波动幅度随时间推移而逐渐减小，当冲击时间到达0. 30s时，冲击力几乎消失，夯击作用结束。
在地基强夯作业过程中，当夯锤达到最低点时埋地管道变形最大，此状态为临界状态。由于管道和围土均具有弹性，在夯击作用下它们将产生一定的反弹力作用于夯锤上。当夯锤速度降至0后，反弹力将把夯锤从最低点抬升至一定高度，此时达到稳定状态，管道形变为最终变形。
图3所示为夯击作用下埋地管道的等效应力云图。当夯击速度为20m/s时，在临界状态，管道顶部出现明显凹陷，高应力区主要集中在管道顶部和底部，并由顶部向左右两侧扩散。距夯击区越远，管道应力集中程度越低。最终变形状态时，高应力区面积大幅度缩小，凹陷外沿的残余应力较大，而凹陷区应力较小。同时，管道底部未出现高应力区。
图4为夯击作用下管道在纵向截面的变形曲线。冲击中心的回弹量最大，且随着轴向距离增大，管道变形逐渐减小，回弹量也随之减小；当轴向距离大于2m后变形基本相同。可知，该工况下的管道回弹量较小，说明管道所受的冲击能主要用于塑性变形。
3 影响因素分析
3.1 管道壁厚
图5所示为夯击速度为15 m/s时，不同壁厚埋地管道等效应力图。不论壁厚如何变化，最大等效应力总是出现在夯锤冲击作用正下方的管道顶部，而管道下半部分应力较小。当壁厚为6. 4mm时，高应力区出现在管道上半部。随壁厚增加，管道最大等效应力和高应力区范围逐渐减小，当壁厚大于8mm时，高应力集中在管顶位置且呈椭圆形分布。
图6所示为管道等效塑性应变和最大冲击力随壁厚变化曲线。随壁厚增加，埋地管道等效塑性应变逐渐降低，且变化率也逐渐减小；当壁厚小于10mm时，等效塑性应变随壁厚变化较大：当壁厚小于8mm时，冲击力变化率较小；当壁厚大于8mm时，冲击力随着壁厚的增加而增大。
如图7所示，当壁厚为6.4~ 21mm时，夯击作用下的埋地管道顶部均发生塑性变形，且塑性应变区域随壁厚的增加而逐渐减小，但管道底部未发生塑性变形。壁厚为6. 4mm时，管道顶部及左右两侧均出现严重塑性变形。壁厚超过11mm后，管道的塑性应变十分微小，对管道工作状态影响不大。壁厚为6. 4mm时的等效塑性应变是壁厚为20mm时的40倍。
埋地管道在夯击作用下截面形状逐渐变为椭圆形，当夯击作用超过一定限度后，截面形状发生大变形，即出现明显凹陷。因此采用椭圆度和凹陷率来表征埋地管道的截面变形率。椭圆度表达式为：
式中：为椭圆度；Dmax为管道最大直径；Dmin为管道最小直径；D为标称外径。
凹陷率计算公式：
= /D (2)
式中：为凹陷率；为最大凹陷深度。
由表1可知，当夯击速度为15 m/s时，管道截面变形率随壁厚增大而逐渐减小。壁厚为6. 4mm时，管道在夯击作用下发生凹陷，临界状态凹陷率为27. 2%，最终状态凹陷率为20.2 %。当壁厚8mm时，管道未出现凹陷，横截面为椭圆形，椭圆度随着壁厚的增加而减小。图8为不同夯击速度下埋地管道的等效应力分布云图。随夯击速度增大，管道等效应力逐渐增大，管道应力分布情况亦发生变化。当夯击速度为9~ 15m/s时，管道最大等效应力出现在管道顶部。当夯击速度大于18 m/s时，管道出现凹陷，最大等效应力不再出现在管道顶部，而是在管道左右两侧至管道顶部之间区域。
3.2夯击速度
图9为管道等效塑性应变和冲击力随夯击速度变化曲线。管道等效塑性应变及冲击力随夯击速度增大而增大，但二者变化规律不同。随夯击速度的增大，等效塑性应变的增长率逐渐增大，而冲击力增长率随夯击速度的变化较小。
图10为不同夯击速度下埋地管道等效塑性应变云图。管道塑性变形区域随夯击速度的增大而增大当夯击速度小于15 m/s时，管道的塑性形变非常小。当夯击速度为18 m/s时，管道发生严重塑性变形，高应变区出现在夯锤作用下方的管道顶部，且塑性应变沿顶部轴线方向呈尖角形扩展。
由表1可知，随着夯击速度的增大，埋地管道截面变形率逐渐增大。当夯击速度小于15 m/s时，管道截面出现椭圆形变形。当夯击速度大于15 m/s时，管道出现凹陷变形，且夯击速度越大，管道凹陷率越大。
3.3夯锤体积
夯锤体积越大，对埋地管道产生的冲击能就越大。设定夯锤底面积不变，通过改变其高度得到不同体积。图11为夯击速度为15 m/s时，不同夯锤体积下埋地管道等效应力图。随着夯锤体积增大，管道最大等效应力及高应力区范围随之逐渐增大=埋地管道左右两侧应力集中程度随夯锤体积的增大而增大。当夯锤体积在小于1. 57 m3时，高应力区出现在管道顶部，且呈细长椭圆形分布。当夯锤体积大于1. 884m3时，埋地管道发生凹陷，且管道左右两侧应力集中愈发严重。管道底部应力随着夯锤体积的增大而增大。
图12为管道等效塑性应变和冲击力随夯锤体积变化曲线。随夯锤体积的增大，埋地管道等效塑性应变和冲击力均以非线性关系逐渐增大。等效塑性应变变化率随夯锤体积的增大而增大，但冲击力变化率随夯锤体积的增大而逐渐减小。
图13为不同夯锤体积下埋地管道等效塑性应变云图。管道塑性变形区域随夯锤体积的增大而增大。当夯锤体积大于1. 884m3时，管道发生较严重塑性变形。
由表1可知，当夯锤体积为小于1. 57 m3时，管道截面为椭圆形变形。当夯锤体积大于1. 884 m3时，管道发生凹陷变形。随夯锤体积的增加，埋地管道的椭圆度或凹陷率逐渐增大。
4结论
1)在地表夯锤夯击作用下，管道承受脉冲型冲击力，随作用时间推移冲击力以小幅波动形式逐渐降低为0。管道所受冲击力随壁厚、夯击速度、夯锤体积的增大而增大。冲击中心的回弹量最大，且随轴向距离的增大而减小。
2)在夯击作用下，高应力区主要出现于管道上半部分。管道最大等效应力和高应力区范围随壁厚的增加而减小，但随夯击速度或夯锤体积的增大而增大。埋地管道塑性应变集中于管道顶部，底部几乎不发生塑性变形。管道塑性变形区域随夯击速度、夯锤体积的增大而增大，随壁厚的增加而逐渐减小。
3)随着壁厚增大，埋地管道的椭圆度或凹陷率逐渐减小，但随夯击速度、夯锤体积增大而逐渐增大。
