Page 156 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 刘天豪，等： 落石冲击下地面混凝土垫层对埋地管道的防护作用 第 4 期

单元（SOLID164），cm-g-μs 单位制系统，数值计算模型包括冲击体、垫层、土壤、管道、橡胶圈。为保证
计算模型的准确性，模型中的冲击体、垫层、土壤、管道、橡胶圈均采用拉格朗日 (Lagrangian) 网格划分，
根据现场试验特点，设置土体周围面、底面和管道两端面为无反射边界，无反射边界条件通过有限元的
时间积分计算规则控制边界元素的阻尼和质量分数。当应力振动波传播到边界时，不会发生反射，不会
影响应力波在模型中的传播，土体表面设置为自由边界。给冲击体施加 24.24 m/s 的初速度，使其冲击混
凝土垫层。
2.2 材料及参数
土体选用 LS-DYNA 材料模型库中提供的*MAT_DRUCKER_PRAGER 材料模型 [23] 。其屈服面采用
内切（或外切）于 Mohr-Columb 准则六棱锥面的圆锥面，采用岩土参数（如摩擦角等）定义屈服面。该材
料模型中使用了改进的 Drucker-Prager 屈服准则，使屈服面的形状可以扭曲为更符合实际的土壤模型，
材料参数如表 4 所示。

表 4 粉质黏土材料参数
Table 4 Parameters of powdery clay material
材料 密度/(g·cm ) 弹性剪切模量/MPa 泊松比 内摩擦角/(°) 凝聚力/kPa
−3
粉质黏土 1.9 39 0.35 13 20

本文重点关注垫层对冲击能量的耗散能力及整体防护性能，而非混凝土垫层自身的开裂损伤细
节。混凝土垫层选用 LS-DYNA 材料模型库中提供的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，材料参数
如表 5 所示。该模型能够准确描述材料在高应变率下的弹塑性行为（包括屈服强化效应），适用于模拟
冲击载荷下垫层的塑性变形与能量吸收过程 [24] 。

表 5 混凝土垫层参数
Table 5 Concrete bedding layer parameters
材料 密度/(g·cm ) 弹性模量/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 切线模量/MPa
−3
混凝土 2.5 30 0.2 30 22 500

企口式混凝土管道的混凝土选用 LS-DYNA 中的*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3 材料模型 [25]
描述，钢筋选用 LS-DYNA 中的*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 材料模型 [26] 描述，橡胶圈选
用 LS-DYNA 中的*MAT_OGDEN_RUBBER 材料模型 [27] 描述，材料参数如表 6 所示。

表 6 管道相关材料参数
Table 6 Parameters of pipe-related materials
材料 密度/(g·cm ) 弹性模量/GPa 剪切模量/MPa 切线模量/MPa 泊松比 屈服应力/MPa
−3
混凝土 2.4 32.5 0.2
钢筋 7.8 200 1 500 0.3 350
橡胶 1.2 9.2 0.495

冲 击 体 在 试 验 期 间 没 有 任 何 变 形 和 破 碎 ，
表 7 冲击体刚体材料参数
且在后续的分析中，不关注冲击体本身的变形和
Table 7 Parameters of impact body rigid material
破坏，因此将冲击体视作一个不发生显著变形的
材料 密度/(g·cm ) 弹性模量/GPa 泊松比
−3
刚体，选用 LS-DYNA 中的*MAT_RIGID 材料模
钢筋混凝土 2.43 30 0.3
型 [28] ，材料参数如表 7 所示。

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