Page 157 - 《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

3 数值模拟可靠性验证及管道破坏形式分析

3.1 有效应力验证
现场试验一共设置 11 个应变监测位点，在数值验证模型中相同位置选取 11 个应变测点进行对比
分析。为了更好地验证模型的精确性，将现场试验所测得的应变转换为各个测点的有效应力，再与数值
模拟中对应点的有效应力进行对比分析。管道的力学性能以及受冲击后的响应特性不仅受到钢筋混凝
土材料本身的影响，还受到管道直径与管道壁厚的影响，管道的内外径之比为：
(3)
∆ = D o /D i
式中：D 为管道外径，D 为管道内径。当 Δ≤1.2 时认为该管道结构为薄壁结构。本试验管道外径为
o
i
1 800 mm，管道内径为 1 500 mm，根据上式计算的 Δ=1.2，因此可以判断本试验管道为薄壁结构。管道的
应力计算公式为：

(4)
σ y = Eε y
(5)
σ x = Eε x
式中：σ 为环向有效应力，σ 为轴向有效应力，E 为弹性模量，ε 为环向应变，ε 为轴向应变。薄壁圆筒
x
x
y
y
结构轴向应力可忽略不计，由此可知管道截面单元是平面应力状态，因此近似认为管道单元主应力
σ =σ ，σ =0，σ =σ 。根据 Mises 屈服准则，管道有效应力计算公式为：
1 y 2 3 x
»
σ e = σ −σ y σ x +σ 2 x (6)
2
y
本试验混凝土管道弹性模量 E=30 GPa，将测点 Y1-Y11 的环向和轴向应变代入计算可得现场试验
有效应力，数值模拟与现场试验有效应力对比如图 11 所示，数值模拟与现场试验误差见表 8。
由表 8 可知，数值模拟与现场试验所测得的有效应力误差最大为 10.39%，位于 Y10 测点，因为
Y10 测点距冲击点距离较远，有效应力的传递受土体均一性影响较大。
Numerical simulation
Experimental measurement Experimental measurement Numerical simulation
Experimental measurement
0.6 Numerical simulation 0.8 0.45
Effective stress/MPa 0.4 Effective stress/MPa 0.4 0 Effective stress/MPa 0.30 0
0.6
0.5
0.15
0.2
0.3
0.2
0.4
0.1 Y11 Y9 Y1 Y5 Y10 0.2 0.15
0.30
0 0.6 Y1 Y5
Y11 Y9 Y1 Y5 Y10 0.8 Y2Y4 0.45 Y6Y8
Pipe axis direction measurement point number Y3 Y7
(a) Direction of the pipeline axis (b) Section A (c) Section B
图 11 数值模拟与现场试验有效应力对比
Fig. 11 Comparison of effective stress between numerical simulation and field test

表 8 数值模拟与现场试验有效应力对比误差
Table 8 Comparison error of effective stress between numerical simulation and field test

有效应力/MPa 有效应力/MPa 有效应力/MPa
测点 误差/% 测点 误差/% 测点 误差/%
试验 模拟 试验 模拟 试验 模拟
Y1 0.566 0.586 3.47 Y5 0.310 0.329 5.75 Y9 0.300 0.324 7.45
Y2 0.274 0.284 3.48 Y6 0.349 0.367 4.91 Y10 0.088 0.098 10.39
Y3 0.157 0.164 4.10 Y7 0.387 0.399 3.09 Y11 0.100 0.110 9.08
Y4 0.275 0.290 5.33 Y8 0.214 0.233 8.13

045103-9