Page 158 - 《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

3.2 土压力验证
土压力不仅对管道的结构完整性有直接影响，还会影响管道在冲击载荷作用下的变形、位移和可能
的破坏模式，现场试验一共设置 2 个土压力监测位点（图 5），在数值模型中相同位置选取 2 个土压力测
点进行对比分析，试验与模拟得到的土压力结果对比如图 12 所示。现场试验测得企口式混凝土管道顶
部动土压力在 0.025 s 左右达到最大值，为 34.84 kPa，与管身产生最大应变的时间一致，管道底部土压力
在其后到达最大值，为 6.27 kPa，与管身应变顶部大于底部的规律保持一致。

45 10

Experimental measurement Experimental measurement
Numerical simulation Numerical simulation
30 5
Earth pressure/kPa 15 0 Earth pressure/kPa 0

−15 −5
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
Time/ms Time/ms
(a) Top of the pipe (b) Bottom of the pipe

图 12 管道顶部、底部土压力验证
Fig. 12 Verification of earth pressure at top and bottom of pipeline
数值模拟的土压力在数值上稍大于试验测得的土压力，但管道周围的土压力变化趋势基本一致。

数值模拟管道顶部土压力最大值为 38.10 kPa，与现场实测管道顶部土压力最大值之间误差为 9.36%，数
值模拟管道底部土压力最大值为 7.12 kPa，与现场实测管道底部土压力最大值之间误差为 13.56%。
数值计算结果均略大于现场监测，但误差在 15% 以内。对这一现象进行分析，认为是由于有限元计
算中没有考虑土体中可能存在的薄弱节理面而导致的。总之，建立的数值模型和参数选择是可行的，管
道动态响应符合工程实际，为后续的混凝土垫层防护作用研究奠定了基础。
3.3 管道破坏形式分析
本试验所用企口式管道连接方式是以橡胶圈为密封材料的柔性连接，适用于地震频繁、地基沉降等
复杂环境下的管道系统。落石冲击试验中柔性接口会产生偏转，按照 GB50268—2008《给水排水管道工
程施工验收规范》对预 (自) 应力钢筋砼管道在弯曲部位的容许转角，内径 1 600～3 000 mm 的管道，其容
许偏转角是 0.5°，内径 800～1 400 mm 的管道，其容许偏转角是 1.0°。此次试验的管道内径为 1 500 mm，
安全起见，取管道允许转角为 0.5°，即认为当企口管偏转角度大于 0.5°时，将导致管道接口密封性降低，
发生漏水等事故。企口管偏转角计算如图 13 所示，计算公式为：

(7)
θ = θ a +θ b
θ a = arcsin(∆h a /L 0 ) (8)
θ b = arcsin(∆h b /L 0 ) (9)
根据相似定理，偏转角可以由下式计算：

θ = arcsin(∆d/L) (10)
式中：θ 为总偏转角，θ 为企口管 1 的偏转角，θ 为企口管 2 的偏转角，Δh 为企口管 1 企口相对插口位移，
a
b
a
Δh 为企口管 2 企口相对插口位移，L 为单段企口管长度；Δd 为企口插口相对位移，L 为企口接口长度。
0
b
除接口破坏外，管道受落石冲击作用产生的动力响应也不可忽视，管身最大应变为顶部环向拉应
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