Page 159 - 《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

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变，故管身受落石冲击作用下以受拉破坏为主。C30 强度混凝土材料极限拉应变大小为 47.67×10 ，当管
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身峰值拉应变超过 47.67×10 时，管身裂缝将出现不稳定扩展。
在管道径厚比、埋深均不变的情况下，冲击能对管道破坏的影响最明显，所以直接分析不同冲击能
对管道偏转角的影响。分别取冲击体的冲击能为 20、40、60、80 和 100 kJ 进行数值模拟，得到管道峰值
拉应变、峰值有效应力、相对位移和偏转角的冲击能关系，如图 13 所示。

Δh a θ a
Pipe B Pipe A
θ
L
Δh b θ b
L 0
图 13 企口管偏转角计算示意
Fig. 13 Schematic calculation of the deflection angle of the tongue and groove pipe
冲击能作为标量参数，虽可量化冲击强度，但其等效性受以下因素制约：冲击体形状，尖锐冲击体（如
锥形）因接触面积小，局部应力集中显著，同等能量下比球体（本试验采用）更易引发管体穿孔；质量-速度
组合，相同冲击能下，高速度-小质量冲击体（如 m=10 kg, v=44.7 m/s）因动量（p=mv）较低，可能延长冲击
作用时间，降低峰值应力；材料刚度，刚性冲击体（如钢球）能量传递效率高于柔性体 (如土石混合物)，导
致更严重的局部损伤。因此，本文结论仅适用于球状刚性冲击体，若实际工程中冲击体类型差异显著，
需结合形状因子调整设计。
由图 14 可知，管道的偏转角和峰值拉应变随冲击能的增大，均呈现非线性递增。冲击能为 100 kJ
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时，管道峰值拉应变达到 57.33×10 ，超过管道的极限拉应变，混凝土管道裂缝将出现不稳定扩展，而此
时管道的偏转角仅为 0.29°，说明埋地企口式钢筋混凝土管道在受落石冲击时，由于管身裂缝不稳定扩展
导致的漏水事故更易发生，所以下文仅对管身峰值拉应变进行分析。

60 2.0 0.12 0.4

Peak tensile strain
Peak effective stress 0.09 0.3
Peak tensile strain/10 −6 40 Peak effective stress/MPa 1.5 0.06 Relative displacement/cm 0.2 Deflection angle/(°)
Relative displacement
Deflection angle

20
1.0
0.1
0.03
0 0.5 0 0
20 40 60 80 100
Impact energy/kJ
图 14 峰值拉应变、峰值有效应力、相对位移和偏转角的冲击能关系曲线
Fig. 14 Relationship curves between impact energy and peak tensile strain, peak effective stress,
relative displacement, and deflection angle
4 混凝土垫层的防护作用

4.1 垫层厚度效应
混凝土垫层在受到冲击时能起到很好的缓冲作用，不同厚度的垫层对于落石冲击的防护效果不同，
但是垫层厚度的影响规律及极限是多少并不清楚。保持管道参数不变，管道埋深为 2.0 m，落石冲击能
100 kJ，垫层混凝土强度 C30，分别建立垫层厚度为 10、15、20、25、30 cm 的数值模型，分析垫层厚度对

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