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第 46 卷 费鸿禄，等： 落石冲击作用下埋地管道的动力响应分析 第 7 期

Among them, pipeline internal pressure, pipeline diameter, and pipe-soil friction coefficient are positively correlated with
strain, while soil elastic modulus and impact eccentricity are negatively correlated with strain. The rockfall impact eccentricity
and pipeline internal pressure have a moderate to strong correlation with the impact response of buried pipelines.The research
results can provide a basis for the safety design of buried pipelines in high-risk areas.
Keywords: rockfall impact; buried pipeline; dynamic response; scaled model

随着油气工程的快速发展，埋地管道承担着重要的运输任务，管道常服役于复杂的山区，管道在运
行中经常遭受各种因素的侵害。落石冲击是导致管道破坏的常见形式之一，从高处坠落含有巨大动能
的落石撞击埋置管道的上部土体，极易致使管道受损，不仅造成能源浪费，还可能引发重大安全事故。
因此，深入开展冲击荷载作用下埋地管道动力响应规律的研究具有重要意义。
管土作用是指管道与周围土体之间相互施加力的作用以及由此引发的一系列物理现象。目前管土
相互作用研究通过理论分析、试验与数值模拟取得了一些成果。吴彬等 [1] 基于弹塑性地基梁理论，构建
在管土相互作用下的管道挠曲微分方程，推导出悬空管道塑性区长度上限值。Peng 等 [2] 开展非饱和颗
粒土壤中管-土相互作用的微观力学分析，强调土壤饱和度对管土作用评估的重要性，得到颗粒间吸力对
该作用行为的影响。徐涛龙等 [3] 利用 SPH 分析了土质滑坡变形、黏性泥石流冲刷下管道受力变形特征，
解决了管土耦合分析中土体的非线性大变形问题。刘鹏等 [4] 通过数值模拟方法分析了连续沉降过程中
的管土相互作用演化过程，探究不同地层沉降下的管土作用规律，得到连续沉降条件下埋地钢管最大
von Mises 应力预测模型。Sultanov 等 [5] 用有限差分法分析管道轴、径向应力随时间和管长的变化规律，
考虑管土接触的摩尔库伦摩擦，指出冲击波传播方向摩擦力对管道应力增长起决定作用。杨辉等 [6] 基
于 ANSYS 三维模型，分析管周接触应力的分布，发现管周接触应力呈正弦分布，且摩擦因数超过 0.5 时
影响减弱。吴锴等 采用非线性土弹簧描述管土相互作用，分析局部突变区域长度及位移量对管道受力
[7]
影响，结果得到管道的 3 种受力状态。吴禹含等 [8] 通过矩形管廊上浮过程管土相互作用透明土模型试
验，分析管周土体位移变化面夹角，得到不同埋深下矩形管廊的荷载-竖向位移曲线及周围土体位移场变
化。马越超 [9] 借助数值模型与仿真技术，系统研究埋地弯管的地震反应规律和制约因素，明确其与土相
互作用机理。王飞等 [10] 采用 3 种弹簧模型模拟海床，计算了端部施加一定位移下立管的位形和弯曲应
力，得到向量式有限元法在模拟静态端部位移加载下的管-土相互作用是可行的。Wang 等 [11] 通过采用
参数变化的实验方法对环境参数进行敏感性分析，验证管土相互作用大横向位移的数值方法，得到耦合
欧拉-拉格朗日数值模拟与实验结果之间存在一致性。Xie 等 [12] 基于物质点法开展数值模拟，研究了管
道在地表荷载作用下的管土相互作用，结果表明，随着荷载水平距离的增加，管土破坏模式由 Prandtl 型
地基破坏转变为非对称破坏。
为了探究落石冲击能量与管道响应的相关规律，研究者们开展模型试验和数值模拟，研究了不同工
况下管道的动态响应特性。马文江等 [13] 搭建了落石冲击埋地管道动态响应试验平台，研究了不同下落
高度下的落石冲击响应，发现落石高度增大时，冲击时间延长，管道应变和沉降量随之增大。刘天豪等 [14]
通过现场试验和数值模拟，探究地面混凝土垫层的防护机制，揭示了管道动应变分布规律及垫层高度、垫
层强度的影响机制。张虎等 [15] 经试验与模拟发现，管道所受的土压力随距振源水平距离的增大而降低，
冲击能量对近中心点区域的影响更大。白冰洁等 [16] 利用有限元软件 ABAQUS 分析了不同管径的钢制管
道在冲击作用下的力学响应和破坏形态，研究表明，可通过合理调控管道管径、壁厚及埋深参数，有效控
制管道的冲击破坏形态。方迎潮等 [17] 建立了崩塌作用埋地管道的地质力学模型，模拟落石冲击作用下
土体与管道的变形响应过程，并分析相关影响因素，揭示了管道变形从协调向非协调发展。腾振超等 [18]
通过冲击荷载下冻土区埋地管道动力响应缩尺试验，研究了不同条件下管道的应变分布，得到了管道的
应变分布规律。Rao 等 [19] 采用两阶段法，分析了落石冲击引发的邻近埋地管道横向挠度变形。在探究管
径的影响规律后发现，存在最优管径尺寸，可使邻近管道的变形量降至最低。Amini 等 [20] 构建了基于通
用风险矩阵的埋地管道岩崩风险评估框架，评估了岩崩侵彻深度常用估算理论，并结合实际岩崩案例反

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