Page 151 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

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

演计算。对比实测数据可知，理论公式所得侵彻深度结果整体偏小。张杰等 [21] 建立了球形落石冲击油
气管道计算模型，计算不同工况下管道的变形、塑性损伤及受力响应，量化各参数的影响效应。黄文等 [22]
建立了落石冲击埋地油气管道数值模型，分析了相关参数变化时管道的力学规律，发现管道屈曲时应力
波动、应变增大更明显且凹陷顶点速度二次回升。崔毅等 [23] 采用有限元分析方法，研究了不同因素对埋
地集输管道应力的影响，发现管道温度、内压及铺设坡度对管壁应力的影响较小，主要受到冲击载荷及
壁厚的影响。
综上所述，现有研究通过理论模型构建、试验研究以及数值模拟，揭示了管土相互作用机理和落石
冲击下管道的动力响应特性，特别是在管周应力分布、冲击能量传递机制等方面取得了重要进展。然
而，目前的研究大多是基于应力分析管道，采用应变分析较少；对管道受冲击的研究多是采用数值模拟，
虽能节约成本，但缺少试验对其可靠性的验证。为此，本研究采用物理模型试验与数值模拟相结合的方
法，通过控制变量法重点考察管道埋深、壁厚和冲击偏距等关键参数对埋地管道的影响，并扩展分析管
道直径、内压、冲击速度、管道埋深以及土体力学性质（弹性模量、摩擦因数）对埋地管道的作用机制；基
于 Pearson 相关性分析方法，分析冲击偏距和管道内压、直径、土体特性与管道应变峰值的相关性；以期
为地质灾害高风险区段埋地管道的抗冲击设计及安全铺设提供更全面的依据和工程参考。

1 试 验

为了研究不同因素对埋地管道动力响应的影响，采取控制变量法开展模型试验，通过测量冲击荷载
作用下埋地管道的位移变化以及应变情况，分析冲击荷载作用下管道的动力响应，并为后续的数值模拟
的建立与分析提供依据。
1.1 冲击试验方案
1.1.1 试验设计
试验模型依据城镇输气管道设计规范 GB/T 51455－2023《城镇燃气输配工程施工及验收标准》，结
合阜新本地实际管道工程，阜新本地管道工程中使用的管道为管径 500 mm 的金属管道，由于 1∶1 还原
实 际 管 道 条 件 ， 不 利 于 试 验 的 测 量 与 进 行 ， 所 以 为 有 效 模 拟 实 际 工 况 ， 确 定 试 验 模 型 的 缩 尺 比 例 为
1∶10，并基于此比例构建土体箱模型。试验用土取自阜新本地实际管道工程土体，管道沟挖掘现场如
图 1 所示。土体材料采用实际工程中的粉质黏土，通过采样压实原土，实验室实验测得土体的密度为
1.62 g/cm ，弹性模量为 20 MPa，泊松比为 0.3，黏聚力为 20.4 kPa，内摩擦角为 23.6°，含水率为 18.3%；管
3
道模型采用镀锌钢管，外径为 50 mm，管壁厚度为 1 mm，密度为 7.85 g/cm ，弹性模量为 201 GPa，切线模
3
量为 6.1 GPa，泊松比为 0.3，屈服强度为 245 MPa，极限抗拉强度为 496.2 MPa。为减小模型边界箱体对
管道试验的影响，并结合现有试验条件确定模型箱体尺寸为 0.8 m×0.5 m×0.5 m，如图 2 所示，由加厚铁板
组装而成，确保结构稳定性。采用铁制实心球形落锤模拟落石冲击试验，为使预试验管道不产生破坏，
选取落锤质量为 9.0 kg，半径为 6.0 cm。管道模型采用镀锌钢管，外径为 50 mm，管道壁厚为 1.0 mm，埋
置深度设置为 0.15、0.20 和 0.25 m。

图 1 管道沟挖掘现场取土 图 2 土体箱模型
Fig. 1 On-site soil extraction from pipeline ditch excavation site Fig. 2 Soil box model

073303-3