Page 160 - 《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

2.4.4 土体性质对管道动力响应规律的影响
为分析土体性质对管道响应规律，选取土体弹性模量 E 为 10 、20、30、40 和 50 MPa 建立不同土体
弹性模量的埋地管道数值模拟，冲击速度为 15 m/s，其他条件不变。截取不同土体弹性模量下管道最大
时刻 Mises 应力云图，如图 24 所示。根据数值模拟结果，绘制不同土体弹性模量下管道最大 Mises 应力
和应变曲线，如图 25 所示。

Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

166.83 152.51 142.26
150.16 137.26 128.17
133.54 122.03 113.95
116.82 106.81 99.68
100.23 91.58 85.49
83.54 76.36 71.32
66.91 81.14 57.11
28.73
z 50.25 z 45.91 z 42.92
30.69
33.61
x y 16.96 x y 15.47 x y 14.54
0.35
0.32
0.25
(a) E=30 MPa (b) E=40 MPa (c) E=50 MPa
图 24 落石冲击不同土体弹性模量下的管道最大 Mises 应力云图
Fig. 24 Maximum Mises stress contours of pipelines subjected to rockfall impact at different soil elastic modulii

从图 24～25 可以看出，当土体弹性模量为 250 16
10 MPa 时，管道最大应力达 223 MPa，最大应变 Maximum mises stress
Maximum strain
达 9.63×10 ；随着土体弹性模量的增达，管道最 200 12
−4
大 应 力 和 应 变 逐 渐 减 小 ， 土 体 弹 性 模 量 增 至 150
50 MPa，管道最大应力降至 142.2 MPa，最大应变 Mises stress/MPa 8 Strain/10 −4
减至 6.16×10 。总体分析，随着土体弹性模量的 100
−4
不断增大，土体的整体承载力和约束刚度显著提 4
50
升，可有效分散、耗散外部冲击能量，削弱荷载
对管道的作用效应，进而对管道起到显著的保护 0 10 20 30 40 50 0
作用，管道最大应力和应变随土体弹性模量的增 Elastic modulus of soil/MPa
大呈非线性下降，且降幅逐渐趋缓。这是因为低 图 25 最大 Mises 应力和最大应变随土体弹性模量变化
弹性模量土体难以削弱、分散冲击荷载，导致落 Fig. 25 Variation of maximum Mises stress and maximum strain
石易侵入土体引发应力集中，产生更大变形；随 with soil elastic modulus
着土体弹性模量的增加，土体的密实度增大刚性提升，对管道约束与抗冲击能力增强，能均匀分散荷载，
从而有效降低管道应力与应变。
为探究落石冲击作用下管土间摩擦因数对管道的影响，保持土体弹性模量为 20 MPa，选取管土摩擦
因数 k 为 c 0.2、0.4、0.5 和 0.6，建立落石冲击埋地管道数值模型，落石冲击速度为 15 m/s，其他条件不变。
截取管道在不同管土摩擦因数影响下的最大时刻 Mises 应力云图，如图 26 所示。根据数值模拟结果，绘
制最大 Mises 应力和最大应变随管土摩擦因数变化曲线，如图 27 所示。

Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

186.10 186.20 186.40
167.52 167.74 167.83
149.02 149.13 149.26
130.47 130.52 130.65
111.85 111.96 112.02
93.25 93.31 93.38
74.68 74.73 74.77
56.17
56.14
56.11
z 37.55 z 37.56 z 37.57
x y 18.89 x y 18.97 x y 18.97
(a) k c =0.4 0.41 (b) k c =0.5 0.39 (c) k c =0.6 0.37
图 26 不同管土摩擦因数下落石冲击管道最大 Mises 应力云图
Fig. 26 Maximum Mises stress contours of pipelines subjected to
rockfall impact at different pipe-soil friction coefficients

073303-12