Page 161 - 《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

从图 26～27 可以看出，落石冲击埋地管道 200 16
的管土摩擦因数为 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 时，管 Maximum mises stress
Maximum strain
道最大应力分别为 185.4、186.0、186.1、186.2 和 190 12
−4
186.4 MPa，最大应变分别为 8.03×10 、8.06×
−4
−4
−4
−4
10 、8.07×10 、8.07×10 和 8.08×10 ，整体随摩 Mises stress/MPa 8 Strain/10 −4
擦因数的增大呈微幅上升趋势。摩擦因数从 0.2 180
增大到 0.3 时，当摩擦因数小于 0.3 时，管道最大应 4
力与应变的增幅变化更为显著；而摩擦因数超过
170 0
0.3 后，二者变化趋于平缓，可见落石冲击作用下 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Pipe-soil friction coefficient
管土摩擦因数并不是关键的影响因素。其原因
图 27 最大 Mises 应力和最大应变随管土摩擦因数的变化
是管土摩擦因数增大使土体对管道的约束效应
增强、相对滑移减小，导致作用于管道的力略有 Fig. 27 Variations of maximum Mises stress and maximum strain
with pipe-soil friction coefficient
增加，但该因素对管道应力应变的整体影响微弱。
2.4.5 不同冲击力对管道动力响应规律的影响
为探究不同冲击力对埋地管道动力响应产生的影响，选取落石冲击速度 v 为 5～30 m/s 的 6 种落石
冲击管道模型，其他条件不变。截取管道在不同冲击速度下的最大时刻 Mises 应力云图，如图 28 所示。
根据模拟结果，绘制不同落石冲击下管道最大 Mises 应力和最大应变变化曲线，如图 29 所示。

Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

126.57 246.00 267.10
113.82
101.27 221.57 240.63
214.07
196.91
88.58 172.43 187.45
75.95 147.85 160.89
63.33 123.36 134.26
50.71 98.75 107.62
38.08 74.21 81.03
z 25.45 z 49.66 z 54.45
12.83
27.86
25.12
x y 0.21 x y 0.57 x y 1.28
(a) v=10 m/s (b) v=20 m/s (c) v=30 m/s
图 28 不同落石冲击速度下的管道最大 Mises 应力云图
Fig. 28 Maximum Mises stress contours in pipelines under different rockfall impact velocities

从图 28～29 可以看出，在速度为 5～30 m/s 的
300 60
落 石 冲 击 下 管 道 的 最 大 应 力 分 别 为 6 7 . 7 1 ～ Maximum Mises stress
250 Maximum strain 50
267.10 MPa，最大应变分别为 2.93×10 ～5.45×10 。
−3
−4
冲击速度从 5 m/s 升至 20 m/s 后，最大应力增幅 200 40
较大，最大应力增大了 178.59 MPa，而最大应变 Mises stress/MPa 150 30 Strain/10 −4
的增幅较小，增大了 9.87×10 ；当落石冲击速度 100 20
−4
超过 20 m/s 后，管道的最大 Mises 应力和最大应
50 10
变进入快速增长阶段，尤其是应变增长速率显著
跃升，管道从弹性变形快速向塑性破坏过渡，失 0 0
5 10 15 20 25 30
−1
效风险呈指数级上升。因此，20 m/s 可视为落石 Rockfall impact velocity/(m·s )
冲击管道的“临界安全阈值”，即最大允许速度。 图 29 管道最大 Mises 应力和最大应变随落石冲击速度的变化
2.4.6 不同管道埋深对管道动力响应规律的影响 Fig. 29 Variations of maximum Mises stress and maximum strain
为探究相同冲击力作用下不同管道埋深对 of pipeline with rockfall impact velocity
埋地管道动力响应产生的影响，选取管道埋深（h）为 1.0 、1.5、2.0、2.5 和 3.0 m，冲击速度为 15 m/s，其他
条件不变。截取管道在不同冲击速度下的最大时刻 Mises 应力云图，如图 30 所示。根据模拟结果，绘制
不同管道埋深下管道最大 Mises 应力和最大应变变化曲线，如图 31 所示。

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