Page 163 - 《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

相关性，其中管道内压和直径的增大会增大管道应变（正相关），而冲击偏距、管土摩擦因数及土体弹性
模量的增大则减小应变（负相关）。工程上建议通过调整管道位置以保持足够的冲击偏距，从而减小落
石冲击风险；同时，对于高内压管道应重点关注冲击敏感区域，以保障结构安全。尽管部分因素相关性
较弱，但在复杂工况下仍可能存在协同影响，需在设计和运维中综合考虑。

R
1.0
ε max 0.004 −0.689 0.614 0.242 −0.161 1.000
0.6
E −0.061 −0.083 −0.131 −0.063 1.000 −0.161

0.2
D −0.063 −0.086 −0.134 1.000 −0.063 0.242
p −0.131 −0.179 1.000 −0.134 −0.131 0.614 −0.2

L −0.083 1.000 −0.179 −0.086 −0.083 −0.689
−0.6

k c 1.000 −0.083 −0.131 −0.063 −0.061 0.004
−1.0
k c L p D E ε max
图 32 Pearson 相关性分析
Fig. 32 Pearson correlation analysis
4 结 论

以落石冲击埋地管道展开研究，结合落锤冲击模型试验与 ANSYS/LS-DYNA 有限元模拟，系统探究
冲击高度、偏距、管道埋深及管道内压等因素对管道动力响应的影响，得到以下结论。
(1) 在冲击荷载作用下，埋地管道的力学响应呈现瞬态响应。由于冲击能量集中传递，危险截面位
于冲击点正下方区域。管道顶部承受强烈的应力集中效应，应变表现为最大状态，且轴向应变明显大于
环向应变，使得管道顶部轴向更容易产生损伤变形；从变形形态来看，管顶受冲击荷载主导作用，变形主
要呈现向下凹陷的趋势，严重影响管道的服役安全与寿命。
(2) 当管道埋深一定时，随着落锤高度的增大，对管道应变峰值的影响逐渐增大。当冲击高度一定
时，随管道埋深的增大，土体削弱冲击荷载，管道应变峰值明显减小，埋深对管道应变的削弱效果，并非
均匀作用于整个管道，而是对非核心受力区更显著，对核心受力区相对有限；随管道壁厚的增大，管道抗
变形能力增强，厚壁管道凭借更高截面惯性矩，能更有效地吸收和分散冲击能量，厚壁管道上下两侧轴
向应变呈现出近似反对称。当冲击偏距存在时，管道上部环向应变由受压状态转变为受拉状态；管道下
部仍保持受压，但压应变幅值显著降低。
(3) 管道最大应力和应变与管径、内压呈正相关，管径越大管道的薄壁效应越明显，受到冲击荷载作
用更容易导致应力集中产生变形；低内压对管道的影响相对较小，高内压更易使管道屈服变形；与冲击
偏距呈负相关，当冲击偏距超过 2 m 后，力学响应逐渐趋近于无冲击影响的水平；土体弹性模量的提升
能够有效增强管道约束，降低应力应变，而管土摩擦因数对管道响应的影响相对有限，超过 0.3 后其作用
趋于稳定；管道最大应力和最大应变与落石冲击力正相关，当落石的速度达到 20 m/s，管道应力接近材料
的屈服强度，管道失效风险呈指数级上升；最大应力和最大应变与管道埋深负相关，1.5 m 埋深可以显著
降低落石冲击对管道的影响。通过 Pearson 相关性得到，管道内压与冲击偏距是影响管道应变峰值的主
控因素，其作用程度显著高于其余试验参数，可为埋地管道冲击风险评估与防护设计提供量化参考。

参考文献：
[1] 吴彬, 刘晓宇. 埋地悬空管道弹塑性受力分析与计算 [J]. 三峡大学学报 (自然科学版), 2020, 42(5): 42–48. DOI:

073303-15