Page 130 - 《振动工程学报》2026年第2期

446 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

现场试验与模型试验在研究冲击荷载作用下埋 输水或输气的铸铁管道多埋置于 1～3 m 的粉质黏
地管道动力响应中起着不可替代的作用，试验手段 土底层中，该土层分布广泛、强度低、含水量大、受
是管道动力响应数据的直接来源，也为理论解析研 落石冲击后变形位移大。因此，研究埋地铸铁管道
究和数值模拟研究提供基础，诸多学者在试验领域 在粉质黏土中受落石冲击的动力响应具有重要意
取得了成果 [6-9] 。DONG 等 [10] 开展了落石冲击荷载作 义。基于上述工程特点以及全尺寸现场试验要求，
用下埋地管线应变行为的试验研究，利用设计的土 本试验选取了江汉大学位于武汉市江夏区郑店街道
箱进行比例模型试验，模拟埋设管道复杂的地质条 金星村的室外爆破试验场地作为本次试验场地，该
件，建立锤-土-管道仿真模型，研究埋地管道的动力 试验场地长约 500 m，宽约 400 m，根据试验场地的勘
响应。马文江等 [11] 通过落石冲击模型试验得出在落 察报告，试验范围内表层为 30 cm 厚度素填土，下层
石能量约为 56.84 kJ 时，管道顶面落石冲击点区域附 为 5～6 m 的粉质黏土层，土层性质单一且未经过其
近出现塑性变形。BERTALOT 等 [12] 采用蒙特卡罗 他扰动，符合本次落石冲击试验场地的基本要求。

概率法通过对以往历史事件进行评估，提出了一种 1.1.2 试验方案
海底岩石边坡管道落石危险性评估方法。陈利琼等 [13] 本试验采用管道符合国标 GB/T 13295—2019 [17] ，
利用 RocFall 软件分析落石动能，在 CAESAR 软件中 输水输气常用球墨铸铁管道，管道长度为 8 m，直径
对管道模型施加作用力，分析落石冲击对管道的破 为 1000 mm，壁厚为 12.6 mm，试验用铸铁管道物理
坏，得出 1000 kg 的落石可使管道发生撞击失效。LI 和力学参数如表 1 所示。

等 [14] 基于能量原理获得了深水岩石倾倒过程中岩
表 1 铸铁管道及混凝土球参数
石-管道撞击力的函数；应用经过验证的耦合 DEM-
Tab. 1 Cast iron pipe and rockfall parameters
CFD 模型模拟岩石倾倒过程，获得潜水管道响应，结
管材 管径/mm 壁厚/mm 弹性模量/GPa 泊松比
果表明单个岩石落下可能会损坏管道，但多个岩石
球墨铸铁管 1000 12.6 205 0.3
同时落下相对更加安全。
名称 直径/mm 质量/kg 混凝土材质 弹性模量/GPa
当前的研究现状也表明室外临近管道的现场冲
混凝土球 330 50 C30 24
击试验是重要且有效的手段，但考虑到室外全尺度
试验的复杂性及埋地管道动力响应影响因素的多变 考虑到工程实际情况，本试验将铸铁管道埋置
性，为更经济高效地开展工作，将室外试验与数值模 于土层性质较好的粉质黏土层 2 m深度处，并用原位
拟技术相结合是更为科学的研究途径 [15] 。通过现场 土进行回填压实以模拟现实管道埋置情况。铸铁管
试验获得管道响应数据，并通过数值模拟研究补充 道多用于输气与输水，但现场试验不具备在管道内
现场试验的不足，已成为管道动力响应特性的主流 充 入 燃 气 或 水 的 条 件， 因 此 保 持 空 管 状 态 进 行 试
研究方法 [16] 。 验。本试验落石采用重 50 kg 混凝土球，其相关参数
目前，国内对落石冲击造成铸铁管道破坏的控 如表 1 所示，混凝土球内置应变砖与信号线相连接，
制与修复方面的研究较少。因此，研究落石冲击对 混凝土球上方设置钢筋挂钩，与遥控脱钩器配合可
埋地铸铁管道的影响，对管道工程建设与维保具有 实现对球体坠落高度的精准控制。
重要意义。 为了充分模拟埋地铸铁管道可能受到落石冲击
基于上述原因，本文参照球墨铸铁管道实际使 的情况，使用吊车将冲击落石从预设冲击位点吊起
用环境，根据相关工程中落石冲击下埋地铸铁管道 30 m，然后通过遥控脱钩器使其自由落体坠落。在
出现的安全性问题，提出了一种研究埋地铸铁管道 管道正上方，沿管道径向设置 6 个落石位点，每个落
受落石冲击下动力响应的现场试验方法。通过该试 石位点之间相距 1 m。为了避免冲击作用力对管道
验方法，利用动态测试技术对铸铁管道受落石冲击 造成塑性破坏而影响后续的冲击试验结果，将轴向
落石位点设置在远离管道轴向 6 m 处，在轴向落石
中的动力响应进行分析，得出不同落石冲击位置下
点上设置了 13 个落石位点，每个落石位点相距 1 m。
管道的动力响应规律。

试验现场的布置如图 1 所示。

1 落 石 冲 击 试 验 1.1.3 测点布置
为研究埋地铸铁管道受落石冲击作用下管道的

动态响应规律，在铸铁管道以及周边土体中布设相
1.1 试验场地与试验方案
应的动态测试传感器，对所需数据进行测量，本次试

1.1.1 试验场地 验采用多台 DH 8302 超动态应变测试仪通过时钟相
根据埋地铸铁管道实际工程的场地特点，用作 连，构成 64 通道信号采集系统。通过在管道内表面