高文樂 李坤鵬 段耀奎 馮 娜 張春玉

①山東科技大學土木工程與建筑學院(山東青島，266590)

②濟南魯威科安振動檢測有限公司(山東濟南，250000)

引言

目前，管道運輸在石油運輸與調(diào)配中起到重要作用，覆蓋全國的油氣管網(wǎng)格局已經(jīng)形成[1]。 在管道運輸過程中，難免會遇到爆破作業(yè)。 爆破施工產(chǎn)生的爆破振動會對鄰近埋地輸油管道產(chǎn)生影響，甚至導致管道破裂，造成資源浪費，同時存在很大的安全隱患。 國內(nèi)外制定的管道上方地表振速控制標準差別較大[2]，爆破振動對管道的影響無法得到準確計算。 因此，可以運用數(shù)值模擬分析爆破振動對埋地管道的影響。 王樹江[3]運用ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件建立了包含炸藥、巖土體、埋地管道的管土耦合模型，通過爆破動力載荷數(shù)值模擬，分析管土耦合模型受爆破動載荷的動力響應。郝郁清[4]運用有限元軟件建立管土三維數(shù)值模型，分析不同裝藥量及爆心距工況下埋地燃氣管道、地表土體對爆破振動的動力響應。 黃雄[5]運用LS-DYNA 軟件建立三維有限元模型，證明管道迎爆面中心單元應變峰值和振速峰值均隨著藥量的增加而增加，隨著爆心距的增加而減小。 舒懿東[6]建立三維動力有限元計算模型，分析爆破振動下埋地天然氣管道的管徑、壁厚和埋深等參數(shù)對管道及地表振動特征和管道Von-Mises 應力的影響規(guī)律。 張玉琦等[7]分析了爆破地震載荷作用下埋地管道的動力響應特征，研究了管道振動速度及動態(tài)應變分布特征。

上述文獻均研究了爆破振動對鄰近埋地管道的影響，但是僅停留在對埋地管道單個方向的分析。由此，結(jié)合鄰近埋地輸油管道的某港區(qū)疏港大道土石方爆破工程進行研究，對埋地管道的迎爆面、背爆面、管頂和管底4 個面進行分析，總結(jié)不同方向結(jié)構(gòu)面應力分布規(guī)律。

1 有限元模型

1.1 計算模型建立

碎土石層厚度為2.0 m，兩管道平均埋深為2.8 m，相距0.7 m，管徑1 020.0 mm，壁厚12.7 mm。 爆源與管道水平距離46.0 m，豎直距離3.5 m，外側(cè)管道中心距離模型另一端外邊界4.0 m。

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件建立模型，進行數(shù)值模擬。 由于管道內(nèi)的液體流動壓力遠小于管道所承受的強度，建模時不考慮管道內(nèi)部液體和動壓力的影響。 根據(jù)對稱關(guān)系，建立1/2 模型進行簡化計算，參數(shù)單位采用cm-g-μs。 令重力方向為Y軸負方向，垂直于管道長度方向為X軸正方向，平行于管道方向為Z軸方向。

具體位置及模型尺寸見圖1 所示。

圖1 模型尺寸示意圖(單位:m)Fig.1 Model size diagram(unit:m)

在模型頂部炸藥周圍建立空氣域，使得炸藥爆炸后的能量在流體單元中流動，不存在單元的畸變問題。 基于管道實際埋地敷設施工中會在底部鋪設墊層的情況，在模型最底部巖層和管道之間設置20 cm 厚的土層來模擬實際情況。 模型截面如圖2 所示。

圖2 管道模型截面圖(單位:mm)Fig.2 Section of pipe model(unit:mm)

根據(jù)所研究問題特性，采用多物質(zhì)流固耦合算法，即將炸藥、空氣等物質(zhì)與固體結(jié)構(gòu)的相互作用進行耦合計算[8]。

建模時，對流體材料(炸藥及空氣域)采用ALE算法，對固體材料(其他結(jié)構(gòu))采用Lagrange算法。在管道與土體接觸處、炸藥與被爆巖石接觸處對網(wǎng)格進行加密，以保證計算的精度。 網(wǎng)格劃分情況如圖3 所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of model grid division

1.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

1.2.1 巖石本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

被爆巖石為弱風化白云質(zhì)灰?guī)r，采用*Mat_Plastic_Kinematic 彈塑性材料模型[9]，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 巖體的相關(guān)力學參數(shù)Tab.1 Relevant mechanical parameters of rock mass

底部石灰?guī)r采用HJC 模型(*Mat_Johnson_Holmquist_Concrete)[10-11]，本構(gòu)參數(shù)見表2。

1.2.2 土體本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

土層采用*Mat_Drucker_Prager 材料模型，主要的物理力學參數(shù)見表3。

表2 石灰?guī)r的HJC 模型參數(shù)Tab.2 Parameters of HJC model for limestone

表3 土體的相關(guān)力學參數(shù)Tab.3 Relevant mechanical parameters of the soil

1.2.3 炸藥本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

炸藥采用2＃巖石乳化炸藥、*Mat_High_Explosive_Burn 模型[9]，材料的主要參數(shù)見表4。 采用JWL 狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力與體積的關(guān)系。

表4 炸藥材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of explosives

1.2.4 管道本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

管道為X70 鋼管，采用*Mat_Plastic_Kinematic彈塑性材料模型，服從Von-Mises 屈服準則，管道主要的參數(shù)[12]見表5。

1.2.5 空氣本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

空氣采用*Mat_Null 材料模型和線性多項式狀態(tài)方程*Eos_Linear_Polynomial 描述[13]，在狀態(tài)方程計算過程中不考慮偏應力。 力學參數(shù)見表6。

表5 管道的相關(guān)力學參數(shù)Tab.5 Relevant mechanical parameters of pipeline

表6 空氣的相關(guān)力學參數(shù)Tab.6 Relevant mechanical parameters of air

2 數(shù)值模擬準確性驗證

根據(jù)工程實例建立數(shù)值計算模型，取管道正上方與爆源水平距離46 m 的測點1＃和61 m 的測點2＃，其實測的地表峰值振速見表7。 選取模型中與測點1＃相近位置處管道上方的地表的振速，其結(jié)果如圖4 所示。

將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與本次數(shù)值模擬結(jié)果進行比較分析可以發(fā)現(xiàn)，爆破振動現(xiàn)場測點1＃的X方向、Y方向、Z方向峰值振速分別為0.82、0.74、0.64 cm/s，模擬計算結(jié)果的X方向、Y方向、Z方向峰值振速分別為0.78、0.63、0.59 cm/s，最大絕對誤差為0.10 cm/s，相對誤差為13. 5%，遠低于30. 0%[14]。 因此，本次數(shù)值模擬是準確的，計算模型可以較好地模擬出現(xiàn)場的實際情況。

表7 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.7 Monitoring data of blasting vibration

3 埋地管道應力分析

埋地輸油管道計算時程內(nèi)的應力云圖見圖5。

由圖5可知，t＝0 ms時刻炸藥起爆，產(chǎn)生的沖擊波從爆源中心向外傳播，在5 ms后爆破地震波傳到管道表面，隨后應力波從中間沿管道軸向傳播。傳播過程中，管道面對爆心的迎爆面上的應力狀態(tài)最先開始發(fā)生改變，應力值開始增大，且比管道其他位置處的應力都大；隨著時間的流逝，管道上的應力先增大至最大，隨后減小。

埋地輸油管道不同位置處受爆破載荷的沖擊和周圍土體的作用不同，其動力響應也不同。 取左側(cè)埋地輸油管道橫截面方向上A、B、C、D4 個位置來研究埋地輸油管道的爆破振動響應規(guī)律。 管道截面取點位置見圖6。 其中，A處位于迎爆面；B、D兩處分別為管頂和管底；C處與A處相對，位于背爆面。

管道橫截面4 個位置處有效應力隨時間變化曲線見圖7。

由圖7 可知，爆破載荷作用下，管道近爆面(A處)的有效應力為1.46 MPa，管頂(B處)有效應力為0.77 MPa，管道背爆面(C處)有效應力為1.06 MPa，管底(D處)有效應力為0.84 MPa。 其中，A處有效應力最大，比C處有效應力高37.74%，比B、D處分別高89.61%、73.81%。C處有效應力比B、D處高37.66%、26.19%。

圖4 模擬測點的振動速度波形圖Fig.4 Vibration velocity waveform of simulated measuring points

圖5 埋地管道各時刻應力云圖Fig.5 Stress nephogram of buried pipeline at each moment

圖6 管道截面取點位置Fig.6 Location of measuring points at the pipeline section

由以上分析可得:在爆破過程中，迎爆面的有效應力迅速增大至最大，之后開始衰減至0.1 ～0.4 MPa 范圍內(nèi)。 在爆破振動作用下，迎爆面和背爆面受到的應力遠遠高于管頂、管底的受力，且迎爆面的有效應力要大于背爆面，說明迎爆面是最容易發(fā)生變形的。 管頂和管底位于管道的中軸面上，受到的應力較小，變形也較小。 背爆面有效應力比管頂和管底的有效應力高，是由于當?shù)卣鸩ń?jīng)過左側(cè)管道傳遞至右側(cè)埋地管道時，右側(cè)管道的波阻抗與土體不同，會在右側(cè)管道處發(fā)生反射與折射，還會受到管道直徑和壁厚的影響。

圖7 有效應力曲線Fig.7 Effective stress curves

4 結(jié)論

1)通過ANSYS/LS-DYNA 流固耦合的方法模擬爆破過程，結(jié)果表明:基于流固耦合方法模擬得到的爆破振動速度與現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。 因此，在實際工程中可以采用流固耦合方法進行數(shù)值模擬，研究爆破振動對埋地輸油管道影響的相關(guān)問題。

2)在爆破振動作用下，迎爆面和背爆面所受應力遠高于管頂、管底所受應力，且迎爆面有效應力要大于背爆面，表明迎爆面是最容易發(fā)生變形的。 管頂和管底位于管道的中軸面上，受到的應力值較小，變形也較小。 當爆破地震波經(jīng)過左側(cè)管道傳遞至右側(cè)埋地管道時，右側(cè)管道的波阻抗與土體不同，爆破地震波會在右側(cè)管道處發(fā)生反射與折射，反作用于左側(cè)管道背爆面，使得背爆面應力比管頂和管底的應力大。