穿越断层条件下的地下管道安全性数值模拟研究

论文摘要

穿越断层地下管道问题实质是土体永久性位移造成的地下管道破坏,土体永久性位移是导致地下管道破坏的重要原因之一,而地下管道是生命线系统工程中的重要组成部分部分,担负着城市生活和现代化工业生产的重要功能,因此,建立合理的计算模型对穿越断层条件下的地下管道安全性进行分析研究,并将所得的结论应用于实际工程,对有效防止或减小因断层作用引起的地下管道破坏具有重要的科学与实际意义。本文利用有限元软件Ansys对穿越断层的地下管道安全性进行了数值模拟分析研究。主要做了以下几个方面的工作:1、系统地回顾了国内外有关穿越断层的地下管道的研究方法,着重地介绍了几种理论计算方法和有限元数值方法;2、本文有限元模型使用了管土接触壳模型,考虑了管土相互作用、管道和土体材料的非线性以及几何非线性,阐述了数值模拟分析的基本思路和方法。3、通过大量的算例,定量的计算分析了不同的参数如断层活动形式、位错量、断层方位、断层倾角、埋深、管径、径厚比和管道周围土体类型对地下管道安全性的影响,并得出了一些规律和有益的结论。主要有:正断层作用下比逆断层的作用更加危险,破坏管道的可能性更大;管道危险截面一般在距断层面的0-5m范围内;大管径、厚管壁的管道有利于抵抗断层作用;管道宜浅埋。4、将本文中的有限元方法应用到韩城煤层管道工程,对穿越韩城大断裂的煤层气管道安全性进行了评价,计算结果表明地下管道在规定的使用年限内会出现严重的破坏,应做相应的处理,结果与实际工程相符。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 试验研究
• 1.3 本文主要研究内容与技术路线
• 第2章 断层对地下管道作用的研究方法
• 2.1 断层概述
• 2.1.1 活断层的含义
• 2.1.2 活断层的分类及活动特点
• 2.2 管道变形破坏形式
• 2.2.1 拉伸破坏
• 2.2.2 屈曲破坏
• 2.3 理论分析方法
• 2.3.1 Newmark-Hall 方法
• 2.3.2 Kennedy 方法
• 2.3.3 Wang-Yeh 方法
• 2.3.4 Wang-Yeh-Wang 方法
• 2.4 管土相互作用的模型
• 2.4.1 弹性地基梁模型
• 2.4.2 土弹簧模型
• 2.4.3 管土非线性接触模型
• 第3章 穿越断层地下管道有限元建模
• 3.1 ANSYS 简介
• 3.2 非线性分析
• 3.2.1 材料非线性
• 3.2.2 几何非线性
• 3.2.3 状态非线性
• 3.3 模型单元的选取
• 3.4 有效计算区域
• 3.5 边界条件及加载方式
• 3.6 管道失效准则
• 第4章 断层作用下地下管道安全性的影响因素分析
• 4.1 概述
• 4.2 断层活动形式及位错量
• 4.3 断层方位
• 4.4 断层倾角
• 4.5 其它因素
• 4.5.1 管道埋深
• 4.5.2 管径及径厚比
• 4.5.3 管道周围土体类型
• 第五章 韩城煤层气管道穿越断层安全性评价
• 5.1 工程概况
• 5.2 工程地质条件
• 5.2.1 地形地貌
• 5.2.2 气象水文条件
• 5.2.3 地层岩性
• 5.2.4 地质构造与地震
• 5.2.5 水文地质
• 5.3 管道穿越断层情况
• 5.4 计算模型的建立
• 5.4.1 有效计算区域的确定
• 5.4.2 材料力学参数的确定
• 5.4.3 模型网格尺寸的划分
• 5.4.4 模型边界条件的确定
• 5.5 计算结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献