采动沉陷影响下埋地管道与土相互作用及力学响应研究
发布时间：2020-10-10 18:53
我国管道运输的快速发展和煤矿开采沉陷区的持续扩大,越来越多的埋地管道将受到采动沉陷影响,因此,煤矿开采影响下埋地管道的安全正常运营成为管道工程中亟待解决的难题。沉陷土体中管-土相互作用机制及其力学响应研究是埋地管道安全评定的基础,对埋地管道的安全性预测具有重要意义。本文综合运用试验研究、理论分析及数值模拟等方法与手段,对采动沉陷土体中的管-土相互作用机制及埋地管道的力学响应进行了系统研究,取得了如下创新性成果:(1)自行研制了用于沉陷土体中管-土相互作用研究的专用试验系统,主要包括:模型制作系统、沉陷土体的变形控制系统、土体及埋地管道的变形监测系统、管周土体压力及管道应变监测系统等。试验系统可实现不同开采沉陷方式、不同管-土力学参数条件下土体及埋地管道的应力及变形分布规律测试,为沉陷土体中管-土相互作用机制研究提供依据。(2)借助于研制的沉陷土体中管-土相互作用专用试验系统,对不同土体沉陷过程中的管-土下沉变形、管周土压力、管道轴向应变及管上侧土体的变形进行了测定,得到了管-土下沉变形、管周土压力及管道应变分布规律,揭示了沉陷过程中的管-土变形协同关系、管周体土体破坏及管周约束力分布特征。(3)建立了土体沉陷过程中埋地管道力学响应分析的数值模型,模拟并分析了土体沉陷过程中管-土变形协同关系及管道附加轴向应力的分布特征,分析得到了沉陷过程中管道埋深、土体力学参数对埋地管道力学响应的影响规律。(4)基于概率积分法,分析得到了工作面开采过程中管道沿线的沉陷变形规律,并给出了相应的沉陷变形预计公式,建立了采动沉陷中的管-土协同变形条件。基于采动沉陷中的管-土变形关系,建立了管-土协同和非协同变形阶段的力学分析模型,分析给出了埋地管道附加应力的计算公式,并编制了采动沉陷中埋地管道力学响应的分析程序。(5)针对某煤矿工作面的采矿地质条件,采用相似模拟试验方法预测了该工作面开采引起的地表变形及埋地管道沿线变形规律。分析得到了开采沉陷影响下埋地管道的应力分布规律,并对埋地管道的安全性进行了评定。研究成果可为采动沉陷过程中埋地管道的力学响应分析及安全性评定提供重要依据。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TD327;TE832
【部分图文】：
我国油气管道总里程超过12万公里，形成了横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动我国经济发展和造福民生的能源动脉。我国长距离油气输送管道穿越了我国主要煤田分布区，如图1-2所示。随着我国管道运输的快速发展和煤矿开采区面积的持续扩大，越来越多的埋地管线将受采动沉陷影响。仅以我国西气东输（一期工程）为例，该管线途经9个省（市）自治区，仅在山西、山东、陕西、宁夏4个省区就涉及8个主要矿区，受到76个煤矿矿井开采形成的采空区影响，油气管道穿越煤矿开采区的总长度约388km，管道下压煤严重影响了煤炭资源的开发及矿区的持续发展[12-14]。西气东输二线工程途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、广东、广西、山东、湖南、浙江、江苏、上海14个省区市，干线和支干线全长9102千米。西气东输三线工程干支线沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、湖南、江西、福建和广东共10个省、自治区
（a）试验用土箱（b）土体沉降控制装置图1-6 地基土沉降中管道力学响应室内试验装置Figure 1-6 Testing device for pipeline mechanical response induced by soil subsidence（2）埋地管与管周土相互作用的数值模拟研究随着计算机技术的发展，国内外学者将有限元分析法应用于管-土相互作用的研究中，通过现有大型有限元软件的二次开发进行管-土的相互作用的数值模拟。埋地管与管周土相互作用的数值模拟研究主要包括管-土相对运动中的管周土体抗力的分析及埋地管与管周土相互作用中管道力学响应的工程分析。管周土体抗力分析是研究不同土体运动中管道力学响应的基础，通过对比数值模拟及室内试验的研究结果，可进一步深入揭示管-土相互作用的机理及影响因素，推导埋地管与管周土相互作用中的管周土体抗力经验公式。在管周土体抗力的数值模拟研究中，Lyons较早采用有限元法，按平面应变问题分析了软粘土中管道滑动时的水平抗力
定值时拧紧回油阀，土体停止沉陷。（a）千斤顶及盖板 （b）组装好的支撑装置 （c）橡胶板图3-7 土体沉陷中的支撑装置Figure 3-7 Supporting equipment for soil subsidence为了控制并监测土体的下沉量，在钢制盖板底部布置位移计，位移计最大量程为150mm，测量精度为0.01mm。土体下沉过程中先计算每个千斤顶在各沉陷阶段的下沉量，采用杭州鑫高科技有限公司生产的DM-201多通道数据采集仪采集并监测下沉值，该采集仪可同时采集20个通道的位移，如图3-8所示。（a）位移计 （b）位移计的布置 （c）多通道数据采集仪图3-8 土体沉陷监控仪器及布置Figure 3-8 Monitoring instruments and its arrangement for soil subsidence土体沉陷过程中，液压千斤顶需要长时间处于工作状态，可能会因油压不稳而存在缓慢下沉现象。因此，试验前先通过计算每阶段千斤顶的下沉高度，并制备对应长度的支撑用木条
本文编号：2835449
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TD327;TE832
【部分图文】：
我国油气管道总里程超过12万公里，形成了横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动我国经济发展和造福民生的能源动脉。我国长距离油气输送管道穿越了我国主要煤田分布区，如图1-2所示。随着我国管道运输的快速发展和煤矿开采区面积的持续扩大，越来越多的埋地管线将受采动沉陷影响。仅以我国西气东输（一期工程）为例，该管线途经9个省（市）自治区，仅在山西、山东、陕西、宁夏4个省区就涉及8个主要矿区，受到76个煤矿矿井开采形成的采空区影响，油气管道穿越煤矿开采区的总长度约388km，管道下压煤严重影响了煤炭资源的开发及矿区的持续发展[12-14]。西气东输二线工程途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、广东、广西、山东、湖南、浙江、江苏、上海14个省区市，干线和支干线全长9102千米。西气东输三线工程干支线沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、湖南、江西、福建和广东共10个省、自治区
（a）试验用土箱（b）土体沉降控制装置图1-6 地基土沉降中管道力学响应室内试验装置Figure 1-6 Testing device for pipeline mechanical response induced by soil subsidence（2）埋地管与管周土相互作用的数值模拟研究随着计算机技术的发展，国内外学者将有限元分析法应用于管-土相互作用的研究中，通过现有大型有限元软件的二次开发进行管-土的相互作用的数值模拟。埋地管与管周土相互作用的数值模拟研究主要包括管-土相对运动中的管周土体抗力的分析及埋地管与管周土相互作用中管道力学响应的工程分析。管周土体抗力分析是研究不同土体运动中管道力学响应的基础，通过对比数值模拟及室内试验的研究结果，可进一步深入揭示管-土相互作用的机理及影响因素，推导埋地管与管周土相互作用中的管周土体抗力经验公式。在管周土体抗力的数值模拟研究中，Lyons较早采用有限元法，按平面应变问题分析了软粘土中管道滑动时的水平抗力
定值时拧紧回油阀，土体停止沉陷。（a）千斤顶及盖板 （b）组装好的支撑装置 （c）橡胶板图3-7 土体沉陷中的支撑装置Figure 3-7 Supporting equipment for soil subsidence为了控制并监测土体的下沉量，在钢制盖板底部布置位移计，位移计最大量程为150mm，测量精度为0.01mm。土体下沉过程中先计算每个千斤顶在各沉陷阶段的下沉量，采用杭州鑫高科技有限公司生产的DM-201多通道数据采集仪采集并监测下沉值，该采集仪可同时采集20个通道的位移，如图3-8所示。（a）位移计 （b）位移计的布置 （c）多通道数据采集仪图3-8 土体沉陷监控仪器及布置Figure 3-8 Monitoring instruments and its arrangement for soil subsidence土体沉陷过程中，液压千斤顶需要长时间处于工作状态，可能会因油压不稳而存在缓慢下沉现象。因此，试验前先通过计算每阶段千斤顶的下沉高度，并制备对应长度的支撑用木条
本文编号：2835449
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