我國管道運輸?shù)目焖侔l(fā)展和煤礦開采沉陷區(qū)的持續(xù)擴大,越來越多的埋地管道將受到采動沉陷影響,因此,煤礦開采影響下埋地管道的安全正常運營成為管道工程中亟待解決的難題。沉陷土體中管-土相互作用機制及其力學響應研究是埋地管道安全評定的基礎,對埋地管道的安全性預測具有重要意義。本文綜合運用試驗研究、理論分析及數(shù)值模擬等方法與手段,對采動沉陷土體中的管-土相互作用機制及埋地管道的力學響應進行了系統(tǒng)研究,取得了如下創(chuàng)新性成果:(1)自行研制了用于沉陷土體中管-土相互作用研究的專用試驗系統(tǒng),主要包括:模型制作系統(tǒng)、沉陷土體的變形控制系統(tǒng)、土體及埋地管道的變形監(jiān)測系統(tǒng)、管周土體壓力及管道應變監(jiān)測系統(tǒng)等。試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)不同開采沉陷方式、不同管-土力學參數(shù)條件下土體及埋地管道的應力及變形分布規(guī)律測試,為沉陷土體中管-土相互作用機制研究提供依據。(2)借助于研制的沉陷土體中管-土相互作用專用試驗系統(tǒng),對不同土體沉陷過程中的管-土下沉變形、管周土壓力、管道軸向應變及管上側土體的變形進行了測定,得到了管-土下沉變形、管周土壓力及管道應變分布規(guī)律,揭示了沉陷過程中的管-土變形協(xié)同關系、管周體土體破壞及管周約束力分布特征。(3)建立了土體沉陷過程中埋地管道力學響應分析的數(shù)值模型,模擬并分析了土體沉陷過程中管-土變形協(xié)同關系及管道附加軸向應力的分布特征,分析得到了沉陷過程中管道埋深、土體力學參數(shù)對埋地管道力學響應的影響規(guī)律。(4)基于概率積分法,分析得到了工作面開采過程中管道沿線的沉陷變形規(guī)律,并給出了相應的沉陷變形預計公式,建立了采動沉陷中的管-土協(xié)同變形條件�；诓蓜映料葜械墓�-土變形關系,建立了管-土協(xié)同和非協(xié)同變形階段的力學分析模型,分析給出了埋地管道附加應力的計算公式,并編制了采動沉陷中埋地管道力學響應的分析程序。(5)針對某煤礦工作面的采礦地質條件,采用相似模擬試驗方法預測了該工作面開采引起的地表變形及埋地管道沿線變形規(guī)律。分析得到了開采沉陷影響下埋地管道的應力分布規(guī)律,并對埋地管道的安全性進行了評定。研究成果可為采動沉陷過程中埋地管道的力學響應分析及安全性評定提供重要依據。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TD327;TE832
【部分圖文】：

我國油氣管道總里程超過12萬公里，形成了橫跨東西、縱貫南北、連通海外的油氣管網格局，成為推動我國經濟發(fā)展和造福民生的能源動脈。我國長距離油氣輸送管道穿越了我國主要煤田分布區(qū)，如圖1-2所示。隨著我國管道運輸?shù)目焖侔l(fā)展和煤礦開采區(qū)面積的持續(xù)擴大，越來越多的埋地管線將受采動沉陷影響。僅以我國西氣東輸（一期工程）為例，該管線途經9個�。ㄊ校┳灾螀^(qū)，僅在山西、山東、陜西、寧夏4個省區(qū)就涉及8個主要礦區(qū)，受到76個煤礦礦井開采形成的采空區(qū)影響，油氣管道穿越煤礦開采區(qū)的總長度約388km，管道下壓煤嚴重影響了煤炭資源的開發(fā)及礦區(qū)的持續(xù)發(fā)展[12-14]。西氣東輸二線工程途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、湖北、江西、廣東、廣西、山東、湖南、浙江、江蘇、上海14個省區(qū)市，干線和支干線全長9102千米。西氣東輸三線工程干支線沿線經過新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、湖北、湖南、江西、福建和廣東共10個省、自治區(qū)

（a）試驗用土箱（b）土體沉降控制裝置圖1-6 地基土沉降中管道力學響應室內試驗裝置Figure 1-6 Testing device for pipeline mechanical response induced by soil subsidence（2）埋地管與管周土相互作用的數(shù)值模擬研究隨著計算機技術的發(fā)展，國內外學者將有限元分析法應用于管-土相互作用的研究中，通過現(xiàn)有大型有限元軟件的二次開發(fā)進行管-土的相互作用的數(shù)值模擬。埋地管與管周土相互作用的數(shù)值模擬研究主要包括管-土相對運動中的管周土體抗力的分析及埋地管與管周土相互作用中管道力學響應的工程分析。管周土體抗力分析是研究不同土體運動中管道力學響應的基礎，通過對比數(shù)值模擬及室內試驗的研究結果，可進一步深入揭示管-土相互作用的機理及影響因素，推導埋地管與管周土相互作用中的管周土體抗力經驗公式。在管周土體抗力的數(shù)值模擬研究中，Lyons較早采用有限元法，按平面應變問題分析了軟粘土中管道滑動時的水平抗力

定值時擰緊回油閥，土體停止沉陷。（a）千斤頂及蓋板 （b）組裝好的支撐裝置 （c）橡膠板圖3-7 土體沉陷中的支撐裝置Figure 3-7 Supporting equipment for soil subsidence為了控制并監(jiān)測土體的下沉量，在鋼制蓋板底部布置位移計，位移計最大量程為150mm，測量精度為0.01mm。土體下沉過程中先計算每個千斤頂在各沉陷階段的下沉量，采用杭州鑫高科技有限公司生產的DM-201多通道數(shù)據采集儀采集并監(jiān)測下沉值，該采集儀可同時采集20個通道的位移，如圖3-8所示。（a）位移計 （b）位移計的布置 （c）多通道數(shù)據采集儀圖3-8 土體沉陷監(jiān)控儀器及布置Figure 3-8 Monitoring instruments and its arrangement for soil subsidence土體沉陷過程中，液壓千斤頂需要長時間處于工作狀態(tài)，可能會因油壓不穩(wěn)而存在緩慢下沉現(xiàn)象。因此，試驗前先通過計算每階段千斤頂?shù)南鲁粮叨�，并制備對應長度的支撐用木條

本文編號：2835449