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爆破荷载作用下埋地钢管动力响应特性及影响因素研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的飞速发展，城市规模不断扩张，地下空间的开发和利用愈发深入。地下管道作为城市基础设施的关键组成部分，犹如城市的“生命线”，承担着输送水、燃气、石油、电力、通信信号等重要任务，对于维持城市的正常运转和保障居民的日常生活起着不可或缺的作用。供水管道为居民生活和工业生产提供稳定的水源，确保人们的日常用水需求以及各类生产活动的顺利进行；排水管道及时排放生活污水和雨水，防止城市内涝和环境污染，维护城市的环境卫生和公共健康；燃气管道为城市居民和工业用户输送燃气能源，满足烹饪、取暖等生活需求以及工业生产中的加热需求；电力电缆负责输送电力，保障城市照明、交通信号、工业生产以及居民生活的用电需求；通信线缆则保障城市的信息传输和通信联络，使人们能够便捷地进行交流和获取信息。

在城市建设和各类工程施工过程中，爆破作业是一种常见的施工手段，广泛应用于隧道开挖、矿山开采、地基处理等工程领域。然而，爆破作业会产生强大的爆破荷载，这种荷载以冲击波和地震波的形式在周围介质中传播，对附近的埋地钢管构成严重威胁。一旦埋地钢管受到爆破荷载的影响而发生损坏，可能导致管道泄漏、破裂甚至爆炸等严重事故，进而引发停水、停气、停电等问题，不仅会对城市的正常运行秩序造成极大干扰，给居民的生活带来诸多不便，还可能引发环境污染、火灾等次生灾害，对人民群众的生命财产安全构成巨大威胁。例如，在一些城市的地铁建设或道路拓宽工程中，由于爆破施工距离埋地燃气管道过近，曾发生过燃气管道受损泄漏的事故，导致周边区域紧急疏散居民，造成了严重的社会影响和经济损失。

在理论层面，研究爆破荷载作用下埋地钢管的动力响应，有助于深化对管-土相互作用机制的理解。埋地钢管与周围土壤之间存在着复杂的相互作用关系，在爆破荷载作用下，这种相互作用会对钢管的动力响应产生显著影响。通过深入研究，可以揭示管-土相互作用的内在规律，为建立更加准确的埋地钢管力学分析模型提供理论依据，丰富和完善地下结构动力学的相关理论体系。从现实角度出发，掌握埋地钢管在爆破荷载作用下的动力响应特性，能够为城市建设中的工程规划、设计和施工提供关键的技术支持。在工程规划阶段，可以根据研究结果合理确定爆破作业区域与埋地钢管之间的安全距离，避免在危险区域进行爆破施工；在设计阶段，能够依据动力响应分析结果优化埋地钢管的结构设计，提高其抗爆性能；在施工阶段，可以根据研究成果制定科学合理的爆破施工方案和安全防护措施，确保埋地钢管在爆破作业过程中的安全，有效减少因爆破施工对埋地钢管造成的损害，降低工程事故的发生概率，保障城市基础设施的安全稳定运行，具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在爆破荷载作用下埋地钢管动力响应的研究领域，国内外学者已开展了大量富有成效的工作，涵盖理论分析、数值模拟和现场试验等多个维度，取得了一系列重要研究成果。

在理论分析方面，学者们致力于探究爆破荷载的传播特性以及管-土相互作用的力学机制。部分学者运用弹性力学和波动理论，深入研究爆破应力波在土体中的传播规律，推导了应力波传播过程中的衰减公式，为后续分析爆破荷载对埋地钢管的作用提供了理论基石。比如，有学者基于波动理论，详细分析了爆破应力波在不同土体介质中的传播特性，揭示了土体参数（如密度、弹性模量等）对应力波传播速度和衰减程度的影响规律。在管-土相互作用理论研究中，一些学者采用弹簧-阻尼模型来模拟管-土之间的相互作用，将土体对管道的作用简化为一系列弹簧和阻尼元件，通过建立相应的力学方程，分析管道在爆破荷载作用下的受力和变形情况，这种模型在一定程度上能够反映管-土相互作用的基本特征，为后续的数值模拟和理论计算提供了重要的理论框架。

数值模拟作为研究埋地钢管动力响应的重要手段，近年来得到了广泛应用和深入发展。随着计算机技术和有限元软件的飞速进步，学者们能够借助先进的数值模拟工具，对爆破荷载作用下埋地钢管的复杂力学行为进行精细化模拟分析。通过建立包含钢管、土体以及两者相互作用的三维有限元模型，设置不同的爆破参数（如炸药量、爆心距、爆破方式等）和管道参数（如管径、壁厚、材料特性等），可以系统地研究这些因素对埋地钢管动力响应的影响规律。诸多研究运用有限元软件，模拟了不同工况下埋地钢管的应力、应变和位移分布情况，清晰地揭示了爆破荷载作用下钢管的变形模式和破坏机制。有研究通过数值模拟发现，在近距离爆破荷载作用下，钢管靠近爆源一侧会出现较大的应力集中，容易导致局部屈服和破裂；而随着爆心距的增大，钢管所受应力逐渐减小，变形也相应减弱。

现场试验是验证理论分析和数值模拟结果的关键环节，能够提供最直接、最真实的研究数据。国内外学者针对不同地质条件和工程背景，开展了大量