HDPE管道在水平定向鉆進(jìn)回拖中的變形損壞機(jī)理及數(shù)值模擬.pdf

1、水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是發(fā)展最快速、技術(shù)最先進(jìn)、設(shè)備最完善、應(yīng)用最廣泛的非開(kāi)挖施工工法之一,在非開(kāi)挖施工中占據(jù)了主導(dǎo)地位。高密度聚乙烯管道以其特殊的性能在水平定向鉆進(jìn)中得到廣泛應(yīng)用,是目前水平定向鉆進(jìn)使用最為普遍的管材。然而,采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)鋪設(shè)高密度聚乙烯管道時(shí),往往會(huì)遇到這樣一個(gè)重要問(wèn)題:回拖過(guò)程中,HDPE管道發(fā)生了較大的截面尺寸變形,回拖的管道由圓變扁了,導(dǎo)致管道穿越鋪設(shè)工程的失敗。
　　 造成管道鋪設(shè)失敗的原因,是由于發(fā)

2、展歷史有限,基礎(chǔ)研究不足,已有研究還未專門涉及HDPE管道在水平定向鉆進(jìn)回拖中的變形損壞機(jī)理問(wèn)題。目前,由于基礎(chǔ)研究的缺乏,HDPE管道回拖過(guò)程中對(duì)變形損壞現(xiàn)象的控制,也都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別和選取。工程實(shí)踐中,由于地層特性和環(huán)境條件多變、管道材質(zhì)不同、鉆孔軌跡形狀多樣和施工工藝各異,僅憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)許許多多的問(wèn)題,造成管道鋪設(shè)的失敗。因此,HDPE管道在水平定向鉆進(jìn)回拖中的損壞機(jī)理,既是一個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)急需解決的技術(shù)問(wèn)題,也是

3、完善非開(kāi)挖施工基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)的需求。解決這一問(wèn)題對(duì)提高非開(kāi)挖工程施工技術(shù)水平,減少工程風(fēng)險(xiǎn),在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)拓研究新領(lǐng)域,提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 在總結(jié)、吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上,從力學(xué)和幾何學(xué)的角度全面分析了水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)HDPE管道受力模型,對(duì)HDPE管道的損壞機(jī)理進(jìn)行了理論分析。探討地質(zhì)因素、工程施工因素、管材因素對(duì)管道損壞的影響；建立管道外部壓力的計(jì)算模型并進(jìn)行理論分析,解決了以往只對(duì)管道的軸向拉力

4、進(jìn)行計(jì)算分析的缺陷。
　　 運(yùn)用大型ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,將其與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,判斷數(shù)值模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的符合度。分析管道的彈性模量、管道標(biāo)準(zhǔn)尺度比值、管道直徑變形率、管道軸向拉力對(duì)管道變形損壞影響。
　　 結(jié)合具體工程實(shí)例,分析管道內(nèi)是否充滿壓載液時(shí)管道軸向拉應(yīng)力大小和抗失穩(wěn)安全系數(shù)。應(yīng)用有限元和理論得出的計(jì)算分析結(jié)果,確定管道在復(fù)雜載荷作用下的管道最大應(yīng)力和管道損壞的關(guān)系,提出有效的防止管道變

5、形損壞的防止方案及措施。
　　 利用所研究的理論模型和有限元軟件,結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)管道變形損壞機(jī)理進(jìn)行研究探討,得出了以下結(jié)論:
　　 1、地質(zhì)因素、工程施工質(zhì)量、管材因素是影響管道損壞的重要因素,在砂卵石等不穩(wěn)定地層管道易于發(fā)生變形損壞。
　　 2、建立了管道外部壓力的計(jì)算模型并且進(jìn)行了理論分析,解決了以往只對(duì)管道的軸向拉力進(jìn)行計(jì)算分析的缺陷。
　　 3、對(duì)管道損壞機(jī)理進(jìn)行理論分析,并且用第三強(qiáng)度理論

6、進(jìn)行判斷,當(dāng)管道的凈外部壓力超過(guò)管道的無(wú)約束允許外壓時(shí)管道發(fā)生變形損壞。
　　 4、用大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,所得結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果比較符合。通過(guò)結(jié)果分析得出:隨著管道的彈性模量的增加,管道的無(wú)約束允許外壓增大；隨著管道的徑厚比、管道直徑變形率、管道軸向拉力的減小,管道的無(wú)約束允許外壓增大。直徑變形率折減系數(shù)最小可以達(dá)到0.28,軸向拉力折減系數(shù)最小可以達(dá)到0.65。
　　 5、通過(guò)理論分析和事實(shí)證明,在管道內(nèi)充滿填