本文旨在向您介绍一篇发表于学术期刊 Infrastructures 2025年第10卷的原创研究论文。该研究由中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院和机械与储运工程学院的科研团队完成，主要作者为石宁、孔天伟、刘晓犇（通讯作者）和张宏。论文题为《Experimental and numerical model analysis of pipe–soil interaction under typical geohazard conditions》，聚焦于地质灾变条件下管道-土体相互作用这一关键工程科学问题。
一、 研究背景与目的
研究领域属于岩土工程与管道工程交叉学科，具体涉及地质灾害作用下的地下管道结构安全分析。随着油气管道网络不可避免地穿越地质灾害高发区，如断层、滑坡和地面沉降带，管道在周围土体大位移作用下的力学响应与安全性评估变得至关重要。传统的理论解析方法难以精确描述管土相互作用的非线性特征，因此数值模拟方法已成为该领域的主流研究手段。目前，主要的有限元数值模型包括基于非线性土弹簧的模型、传统有限元（FEM）模型以及光滑粒子流体动力学-有限元耦合（SPH-FEM）模型。然而，现有研究多局限于针对单一灾害类型应用单一建模方法，缺乏对不同数值模型在多种地质灾害场景下适用性、预测差异及精度的系统性横向对比与定量评估。
因此，本研究旨在通过结合小尺度物理模型试验与多方法数值模拟，系统性地研究管道-土体在地质灾害条件下的相互作用。核心目标是比较三种主流分析模型——即SPH-FEM耦合模型、传统FEM模型和基于土弹簧的管土相互作用（PSI）模型——在不同地质灾害场景（塌陷、滑坡和断层位移）下的适用性与准确性，从而为工程实践中数值模拟工具的选择提供科学依据。
二、 详细研究流程
本研究包含两个主要且紧密衔接的部分：物理模型试验与多方法数值模拟对比分析。整体工作流程遵循“物理试验提供基准数据 -> 建立三种数值模型 -> 计算结果与试验数据对比 -> 评估模型适用性”的逻辑主线。
第一部分：管道-土体相互作用物理模型试验 1. 试验装置设计与搭建：研究团队自主设计并建造了一套多功能管道-土体相互作用试验平台。该平台核心是一个尺寸为1500 mm × 500 mm × 515 mm的透明有机玻璃砂箱，采用三段式结构，可通过调整钢架和液压平台位置，模拟断层错动、地面沉降和横向滑坡三种典型地质灾害工况。管道最大埋深设计为0.3米。试验中，通过液压平台施加垂直或水平位移来模拟土体的永久地面变形。 2. 试验材料：考虑到金属管道在小尺度试验中变形过小不便于测量，试验选用未增塑聚氯乙烯（UPVC）管作为模型管道，其外径25毫米，壁厚1.5毫米，弹性模量3500 MPa。土体选用管沟回填粉砂，通过直剪试验测得内摩擦角为34.6°，粘聚力为1210 Pa，平均密度为1631 kg/m³。 3. 数据采集与监测方案：采用电阻应变片（型号BE120-3AA-P300）测量管道轴向应变，通过东华测试DH3861N静态应力应变测试分析系统进行数据采集。针对不同灾害类型，应变片布置方案不同：在沉降和断层试验中，沿管道顶部轴向以0.15米间距均匀布置10个测点；在滑坡试验中，沿管道迎坡面和背坡面轴向以相同间距布置测点，以捕捉不同方向的应变变化。 4. 试验过程与数据获取： * 断层作用试验：对砂箱左侧施加最大100毫米的垂直向上位移，模拟逆断层活动。观测并记录了不同位移阶段（25, 50, 75, 100毫米）土体的开裂、三角破裂区发展等变形模式，并同步采集了管道顶部的轴向应变分布数据。结果显示，应变集中发生在断层平面±0.5米范围内，上盘（移动侧）管道顶部产生拉应变，下盘（静止侧）产生压应变，且随着位移增大，拉应变显著大于压应变。 * 沉降作用试验：在砂箱中部区域施加最大50毫米的沉降位移。观测了土体从产生横向张拉裂缝到形成贯穿裂缝的过程。测量了不同沉降量（25, 50毫米）下管道顶部的轴向应变，发现应变分布关于跨中截面近似对称，沉降区内为压应变，两侧为拉应变。同时，测量了土体基底的实际沉降剖面，并利用傅里叶级数展开拟合得到了用于后续数值模拟的沉降曲线函数。 * 滑坡作用试验：通过下滑坡脚基板的向下运动诱发土体沿坡面滑动。观测到由于管道刚度远大于土体，导致管道下方土体位移大于上方，最终在管-土界面产生张拉裂缝，管道下方土体逐渐与管体分离，形成悬空管段。测量了不同滑坡位移阶段（25, 50, 75, 100毫米）管道迎坡面的轴向应变，发现应变分布模式与沉降作用类似，但右侧（滑坡体更发育一侧）应变值系统性高于左侧。
第二部分：多面性数值模拟模型建立与对比分析 基于物理试验的参数和边界条件，研究团队在Abaqus 2022软件中建立了三种对应的管道-土体耦合数值模型。 1. 基于土弹簧的管土耦合模型（PSI模型）： * 核心思想：将土体约束简化为作用在管道节点上的非线性弹簧，分别模拟轴向、横向和竖向的土体阻力。弹簧的本构关系为理想弹塑性，其极限阻力和屈服位移根据美国生命线联盟（ALA-ASCE）管道设计指南中的公式计算。 * 模型实现：管道用Pipe31梁单元模拟，土体作用通过PSI（Pipe-Soil Interaction）单元施加。通过向土体节点施加位移（模拟灾害位移）来驱动管道受力。该模型计算效率最高。 2. 传统有限元模型（传统FEM模型）： * 核心思想：采用连续介质力学方法，将管道和土体均离散为实体单元。管道采用S4R壳单元，土体采用C3D8R六面体缩减积分单元。管土接触采用“面-面”接触，法向为“硬接触”，切向采用罚函数，摩擦系数取0.38。土体本构采用Mohr-Coulomb模型。 * 模型实现：建立与试验尺寸一致的1:1模型，在管道-土体界面附近细化网格。分析步分为施加重力荷载和施加土体位移两步。固定土体区域约束法向位移，活动土体区域施加规定的位移模式。 3. SPH-FEM耦合管土模型： * 核心思想：为了克服传统FEM在大变形下网格畸变的问题，将可能发生大变形的土体区域（灾害影响区）的C3D8R单元转换为光滑粒子流体动力学（SPH）粒子，而管道仍用S4R壳单元模拟。SPH是一种无网格的拉格朗日方法，通过粒子间的插值计算场变量，擅长模拟土体流动、开裂等不连续行为。 * 模型实现：土体粒子由母单元转换而来，继承了其质量、体积、应力应变场、材料属性等。管道与SPH粒子之间通过拉格朗日接触进行耦合。土体位移通过约束外部边界框或基板来施加，而非直接施加于粒子。
第三部分：结果分析与模型对比 研究人员将三种数值模型的计算结果（管道轴向应变分布）与物理试验的测量数据进行了详细对比，以评估其在不同灾害类型和位移量级下的准确性。误差分析以试验数据为基准。 1. 断层作用： * 趋势：三种模型预测的应变分布趋势（应变集中位置、拉压区域）均与试验一致。 * 精度：在较小断层位移（25, 50毫米）下，传统FEM模型结果略高于试验值，相对误差分别为21.14%和28.07%；SPH-FEM模型结果低于试验值，误差较大（32.86%, 44.16%）。在较大位移（75, 100毫米）下，传统FEM在拉应变侧高估，在压应变侧略低估；SPH-FEM则略低估拉应变，误差减小（22.95%, 18.62%）。传统FEM总体精度更高。 * 土弹簧模型：在所有位移下均显著高估应变，误差超过50%，与试验结果差异最大。 2. 沉降作用： * 精度：在25毫米和50毫米沉降下，传统FEM模型相对误差分别为13.82%和12.51%，最为准确。SPH-FEM模型低估应变，误差分别为39.86%和32.77%。土弹簧模型误差再次超过50%。 * 分析：SPH-FEM在小变形场景下优势不明显，且计算效率远低于传统FEM。 3. 滑坡作用： * 精度：在前三个加载阶段（位移25, 50, 75毫米），传统FEM和SPH-FEM结果均略高于试验值，传统FEM误差（24.24%, 17.12%, 30.75%）小于SPH-FEM（42.04%, 44.29%, 44.52%）。 * 关键发现：当滑坡位移达到100毫米（大变形）时，情况发生逆转。传统FEM模型因土体网格严重畸变，计算结果急剧增大，误差飙升至98.95%。而SPH-FEM模型则能有效模拟土体开裂和支撑力减弱，其计算结果相比前一阶段有所下降，与试验中观测到的应变稳定趋势相符，误差降至25.95%，展现出处理大变形问题的优势。
三、 主要结论
本研究通过系统的试验与模拟对比，得出以下核心结论： 1. 非线性土弹簧模型（PSI模型）：基于ALA-ASCE标准，计算效率最高，但模拟结果与试验数据存在显著差异（误差通常>50%）。这表明当前土弹簧模型的精度有待改进。该模型主要适用于需要快速评估的工程场景。 2. 传统有限元模型（传统FEM模型）：在土体位移较小的条件下（如小位移断层、沉降）精度最高，相对误差一般低于30%，计算精度与效率平衡良好。然而，当土体变形较大时（如大位移滑坡），会出现网格畸变问题，导致计算误差显著增加甚至失效。 3. SPH-FEM耦合模型：在大位移条件下表现卓越。其无网格特性使其能够有效模拟土体大变形、流动和开裂等不连续行为。在大位移滑坡工况下，其预测准确性优于传统FEM，更符合物理试验揭示的机理。但其在小变形问题中精度不及传统FEM，且计算耗时最长。
四、 研究意义与价值
本研究的科学价值与应用价值体现在： * 系统性对比框架：首次针对断层、沉降、滑坡三种典型地质灾害，建立了土弹簧模型、传统FEM和SPH-FEM耦合模型的横向对比框架，填补了该领域系统性比较研究的空白。 * 模型适用性指南：明确指出了三种主流数值模型各自的优势区间和局限性，为研究人员和工程师根据具体灾害类型和变形规模选择最合适的数值模拟工具提供了实证依据和清晰指南。 * 工程实践指导：研究结论可直接应用于油气管道穿越地质灾害区的完整性评估与安全设计。例如，对于初步筛查或大尺度分析，可采用高效的土弹簧模型；对于精确分析小变形问题，应优先选用传统FEM；而对于分析滑坡、泥石流等可能引起土体大变形、破裂的灾害，SPH-FEM耦合模型是更可靠的选择。 * 验证数据公开：小尺度物理试验提供了宝贵的基准数据，可用于验证和校准其他管道-土体相互作用数值模型。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究还详细阐述了SPH方法的基本原理和其在Abaqus中的实现方式，以及传统FEM显式计算的动力学平衡方程和中心差分法，为读者理解模型背后的理论基础提供了便利。此外，论文对试验中观察到的土体破坏模式（如断层作用下的三角破裂区、滑坡作用下的管土分离与悬空）进行了描述，这些现象为理解管土相互作用机理提供了直观认识，也解释了为何在大变形下需要能够模拟材料分离和断裂的数值方法。