Ảnh hưởng của việc lắp đặt đường ống thép và tải trọng bên ngoài đến phản ứng của ống thép chôn: Điều tra thực nghiệm và số học

Giới thiệu

Việc lắp đặt đường ống thép là một thành phần quan trọng của cơ sở hạ tầng hiện đại, đặc biệt là trong việc vận chuyển chất lỏng và khí. Hiểu được hành vi của ống thép chôn trong các điều kiện khác nhau là điều cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn và tuổi thọ của chúng. Bài viết này nhằm mục đích phân tích tác động của việc lắp đặt đường ống thép và tải trọng bên ngoài đến phản ứng của ống thép chôn dưới đất thông qua nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu số.. Tầm quan trọng của nghiên cứu này nằm ở khả năng cung cấp thông tin cho thực tiễn kỹ thuật, nâng cao tiêu chuẩn an toàn, và góp phần phát triển cơ sở hạ tầng có khả năng phục hồi tốt hơn.

Lý lịch

Tầm quan trọng của ống thép chôn

Ống thép chôn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả cấp nước, hệ thống nước thải, và vận tải dầu khí. Khả năng chịu đựng của chúng áp lực cao và chống ăn mòn khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều dự án kỹ thuật. Tuy nhiên, những đường ống này phải chịu tải trọng bên ngoài khác nhau, kể cả áp lực đất, tải giao thông, và lực địa chấn, có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của họ.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là để:

1. Nghiên cứu phản ứng cơ học của ống thép chôn trong các điều kiện lắp đặt khác nhau.
2. Phân tích ảnh hưởng của tải trọng bên ngoài đến tính toàn vẹn kết cấu của các đường ống này.
3. So sánh kết quả thử nghiệm với mô phỏng số để xác thực các mô hình dự đoán.

Phê bình văn học

Các nghiên cứu trước đây

Nhiều nghiên cứu đã kiểm tra hoạt động của đường ống chôn dưới các điều kiện tải khác nhau. Ví dụ, Zhang và cộng sự. (2018) tiến hành thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của đặc tính đất đến biến dạng của ống chôn. Phát hiện của họ chỉ ra rằng độ cứng và mật độ của đất đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng của đường ống với tải trọng bên ngoài.. Tương tự, Lee và cộng sự. (2020) sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô hình hóa hoạt động của các đường ống chôn dưới tải trọng địa chấn, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét các hiệu ứng động trong thiết kế.

Những khoảng trống trong nghiên cứu hiện tại

Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu về đường ống chôn, vẫn còn thiếu các nghiên cứu toàn diện tích hợp cả phương pháp thử nghiệm và số để đánh giá tác động của phương pháp lắp đặt và tải trọng bên ngoài. Nghiên cứu này nhằm mục đích lấp đầy khoảng trống này bằng cách cung cấp phân tích chi tiết về các yếu tố này và sự tương tác của chúng.

Phương pháp luận

Thiết lập thử nghiệm

Vật liệu và Thiết bị

Cuộc điều tra thử nghiệm liên quan đến việc sử dụng ống thép có đường kính danh nghĩa là 150 mm và độ dày thành 5 mm. Các đường ống được lắp đặt trong môi trường đất được kiểm soát, với đặc tính của đất được đặc trưng bởi mật độ 1.6 g/cm³ và góc ma sát là 30 độ. Thiết lập thử nghiệm bao gồm các cảm biến tải trọng để đo tải trọng dọc trục và tải trọng ngang, cũng như các bộ chuyển đổi chuyển vị để theo dõi sự biến dạng của đường ống.

Quy trình cài đặt

Việc lắp đặt đường ống được thực hiện bằng hai phương pháp: rãnh mở và khoan định hướng ngang (ổ cứng). Mỗi phương pháp được thiết kế để mô phỏng các điều kiện thực tế, cho phép phân tích so sánh tác động của chúng đối với phản ứng của đường ống.

Mô hình số

Phân tích phần tử hữu hạn

Mô phỏng số được thực hiện bằng phần mềm ANSYS để mô hình hóa hoạt động của ống thép chôn dưới các kịch bản tải khác nhau. Mô hình kết hợp tính chất vật liệu, điều kiện biên, và tải các tham số phù hợp với thiết lập thử nghiệm. Phân tích độ nhạy lưới được thực hiện để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

Hiệu chuẩn và xác nhận

Mô hình số được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm, đảm bảo rằng các kết quả mô phỏng phù hợp chặt chẽ với các phản ứng quan sát được. Quá trình xác nhận này rất quan trọng để thiết lập độ tin cậy của các dự đoán bằng số.

Kết quả và thảo luận

Kết quả thực nghiệm

Phản hồi của ống đối với phương pháp lắp đặt

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt đáng kể về phản ứng của đường ống dựa trên phương pháp lắp đặt. Ống lắp đặt bằng phương pháp rãnh hở có biến dạng ngang lớn hơn so với ống lắp đặt qua HDD. Phát hiện này cho thấy kỹ thuật lắp đặt có thể ảnh hưởng đến hoạt động cơ học của đường ống chôn dưới đất..

Tác động của tải bên ngoài

Việc áp dụng tải trọng bên ngoài cho thấy áp lực đất và tải trọng giao thông ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng dọc trục và ngang của đường ống. Chuyển vị ngang lớn nhất được quan sát thấy trong điều kiện tải trọng kết hợp, nhấn mạnh sự cần thiết phải đánh giá tải trọng toàn diện trong giai đoạn thiết kế.

Dự đoán số

So sánh với dữ liệu thực nghiệm

Các mô phỏng số đã cung cấp một khuôn khổ vững chắc để dự đoán phản ứng của đường ống trong các điều kiện khác nhau. Các kết quả phù hợp chặt chẽ với các kết quả thực nghiệm, xác nhận tính chính xác của mô hình số. Mối tương quan này chứng tỏ tiềm năng của FEA như một công cụ để đánh giá hoạt động của đường ống chôn.

Phân tích độ nhạy

Một phân tích độ nhạy đã được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các thông số chính, chẳng hạn như tính chất của đất và điều kiện tải trọng, về phản hồi đường ống. Phân tích cho thấy sự thay đổi độ cứng của đất có tác động rõ rệt đến chuyển vị ngang, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định chính xác đặc tính đất trong thiết kế đường ống.

Phần kết luận

Nghiên cứu này đã cung cấp những hiểu biết có giá trị về tác động của việc lắp đặt đường ống thép và tải trọng bên ngoài đến các phản ứng của ống thép chôn dưới đất.. Việc tích hợp các nghiên cứu thực nghiệm và số học đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về hoạt động cơ học của các đường ống này trong các điều kiện khác nhau.. Những phát hiện chính bao gồm ảnh hưởng đáng kể của phương pháp lắp đặt đến biến dạng đường ống và vai trò quan trọng của tải trọng bên ngoài trong việc xác định tính toàn vẹn của cấu trúc..

Ý nghĩa đối với thực hành kỹ thuật

Những phát hiện của nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với thực tiễn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và lắp đặt đường ống thép chôn dưới đất.. Bằng cách xem xét ảnh hưởng của phương pháp lắp đặt và tải trọng bên ngoài, các kỹ sư có thể phát triển cơ sở hạ tầng linh hoạt hơn, được trang bị tốt hơn để chống chọi với những thách thức về môi trường.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc mở rộng phạm vi điều tra để bao gồm nhiều loại đất và điều kiện tải trọng hơn.. Ngoài ra, sự phát triển của các mô hình dự đoán kết hợp dữ liệu giám sát thời gian thực có thể nâng cao hơn nữa sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động của đường ống chôn trong môi trường động.

Tài liệu tham khảo

1. Trương, J., Trần, Y., & Vương, L. (2018). Ảnh hưởng của tính chất đất đến biến dạng của đường ống chôn. Tạp chí Kỹ thuật Đường ống, 17(2), 123-135.
2. Lý, S., Kim, H., & Công viên, J. (2020). Phân tích phần tử hữu hạn của đường ống chôn dưới tải trọng địa chấn. Kỹ thuật động đất và động lực học kết cấu, 49(5), 511-528.