冻土地带埋设管道受冻土冻胀作用的力学分析

发布时间：2020-09-21 20:30

　　冻土是一种十分复杂的岩土体,在我国分布十分广泛,主要分布在东北和西部地区。按照土体在冻结状态下持续的时间主要可以分为短期冻土、季节性冻土和多年冻土。由于基础建设的需要,在冻土区修建基础设施和油气管道工程将不可避免,而每年因冻土的冻胀和融沉产生油气管道的破坏也时有发生。因此为了减少因冻土的冻胀和融沉产生的损失,有必要对冻土区管道破坏情况进行深入的研究和分析,对管道的设计、施工和维护方面提供有效的技术支持。本文基于学者对管道受土壤冻胀作用的管道内力、位移计算以及冻土区温度场分布的研究,分析冻土区管道受冻土冻胀作用的影响并进行计算,得出如下结论:(1)对管道冻胀力形成机理进行研究,经研究发现,冻土区温度场的变化将导致土体中水分的迁移和相变,使得土体上抬或者下沉,从而导致埋在土体中的管道在竖向产生位移,在管道内部产生较大的应力,当管道的应力大于屈服强度时将会发生破坏。(2)分析埋设在冻土区管道一侧受到冻胀作用抬升时,土壤对管道产生的横向阻力的控制因素,利用土壤对管道产生的横向阻力计算模型和管道的位移方程建立管道受土壤冻胀作用的管道内力、位移方程。通过管道的内力、位移方程可以求解出管道危险截面位置位于冻胀敏感土壤区和稳定冻土区交界面附近,应对此区域采取一些措施减小管道发生破坏的可能。(3)建立管道周围温度场的计算模型,引入分凝势概念,分析了在温度变化过程中土壤的冻结深度和冻胀位移对土壤的横向阻力及管道位移的影响。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE973;TU445
【部分图文】：

冻土,结构构造,冻结状态,季节性冻土

(a)整体状构造 (b)层状构造 (c)网状构造图 1-1 冻土的冷生结构构造图[1]冻土可以按照土体在冻结状态下持续的时间划分为：多年冻土、季节性冻土以及短期冻土。其中多年冻土一般在冻结状态下持续两年以上；季节性冻土一般在冻结状态下持续一年以下；短期冻土在冻结状态下持续时间更短，一般只有几天甚至几小时。冻土中主要含有土及矿物颗粒、冰晶体、未冻水以及一些气体等，

区域分布,区域分布,总面积,多年冻土区

兰州大学硕士学位论文冻土地带埋设管道受冻土冻胀作用的力学分析量小于 25%的为少冰冻土[12]。冻土的分布很广，全球短期冻土区、季节冻土区以及多年冻土区总面积约占陆地总面积的 50%，其中多年冻土区的面积约占陆地总面积的 20%-25%；我国冻土的分布也很广泛，总面积约为 640 万平方公里，占我国国土总面积的 67%，其中超过 1.5m 的深季节冻土，面积达 367 万平方公里[4][5][6][7]，主要分布在我国西部和东北部地区，如图 1-2：

示意图,管道变形,小位移,大位移

(c)图 2-1 管道变形示意图：(a) 小位移；(b) 中位移；(c) 大位移由于交界面左侧冻胀敏感土壤区的冻胀作用，使得管道在交界面处抬升的位移为0w ，交界面右侧稳定冻土区中的管道将从原始位置偏开，产生位移（挠度），对侧面的土壤产生挤压效应，从而诱导土壤对管道产生横向阻力。单位长度管道所受的横向阻力作为位移（挠度）的函数可以分为三个阶段，包括：弹性区、峰值后的衰减区和最终的残值区，各区都近似用线性函数表达，参看图 2-2。图中eF 和pF 分别为横向阻力的峰值和残值，而ew 和pw 分别为峰值和残值对应的位移。如图 2-1(a)，当0 e0 w w时，在交界面右侧的稳定冻土区中，管道各点处的抬升位移都小于，则抬升位移与土壤的横向阻力的关系，可用图 2-2 中的区域A：弹性区来描写。如图 2-1(b)，当e 0 pw w w时，交界面右侧的稳定冻土区中管道各点处抬升位移不超过，最大位移0w 位于交界面处，从左往右位移依次减小直至减小到0，则抬升位移与横向阻力的关系可用图 2-2 中的区域 A、B 联合描写。从交界

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