埋地管道應(yīng)力影響的數(shù)值模擬

王董

摘要：凍土土體的含水率會(huì)隨著凍土周圍溫度的變化而變化，同時(shí)還有一些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，如內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力和重度等。隨著凍土發(fā)生融化，在斜坡段，土體會(huì)有延斜坡向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，產(chǎn)生延斜坡向下的摩擦力，因此在斜坡段的埋地管線會(huì)受到額外的拉應(yīng)力。對(duì)發(fā)生凍融滑坡時(shí)土體各參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，可為科學(xué)有效的埋地管道敷設(shè)方案提供依據(jù)。研究表明，當(dāng)凍融滑坡發(fā)生時(shí)，管道所受應(yīng)力會(huì)隨著土體內(nèi)聚力與凍土重度的增加而相應(yīng)變大；管道所受應(yīng)力會(huì)隨著土體內(nèi)摩擦角的增加而減??；在對(duì)管道影響參數(shù)中，凍土內(nèi)聚力最小， 凍土重度稍大，凍土內(nèi)摩擦角最大。為了盡量避免應(yīng)力集中，減少埋地管道事故的發(fā)生，在實(shí)際施工建設(shè)中，應(yīng)將管道敷設(shè)在凍土內(nèi)聚力及凍土重度相對(duì)較小的土體。

關(guān)鍵詞：凍土參數(shù)；敏感程度；埋地管道；管道應(yīng)力；數(shù)值模擬

Abstract：The water content of frozen soil will change with the temperature around the frozen soil，and some parameters will change，such as internal friction angle，cohesion and severe. With the melting of the frozen soil，in the slope，the soil will have the downward movement of the slope downward trend，resulting in the extension of the downward slope of the friction force，so the slope of the buried pipeline will be subject to additional tensilestress.Theinfluenceofvariousparametersofthesoilmassonthepipelinestresscausedbyfreezingandthawingissimulated，whichcanprovide the basis for the scientific and effective pipeline laying program. Research shows that when the freeze‐thaw landslide occurs，the pipeline stress with frozen soil cohesion and severe increases correspondingly larger；the pipeline stress decreases with the increase of soil internal friction angle；in the parameter influence on pipeline in permafrost permafrost heavy degree of cohesion is smallest，slightly larger，the internal friction angle of maximum frozensoil.Inordertoavoidthestressconcentrationandreducetheoccurrenceoftheburiedpipelineaccident，intheactual construction，pipelayingin frozen soil cohesion and permafrost severe soil is relativelysmall.

Keywords：Permafrost parameters；Sensitivity；Buried pipeline；Stress of pipeline；Numerical simulation

在特殊地質(zhì)條件下諸如邊坡、斷層，埋地管道在此處受到外部地質(zhì)條件變化應(yīng)力的影響更明顯，如果在凍土區(qū)的埋地管道，還會(huì)受到其他地質(zhì)災(zāi)害的影響，像凍融滑坡，解凍下沉[1]。凍脹和融沉是凍土的兩個(gè)特性，受此影響，凍土區(qū)的埋地管道受環(huán)境溫度的影響特別明顯。特別是當(dāng)凍土在冰點(diǎn)以上的溫度條件下發(fā)生融沉?xí)r，這會(huì)施加給埋地管線特別的應(yīng)力，讓埋地管線發(fā)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生塑性變形。埋地管道能否安全運(yùn)行，取決于是否正確地分析和處理特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下的管道應(yīng)力問題。除此之外，由于凍土力學(xué)參數(shù)具有可變性、隨機(jī)性等許多易變特征，確定凍土力學(xué)參數(shù)時(shí)有必要對(duì)土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析[2-4]。

凍土區(qū)土體的含水率會(huì)因溫度的變化而變化，當(dāng)溫度升高，凍土可能會(huì)發(fā)生融沉現(xiàn)象，位于斜坡段的埋地管道就會(huì)收到特別的應(yīng)力， 與此同時(shí)，凍土的一些力學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，像內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、重度等，這些力學(xué)參數(shù)對(duì)埋地管道的影響程度不同。為了更好地了解凍土區(qū)斜坡段埋地管道收到的應(yīng)力變化，避免發(fā)生事故，需要對(duì)凍土區(qū)斜坡段的埋地管道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，正確認(rèn)識(shí)凍土力學(xué)參數(shù)對(duì)凍土區(qū)斜坡段埋地管道的影響，并分析其變化情況，這對(duì)制定安全有效的防災(zāi)方法具有實(shí)際指導(dǎo)作用，可以是埋地管道更加安全可靠的工作

[5-7]。

1 應(yīng)力模型

斜坡段管道-土模型示意圖如圖 1 所示。

由圖 6 可知，管道最大應(yīng)力與凍土內(nèi)聚力、重度基本呈線性關(guān)系當(dāng)固定凍土重度及內(nèi)摩擦角為一定值時(shí)，斜管段埋地管道所受到的最大應(yīng)力與凍土內(nèi)聚力成反比例關(guān)系，其斜率為-2/5。當(dāng)凍土內(nèi)聚力與 內(nèi)摩擦角為一定值時(shí)，斜管段埋地管道所受到的最大應(yīng)力與重度成反比例關(guān)系，其曲線斜率為-4。由此可知，在內(nèi)摩擦角為一定值的情況下，相比于內(nèi)聚力，凍土重度對(duì)斜管段最大應(yīng)力的影響程度更高。

3 結(jié) 論

（1） 當(dāng)斜坡段埋地管線處凍土發(fā)生凍融滑坡時(shí)，上端的埋地管線受拉伸，下端的埋地管線受壓縮，因此，在上端產(chǎn)生拉應(yīng)力，在下端產(chǎn)生壓應(yīng)力。所以，當(dāng)發(fā)生凍融滑坡時(shí)，此處的埋地管道會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2） 當(dāng)斜坡段埋地管線處凍土發(fā)生凍融滑坡時(shí)，埋地管道所受應(yīng)力因凍土內(nèi)聚力與凍土重度的增加而變大，隨著土體內(nèi)摩擦角的增加而減小。埋地管道所受應(yīng)力受到不同凍土參數(shù)的影響程度不同，其中受到內(nèi)摩擦角影響最大，凍土重度次之，凍土內(nèi)聚力最小。

（3） 由于內(nèi)摩擦角對(duì)斜坡段埋地管道影響程度高，為了盡量避免應(yīng)力集中，減少埋地管道事故的發(fā)生，在實(shí)際施工建設(shè)中，應(yīng)將管道敷設(shè)在凍土內(nèi)聚力及凍土重度相對(duì)較小的土體。

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