埋地管道應力影響的數值模擬

王董

摘要：凍土土體的含水率會隨著凍土周圍溫度的變化而變化，同時還有一些參數會發生變化，如內摩擦角、內聚力和重度等。隨著凍土發生融化，在斜坡段，土體會有延斜坡向下運動的趨勢，產生延斜坡向下的摩擦力，因此在斜坡段的埋地管線會受到額外的拉應力。對發生凍融滑坡時土體各參數對管道應力的影響進行數據模擬，可為科學有效的埋地管道敷設方案提供依據。研究表明，當凍融滑坡發生時，管道所受應力會隨著土體內聚力與凍土重度的增加而相應變大；管道所受應力會隨著土體內摩擦角的增加而減小；在對管道影響參數中，凍土內聚力最小， 凍土重度稍大，凍土內摩擦角最大。為了盡量避免應力集中，減少埋地管道事故的發生，在實際施工建設中，應將管道敷設在凍土內聚力及凍土重度相對較小的土體。

關鍵詞：凍土參數；敏感程度；埋地管道；管道應力；數值模擬

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

在特殊地質條件下諸如邊坡、斷層，埋地管道在此處受到外部地質條件變化應力的影響更明顯，如果在凍土區的埋地管道，還會受到其他地質災害的影響，像凍融滑坡，解凍下沉[1]。凍脹和融沉是凍土的兩個特性，受此影響，凍土區的埋地管道受環境溫度的影響特別明顯。特別是當凍土在冰點以上的溫度條件下發生融沉時，這會施加給埋地管線特別的應力，讓埋地管線發生應力集中，嚴重者會發生塑性變形。埋地管道能否安全運行，取決于是否正確地分析和處理特殊地質結構條件下的管道應力問題。除此之外，由于凍土力學參數具有可變性、隨機性等許多易變特征，確定凍土力學參數時有必要對土質的相關參數進行敏感性分析[2-4]。

凍土區土體的含水率會因溫度的變化而變化，當溫度升高，凍土可能會發生融沉現象，位于斜坡段的埋地管道就會收到特別的應力， 與此同時，凍土的一些力學參數也會發生變化，像內聚力、內摩擦角、重度等，這些力學參數對埋地管道的影響程度不同。為了更好地了解凍土區斜坡段埋地管道收到的應力變化，避免發生事故，需要對凍土區斜坡段的埋地管道進行三維數值模擬，正確認識凍土力學參數對凍土區斜坡段埋地管道的影響，并分析其變化情況，這對制定安全有效的防災方法具有實際指導作用，可以是埋地管道更加安全可靠的工作

[5-7]。

1 應力模型

斜坡段管道-土模型示意圖如圖 1 所示。

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

3 結 論

（1） 當斜坡段埋地管線處凍土發生凍融滑坡時，上端的埋地管線受拉伸，下端的埋地管線受壓縮，因此，在上端產生拉應力，在下端產生壓應力。所以，當發生凍融滑坡時，此處的埋地管道會發生應力集中現象。

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

（3） 由于內摩擦角對斜坡段埋地管道影響程度高，為了盡量避免應力集中，減少埋地管道事故的發生，在實際施工建設中，應將管道敷設在凍土內聚力及凍土重度相對較小的土體。

參考文獻：

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