埋地管道应力影响的数值模拟

王董

摘要：冻土土体的含水率会随着冻土周围温度的变化而变化，同时还有一些参数会发生变化，如内摩擦角、内聚力和重度等。随着冻土发生融化，在斜坡段，土体会有延斜坡向下运动的趋势，产生延斜坡向下的摩擦力，因此在斜坡段的埋地管线会受到额外的拉应力。对发生冻融滑坡时土体各参数对管道应力的影响进行数据模拟，可为科学有效的埋地管道敷设方案提供依据。研究表明，当冻融滑坡发生时，管道所受应力会随着土体内聚力与冻土重度的增加而相应变大；管道所受应力会随着土体内摩擦角的增加而减小；在对管道影响参数中，冻土内聚力最小， 冻土重度稍大，冻土内摩擦角最大。为了尽量避免应力集中，减少埋地管道事故的发生，在实际施工建设中，应将管道敷设在冻土内聚力及冻土重度相对较小的土体。

关键词：冻土参数；敏感程度；埋地管道；管道应力；数值模拟

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

在特殊地質条件下诸如边坡、断层，埋地管道在此处受到外部地质条件变化应力的影响更明显，如果在冻土区的埋地管道，还会受到其他地质灾害的影响，像冻融滑坡，解冻下沉[1]。冻胀和融沉是冻土的两个特性，受此影响，冻土区的埋地管道受环境温度的影响特别明显。特别是当冻土在冰点以上的温度条件下发生融沉时，这会施加给埋地管线特别的应力，让埋地管线发生应力集中，严重者会发生塑性变形。埋地管道能否安全运行，取决于是否正确地分析和处理特殊地质结构条件下的管道应力问题。除此之外，由于冻土力学参数具有可变性、随机性等许多易变特征，确定冻土力学参数时有必要对土质的相关参数进行敏感性分析[2-4]。

冻土区土体的含水率会因温度的变化而变化，当温度升高，冻土可能会发生融沉现象，位于斜坡段的埋地管道就会收到特别的应力， 与此同时，冻土的一些力学参数也会发生变化，像内聚力、内摩擦角、重度等，这些力学参数对埋地管道的影响程度不同。为了更好地了解冻土区斜坡段埋地管道收到的应力变化，避免发生事故，需要对冻土区斜坡段的埋地管道进行三维数值模拟，正确认识冻土力学参数对冻土区斜坡段埋地管道的影响，并分析其变化情况，这对制定安全有效的防灾方法具有实际指导作用，可以是埋地管道更加安全可靠的工作

[5-7]。

1 应力模型

斜坡段管道-土模型示意图如图 1 所示。

由图 6 可知，管道最大应力与冻土内聚力、重度基本呈线性关系当固定冻土重度及内摩擦角为一定值时，斜管段埋地管道所受到的最大应力与冻土内聚力成反比例关系，其斜率为-2/5。当冻土内聚力与 内摩擦角为一定值时，斜管段埋地管道所受到的最大应力与重度成反比例关系，其曲线斜率为-4。由此可知，在内摩擦角为一定值的情况下，相比于内聚力，冻土重度对斜管段最大应力的影响程度更高。

3 结 论

（1） 当斜坡段埋地管线处冻土发生冻融滑坡时，上端的埋地管线受拉伸，下端的埋地管线受压缩，因此，在上端产生拉应力，在下端产生压应力。所以，当发生冻融滑坡时，此处的埋地管道会发生应力集中现象。

（2） 当斜坡段埋地管线处冻土发生冻融滑坡时，埋地管道所受应力因冻土内聚力与冻土重度的增加而变大，随着土体内摩擦角的增加而减小。埋地管道所受应力受到不同冻土参数的影响程度不同，其中受到内摩擦角影响最大，冻土重度次之，冻土内聚力最小。

（3） 由于内摩擦角对斜坡段埋地管道影响程度高，为了尽量避免应力集中，减少埋地管道事故的发生，在实际施工建设中，应将管道敷设在冻土内聚力及冻土重度相对较小的土体。

参考文献：

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[4] 程秀娟，张茂省，朱立峰，等.季节性冻融作用及其对斜坡土体强度的影响———以甘肃永靖黑方台地区为例[J].地质通报，2013， 32（6）：904-909.

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[7] 刘慧.滑坡作用下埋地管线反应分析[D].大连：大连理工大学，2008.