横向冻融滑坡对埋地管道应力影响的数值模拟

由于冻土的性质与结构复杂,对温度的影响较为敏感,因此,冻土区埋地管道极容易受到冻土变化的 影响。冻融循环对冻土区埋地管道的安全有很大的影响,对地形结构特殊的区域,冻融循环会改变原有的地质特 性,在特定的条件下造成地质灾害的发生。研究了由于冻土融化沉积产生的横向冻融滑坡给管道带来的应力影响, 并对不同位置的横向滑坡及对管道的影响程度进行了分析。通过研究发现,不同位置的横向滑坡对管道产生的应 力影响差异很大。对受横向冻融滑坡影响的管道进行模拟分析,可很好地反映应力的变化情况,为冻土区埋地管道 的施工建设提供理论依据。     

冻土区融沉滑坡对埋地管道的应力影响

位于冻土区斜坡带的埋地管道,当冻土发生融沉现象时,因土体沿斜坡向坡底滑动形成冻融滑坡,其应力分布受到很大影响,可能会导致管道应力集中甚至塑性变形的现象。针对位于角度不同的冻土区斜坡带的埋地管道,当管道受到冻土融沉和冻融滑坡影响时,对管道的应力变化情况进行了数值模拟,分析了斜坡带埋地管道的应力分布,研究了斜坡角度和融沉长度对管道应力的影响。研究发现,受到融沉滑坡影响,管道不同位置呈现不同的应力形式,且斜坡角度影响不同位置管道所产生的应力。研究结果可为埋地管道的安全运行与施工建设提供理论依据。     

冻融滑坡作用下埋地管道的应力分析

我国具有广阔的季节冻土和多年冻土区, 穿越冻土区的埋地管道不仅受到地形地貌的影响, 而且冻 害破坏也是存在的主要问题。因冻融滑坡而产生的地质灾害是冻土区埋地管道较为常见的安全问题, 当温度高于 冻土融点时, 冻土会发生融化和沉积。斜坡带埋地管道的受力较为复杂, 因此建立有限元力学模型, 对不同斜坡角 度和不同融沉长度下的埋地管道的应力进行了数值计算与分析。通过数值计算与分析, 得到了埋地管道在冻土区 斜坡带因土壤发生融沉而产生的V o nM i s e s应力的分布规律。对斜坡带埋地管道进行应力模拟分析, 可很好地反映 应力的变化情况, 为冻土区管道的施工建设提供理论依据。     

冻土参数对斜坡段埋地管道应力影响的数值模拟

当冻土周围温度发生变化时,土体含水率会随之改变,而此时冻土的内摩擦角、内聚力和重度都会相 应地发生变化。对处在斜坡段的埋地管道,随着冻土的融化,土体产生沿斜坡方向向下的摩擦力,使管道受到额外 的拉应力。为了正确认识冻土参数对管道应力的影响,为确定科学有效的管道防害方法提供依据,针对发生冻融滑 坡时土体各参数对管道应力的影响进行了模拟计算及分析。结果表明,当发生冻融滑坡时,随着土体内聚力与冻土 重度的增加,管道所受应力变大;随着土体内摩擦角的增加,管道所受应力减小;冻土内摩擦角对管道应力的影响 大,冻土重度次之,冻土内聚力对管道应力的影响最小。     

埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟

冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻害破坏, 研究埋地管道发生冻害及其科学有效的防止方法,首先应预测埋地管道周围冻土冻融过程中温度场的变化及温度场与水分场的变化关系。用有限单元法对埋地管道周围温度场进行了数值模拟, 计算中考虑了土壤中水分迁移和相变对温度的影响, 给出了不同时刻埋地管道周围温度分布。对计算结果分析表明, 水分迁移和相变对土壤的传热有一定影响.     

基于有限元分析的冻土区埋地腐蚀管道力学行为研究

针对埋地管道设计未充分考虑作业过程中管道受冻胀和腐蚀作用时的受力变化情况,根据冻土区埋地腐蚀管道的复杂性,以及冻土区埋地管道受力变形破环因素,建立适用于冻土区埋地腐蚀管道的有限元模型,研究了环境温度、腐蚀深度和长度等因素对管道应力的影响。结果表明,影响冻土对腐蚀管道作用的因素主要为抬升高度及端部拉应力,抬升高度导致腐蚀管道的应力及应变线性增加,但端部拉应力的作用效果与其相反;管道的应力应变与腐蚀深度的二次方成正比,腐蚀长度的增加导致管道应力及应变先急剧增加,且长度大于150 mm时,管道力学性能在一定范围内小幅波动。研究结果可为冻土区埋地管道的设计提供一种新的思路和方法。     

土体沉降位置对管道跨越结构应力影响的数值计算

当土体发生沉降时会使管道产生额外应力,给埋地管道带来安全隐患。埋地管道跨越结构的受力较为复杂,因此建立了跨越段埋地管道与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了采用不同角度跨越结构时,管道跨越结构的应力变化情况。此外,根据该模型,详细分析了跨越段附近不同位置土体发生沉降时管道应力的变化情况,重点研究了当跨越结构中斜管段与水平方向夹角为50°时管道内的最大应力随土体沉降位置的变化情况,可为埋地管道的施工建设提供理论依据。     

滑坡碎屑流纵向作用下埋地管道变形分布预测

为保证滑坡碎屑流作用下埋地燃气管道安全运行,基于热-弹塑性理论,采用管-土耦合方法建立了管-土变形分析模型,模拟分析了埋地天然气管道的轴向应变分布规律。基于埋地天然气管道应变分布特征,通过非线性拟合方法,确定了管道轴向应变分布预测模型。研究结果表明：滑坡碎屑流作用下土壤变形区域主要为碎屑流作用区及其附近区域,滑坡碎屑流前部区域土壤变形明显大于后部区域;管道主要为弯曲变形,管土之间变形并不同步,土壤变形明显大于管道变形;在各个路径上,管道既存在拉应变,又存在压应变,而滑坡碎屑流作用区域,在管道底部和顶部路径上分别取得轴向拉压应变极值;碎屑流宽度、厚度对管道应变分布范围影响有限,应变分布范围随着碎屑流长度增加显著扩张,其中碎屑流影响区域范围是碎屑流作用区长度的3倍左右;而管道应变分布预测模型仅与μ、σ、a₁参数相关,仅需3个位置的轴向拉压应变数据,即可确定该区域管段轴向拉压应变分布。上述研究成果将为管道滑坡灾害下管道应变分布的确定提供重要理论依据。     

管道埋深对稳定运行热油管道热力特性的影响

基于管道不同埋深对热油管道热力特性的影响,首次提出了对不同埋深管段采用不同热影响半径的思想,利用有限元法求解了热油管道稳态运行时的热微分方程,并编制了相应的计算程序,从而对管道稳态运行时的轴向和横向温度场进行了更为准确的求解,并详细分析了管道埋深在不同季节对管道热力特性的影响。结果表明,在冬季,如果计算埋深比实际埋深大,将会使温度场计算结果偏高,从而影响管道的安全运行;反之,如果埋深值取得偏小,又会使温度场计算结果偏低,从而给管道运行带来一定的经济损失。而在夏季,管道埋深造成的影响正好相反。     

埋地热油管道埋深对土壤温度场的影响

长输管道沿线地质、水文等条件不同,管道埋深差别较大。相应埋深处的自然地温及管道周围的温度场也不同。若只考虑平均或当量深度来进行管道计算,会产生很大误差。使用数值方法将所考虑的数值模型更接近于实际冻土地质条件和非线性特性就显得格外重要。采用有限单元法,对不同埋深条件下的管道周围土壤温度场进行三维数值计算,结果表明,管道温度变化在一定程度上受埋深影响,尤其在冻土地区,地埋温差与管道周围土壤温差较大。     

湿陷性黄土地区埋地管道稳定性分析

湿陷性黄土浸水后易产生自重湿陷,黄土的强度会大大降低,并对沿途埋地管道的安全运行产生威胁.为了研究埋地管道在湿陷性黄土地区的稳定性,基于有限元方法,分析了外径和壁厚不同的管道在湿陷时产生的位移、应力和应变;采用特征值屈曲理论,研究了一定条件下埋地管道在黄土灾害中所能承受的极限长度.结果表明,增大管道外径和壁厚、减少管道...     

合肥地区深基坑开挖对邻近管线影响分析

为了研究合肥地区深基坑开挖对邻近管线的影响规律,选取合肥市某地铁车站深基坑作为研究载体,运用FLAC~(3D)有限差分软件对实际工程进行数值模拟。根据计算结果研究管线整体变形规律和管线应力分布状况,重点分析开挖工序、管线材料、管线直径、管线位置对管线内力变形的影响。研究结果表明:在基坑开挖过程中,管线出现向基坑侧变形的趋势。基坑端部区域的管线变形最小,基坑中部区域的管线变形最大。在相同的开挖支护条件下,管线材质、直径和位置对管线应力变形影响较大。管线材料的刚度越大,管线整体变形越小而应力越大;管线直径越大,管线整体变形越小,应力值也越小;管线与基坑的间距越大,管线变形越小,应力值也越小;管线水平位移和应力值随着管线埋置深度的增加而逐渐增大,当增大到最大值后又逐渐减小;管线的竖向位移随着管线埋置深度的增加则逐渐减小。     

Submarine Pipeline Lateral Global Buckling and Buckling Failure Critical State Discussion

深海高温管线水平向整体屈曲破坏临界状态分析

洪兆徽, 刘润

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072）

创新点说明：

1） 在分析国内外已有土体对水平向运动管线的约束力模型的基础上,通过室内模型试验,改进和修正了土体约束力计算方法,建立了随水平向位移变化的动态土体约束力模型;

2）在有限元分析中引入动态土体阻力模型,基于更为真实的管土相互作用接触本构上对管线的整体屈曲和破坏进行了分析;

3）研究了管线的水平向整体屈曲和破坏极限,探究了不同形式破坏下的差异。

关键词：深海管线;水平向整体屈曲;管土相互作用分析;数值模拟研究;后屈曲临界状态

     

考虑土体参数不确定性的供水管道地震响应分析

埋地管道周围土体性质沿管道纵向存在不确定性,直接影响到埋地管道的地震响应规律和抗震性能。为此,基于设计反应谱合成不同抗震设防烈度下的人工地震动,采用简化弹性地基梁模型,分析地震行波作用下的管道接口动力响应。考虑因安装环境差异、管道老化等因素引起的球墨铸铁管道接口强度的折减,分析土体重度、内摩擦角、黏聚力和土弹簧屈服位移4个不确定性参数对埋地球墨铸铁供水管道地震响应的影响规律,并对不同地震烈度、不同薄弱接口抗拉强度折减系数土参数不确定性规律进行总结归纳。算例分析表明:与确定性参数模型计算结果相比,4个不确定性参数对接口峰值动力响应的影响程度依次为黏聚力、内摩擦角、土体重度、土弹簧屈服位移,同时考虑4个不确定性参数的模型对结果影响最大,最大接口张开量的变异系数可高达9.54%;考虑土体参数不确定性的均值与确定性工况基本一致,最不利值为确定性工况的1.09~1.31倍;管道局部接口抗拉强度的折减对管道接口位移的响应影响显著。基于计算结果给出了不同地震动强度下接口薄弱系数与接口最大张开量的预测公式。     

泛北极多年冻土及重大线性工程稳定性状况

泛北极是中国“一带一路”倡议的主要合作示范区域,已有的重大线性工程及新的基础设施建设均面临着与多年冻土相关的冻融灾害及工程病害问题。在全球气候变暖及人类活动增强的背景下,泛北极多年冻土主要呈现地温升高、活动层厚度增加趋势,且低温多年冻土地温升高更加明显,20世纪70年代以来年平均地温(MAGT)升温最高可达3 ℃; 自北向南多年冻土活动层厚度增加,且增厚趋势趋于明显,在俄蒙边境地区活动层厚度增速为3～5 cm·年^-1。多年冻土退化诱发系列与热喀斯特过程相关的地质灾害,主要包括热喀斯特滑坡与热喀斯特湖,且灾害数量急剧增加,如加拿大Banks Island地区1984～2015年热喀斯特滑坡数量增加了约60倍。在多年冻土退化、热稳定性降低的背景下,泛北极铁路、公路和管道等重大线性工程出现了沉陷、裂缝等不同类型、不同程度的病害,整体上多年冻土区道路工程病害率大于30%。热融灾害及工程病害的发育均与气候及岩土、冻土条件相关,但工程病害还与工程运营期限、工程结构形式密切关联。对比泛北极道路、管道等线性工程状况及其与工程结构的关系,以及病害特征和防治措施效果,表明基于保护冻土的“主动冷却”设计原则依然是多年冻土区工程设计的主导思想。     

复杂管线剖面观测反演研究及应用

管线仪的定位定深方法,都是在单一线电流场的理论分析基础上提出来的.在地下管线探测中,近间距的并行管线,常会产生互感现象,它们产生的磁场相互叠加.因此基于线电流场特征的定位定深方法的应用条件得不到满足,采用通常的探测方法(极大值法确定管线的平面位置、特征点法确定管线深度),误差偏大,难以满足工程设计需求.此时根据现场管线...