中俄原油输运管道工程冻土区管壁厚度确定

拟建中俄原油管线由漠河进入中国, 经过大兴安岭多年冻土区、嫩江平原深季节冻土区至大庆. 原油输运过程中由于管道与周围土体之间发生的热交换, 使得原有土层中的热交换机制被打破, 冻土区常温原油管道工程基础将面临融沉和冻胀灾害的双重挑战. 采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法, 计算校核了原油管道的应力状况和安全性, 并对遭受冻胀变形作用的管道受力状况进行了有限元数值分析, 提出了壁厚的设计参数和选取原则. 对于采用X65钢级螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管的中俄原油管道工程, 当管道设计压力为10 MPa时, 中俄原油管道设计壁厚应不小于14.2 mm. 为了使管道能适应冻胀率更大的情形, 管道壁厚应适当加大.     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

降雨条件下低缓浅层土质滑坡稳定性影响因素及耦合研究

四川南江红层地区在降雨期间往往发生大规模的群发性低缓浅层土质滑坡,滑坡上覆土层普遍在1~5m之间,以3m居多。针对该地区的浅层土质滑坡,根据相关资料及现场调查,概化得到了该类斜坡的地质剖面及岩土层性质,利用Geo-studio分析了土厚1~5m斜坡基覆界面处孔隙水压力的变化及土层中湿润线的动态变化,计算了斜坡的瞬态稳定性;试验取得不同含水率下的土体c、φ值,研究软化作用对斜坡稳定性的影响。结果表明:土层越厚,基覆界面处累积的孔隙水压力越大,斜坡稳定性系数越小,斜坡稳定性变化与基覆界面处孔隙水压力的发展变化关系密切;土层越薄,雨水入渗途径越短,基覆界面接受雨水软化的时间越长,土体抗剪强度衰减越多;c、φ值越低,斜坡稳定性系数越低。抗剪强度c、φ是影响该类斜坡稳定性的重要因素之一。     

砂土中隧道施工对相邻垂直连续管线位移影响的模型试验研究

隧道施工会对邻近管线造成危害,但目前对土体位移与管线位移两者之间的关系还没有清晰的认识。针对这一问题,设计砂土中考虑不同管线管径、埋深及抗弯刚度的3组隧道施工模型试验,分析垂直下穿隧道施工过程中砂土和管线位移规律。研究结果表明,Vorster修正高斯公式能较好地拟合砂土沉降分布,其控制参数?值在0.2～1.0之间变化,且与地层埋深成正比;土体沉降槽宽度系数i对管线变形有较大影响,埋深相同的条件下管线抗弯刚度与沉降值成反比;深埋管线的变形主要受上拱效应支配,且管径越大上拱效应越明显,而下拉效应主要支配着浅埋管线的位移;Smax /i为影响管土相对位移一个关键参数,在此基础上提出了修正的管土相对刚度计算公式。     

漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例

通过对中俄原油管道漠河-加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究, 统计了管道运营以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等. 在研究区域特定的气候背景下, 管道的修建和季节性变化的正油温运营, 破坏了管道周围冻土的水热平衡, 使得管道周围土体出现差异性冻胀和融沉, 这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁. 以管道里程MDX364处的冻胀丘为例, 利用探地雷达进行了现场探测. 结果表明: 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和发展提供了水源补给通道, 管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融, 2014年3-10月管道周围地表产生的差异性位移超过了1.1 m. 针对该次生开放型季节冻胀丘, 提出了修筑或疏通管道附近的排水通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施. 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支撑, 为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据.     

基于非牛顿指数描述的非达西渗流一维固结分析

基于非牛顿指数描述的非达西渗流定律,同时考虑地基内部竖向附加应力随深度线性变化以及变荷载的影响,建立了一维固结控制方程并应用有限差分法进行数值求解,同时对不同参数单级加荷下的固结性状进行分析。结果表明：基于非达西渗流比达西渗流下固结速率要慢,且渗流模型中非牛顿指数越大,土层的固结速率越慢;土层厚度越厚,固结速率越慢,因此,传统固结理论中室内土样与地基土层之间的相似关系不再成立;作用于土层的平均附加应力越大,土层的固结速率越快;在单面排水情况下,附加应力分布对土层固结速率有较大影响;相反,双面排水条件下土层固结速率与附加应力的分布是无关的;荷载的加荷速率越快,则土层的固结速率越快。最后,讨论了达西渗流计算固结变形的适用范围。     

地面超载引起邻近埋地管道的位移分析

地基土承受超载作用时就会产生沉降,在土体沉降作用下埋置于其中的管道,管壁就会产生变形甚至破裂。为分析地面超载对临近地下管线的影响,基于温克勒（Winkler）弹性地基短梁理论,应用Boussinesq解,考虑地面超载引起下卧层的沉降及地基土体的侧向移动对管道的影响,建立地面超载对埋地管道影响的分析计算模型,并采用有限差分法进行求解;通过算例分析了超载大小、位置,管道刚度、埋深、管径以及土体性质对埋地管道位移的影响;结果表明：超载大小、管道的刚度、埋深、管径对地下管道位移的影响较大,而当地基基床系数和超载离管道的距离增大到一定值时,地面超载对其影响将减弱。因此,需要考虑邻近超载对管道的影响,合理制定埋地管道的保护措施。     

采空区建筑地基适宜性及沉降变形计算工程实例分析

基于稳定采空区场地并结合某一工程实例进行建筑地基沉降变形计算分析,并对采空区地基适宜性进行综合评判。提出一种适合于采空区地基的荷载影响深度 确定方法,采用概率积分法对采空区场地不同区域剩余变形进行预测,提出考虑活化变形、剩余变形、附加变形的采空区建筑地基沉降变形计算方法,研究结果表明：（1）建筑荷载相同时判别系数越小（0.10 （自重应力）、0.08 、0.07 、0.05 ）,荷载影响深度越大;判别系数相同时建筑荷载越大,荷载影响深度也随之非线性增大。（2）对于一般采空区地基,宜采用 （附加应力）= 0.10 判别标准确定荷载影响深度;对于复杂采空区地基,宜采用 0.05 判别标准确定荷载影响深度。（3）在常规方法上（ 0.20 ）确定的荷载影响深度 ,对于采空区地基经对比分析,1.4 和1.8 荷载影响深度可作为一般采空区地基和复杂采空区地基工程设计参考。（4）在不引起活化变形的最高层数建筑荷载下,地表剩余变形量非常小可忽略不计,采空区建筑地基沉降变形主要是土层附加压缩变形。（5）数值模拟结果表明,采空区内边缘沉降较大、不均匀沉降明显,不宜作为建设场地;采空区中央沉降较小,没有明显不均匀沉降,宜作为建设场地。     

考虑固结历史的结构性软土路基沉降数值模拟

沿海地区广泛分布结构性海相软土,给公路运营带来很多安全隐患。通过研究某高速公路江苏段,提出了基于Shanghai软土本构模型,利用现有路基下软土的固结试验结果反推施工前原状土本构参数取值的方法。通过水-土耦合有限元程序模拟路基长期沉降,分析了土层结构性、渗透性、软土层厚度对路基沉降发展的影响。结果表明,土层初始结构性越强,加载阶段孔隙累积值越大,施工沉降越大;工后土体结构性变化越大,土层压缩越明显。土体渗透性影响路基沉降,渗透性越小,累积孔压越大,沉降时间越长,总沉降量与工后沉降占比越大。软土层厚度影响路基沉降发展,土层越厚,路基最终沉降越大,沉降稳定时间越长。     

厚层沉渣嵌岩桩承载性状研究

首先对嵌岩桩进行了现场钻孔抽芯试验和静力载荷试验,试验结果表明：当采用冲击成孔工法施工且桩侧存在弱胶结土层时,桩底沉渣厚度普遍较大,远厚于规范允许值;当荷载达一定值时,呈现突发性下沉且下沉量较大,主要与厚层沉渣导致端阻力未发挥作用有关。试验结果说明：当采用冲击成孔工法施工且桩侧存在弱胶结土层时,现有嵌岩桩设计方法同时考虑端阻和侧阻作用是不妥的,嵌岩桩单桩承载力宜仅按土层和嵌岩段侧阻力确定。进一步基于数值分析对嵌岩段摩阻力分布及变形等承载性状进行研究。在施加荷载一定条件下,嵌岩深度与基岩强度越大,下沉量越小,且厚层沉渣嵌岩桩沉降存在嵌岩深度效应。随着桩顶荷载增大,嵌岩深度与基岩强度差异导致的下沉量的差值增大。嵌岩段桩侧摩阻力沿深度呈马鞍型分布,嵌岩深度与基岩强度较小时,嵌岩段下部峰值比上部峰值大;嵌岩深度与基岩强度较大时,嵌岩段下部峰值则比上部峰值小。在桩顶荷载一定条件下,嵌岩深度越小,下沉量越大,越有利于侧摩阻力发挥,嵌岩段桩侧摩阻力越大。由于厚层沉渣存在,嵌岩段桩身轴力沿深度方向从桩顶荷载逐渐衰减为0,嵌岩深度越小,衰减速度越快。     

寒区输油管道基于应变设计的极限状态研究

寒区输油管线沿线地质环境复杂,滑坡、冻胀、融沉等自然灾害会导致管道形成大差异变形量.而差异变形量所引起的应力应变行为直接影响管道的安全服役性能,严重时会使管道破坏失效.基于寒区输油管道在实际服役工况下的受力变形条件,充分考虑冻胀效应、油压效应和热应力效应对输油管道的影响,分析了不同长度、壁厚、油压条件下轴向拉伸应变的分布规律及其影响因素.基于轴向应变设计理论准则,建立了上述条件下输油管道的极限服役状态,得到了对应状态下输油管道的许应最大极限冻胀变形量.结果分析表明,采用基于应力的设计准则偏保守,采用基于轴向应变的设计准则能更多的利用管材的变形性能.可为管道的合理设计、安全评价、完整性管理提供一定的理论参考.     

冻胀过程与冻结缘特性

The complex process of soil freezing which relates to moisture field, temperature and stress field usually accompanies water migration and crystallization. The mechanism of water migration in the -frozen fringe is blurry though there have rather mature theory analyzing water migration in the unfrozen zone and fully-frozen zone. It is a visualized and easy method to calculate the potential gradient of frozen fringe by frost heave amount, the duration of the steady state of frost heaving and the coefficient of permeability based on the Darcy penetration theory, not directly considering water driving force, ice segregation temperature and the thickness of frozen fringe. The method is feasible by comparing the calculated amount of frost-heaving with the test data.     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究

兰新铁路尖山至大青口段线路在海拔2 100m左右,冬季气候寒冷,路基填料属易冻胀土,在路基土冻前含水量较大的前提下,线路在冬季必然发生冻胀变形.为了有效控制路基冻胀量,通过现场和室内试验对该段路基土的土质、冻结特征、冻胀特征等进行试验研究.结果表明:路基面以下60cm范围内土层冻胀量占整个冻结层总冻胀量82%;在最适宜冻结速率下瞬时冻胀量达到极大值,分层冻胀率与平均冻胀率的大小关系在2/3冻结深度处发生改变;冻胀速率的大小并不能直接反映瞬时冻胀量的大小,还应考虑冻结速率.选用了软式透水管整治冻害,整治效果明显.     

地基土冻胀的宏观分析

通过野外原位观测发现,在北半球自然气温条件下,地表裸露、原状均质、冻胀性地基土的冻结过程中,冻结速率越大越有利于土的冻胀,即冻结速率与冻胀速率呈单值升函数规律.     

饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究

为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理, 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术, 近似还原了管土受冻过程, 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况, 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中, 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布; 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象, 大量的水分向冻结锋面迁移, 使得土体产生线性冻胀; 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响; 当冻结发展到管道处时, 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。     

冻土区输气管道周围土体冻胀融沉研究

管道作为油气资源的最为常用的运输方式之一,穿越不同地质情况的区域,所面临的工程问题各有不同。本文对青海省某冻土区输气管道进行调研,针对出现的管沟融陷、工程构筑物冻胀变形等病害问题,选取典型断面,钻孔埋设温度传感器和沉降磁环测试元器件,对暖季和寒季管道周围土体温度和位移进行监测,研究输气管道周围地温变化及冻胀融沉规律,为冻土区输油气管道的设计、施工、运营、病害治理提供借鉴。研究表明:该冻土区寒暖季地表地温随气温波动较大,越靠近管道,地温年振幅越大;该区域冻土地温范围为-2~-1℃,地温带类型属基本稳定带,正温输气的热扰动,导致周围土体融沉;管道正上方受管道放热影响,地温均为正温,影响范围约1.5m;在近管道处,深度1~4m,地温受多重因素影响,深度4m以下,地温年较差较小,均为负温;冻胀由深处向上发生,时间上有滞后性;10月和11月为冻融剧烈时间段,应及时监测预警。     

负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究

寒冷地区基坑悬臂桩支护工程,在桩后土体水平冻胀力作用下,易出现桩体倾斜、水平裂缝、剪断等问题.负温是水平冻胀力产生的关键因素,采用数值模拟方法,分别模拟粉质黏土、黏土在一定的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,结果表明：负温越低,土体冻结速率越大,水平冻胀力越大;桩身范围内,水平冻胀力大致呈上下小、中间大的抛物线型分布,最大值出现在基坑的中下部,为开挖深度的0.5～0.8倍,力值约为冻胀前土压力的2～15倍,同时拟合出最大水平冻胀力与温度、桩顶位移之间的关系公式;此外,桩体水平位移随负温增加而增加,桩顶位置处,冻胀引起的水平位移为开挖引起位移量的0.88～11.38倍.     

青海北部高含盐细砂冻胀特性研究

为研究盐分含量和含水量对青海北部高饱和盐渍砂土冻胀特性的影响,为高盐含量地区道路设计和施工提供理论依据及参考,通过对含盐量和含水量不同的盐渍砂土进行冻胀试验,开展了对高含盐饱和细砂土的冻胀特性的试验研究,得到了含水量及含盐量对砂土冻胀量的影响规律,发现含盐细砂的起胀温度受含水量的影响不大,而主要取决于含盐量。当含盐量为5%时,起胀温度最高,然后随含盐量的增加而降低。冻胀率随着温度的降低而升高。含盐量相同时,土样的冻胀率随含水率的增加呈“S”型递增趋势。在含水量固定情况下,含盐量小于5%时,冻胀率与含盐量成正比;含盐量大于5%时,冻胀率与含盐量成反比。可用多项式拟合出冻胀率随不同含水率、含盐量的变化规律。     

置换法在抑制土工格栅冻胀破坏中的应用

在季节性冻土地区,由于冻拔作用常使加筋土坡中土工格栅浮出地面,导致加筋作用失效,但国内关于其破坏防治的试验研究较少。通过室外冻胀试验,研究利用非冻胀性材料置换的方法对抑制土工格栅冻拔破坏的效果。对比火山灰置换与未置换的两块土工格栅的冻胀数据结果表明,置换侧的土工格栅的最终残余冻胀量较未置换侧的低50%。因此,置换方法对于抑制土工格栅的冻胀破坏效果明显,具有较强的工程实用价值