基于弹性地基梁理论的冻胀作用下管道应力分析

穿越冻土区的埋地管线在遭遇冻土差异性冻胀时,管道会发生翘曲变形,管线将面临很大的安全隐患。为此,基于弹性地基梁理论建立冻胀条件下的管-土相互作用模型,分析了管道在冻胀及其影响因素作用下的应力分布规律,探讨了冻土地基特性（弹性模量、泊松比及地基系数）与温度的关系,对比了不同地基系数、冻胀量、管径、壁厚、温差以及上覆土厚度等特定条件下的管道应力峰值状况。计算结果表明：管道在过渡段与冻胀段及非冻胀段交界处有最大应力值,各类影响因素对管道交界处的应力影响最显著;地基系数的值越大,差异性冻胀量越大,管径越大,温差越大,管道交界处应力峰值也越大;管壁越厚,在管道交界处的应力峰值越小;管道上覆土层越厚,管道受冻胀作用弯曲应力越小,即加深上覆土层可降低管道由于冻胀抬升所产生的应力,可减缓管道变形。     

大庆地区建筑物基础浅埋设计与施工技术

大庆地区土壤每年的冻结深度为1.7—2.3m。一年中有7个月的时间存在着冻土,属于深季节性冻土地区。多年观测表明,大庆土壤存在着从冻缩到特强冻胀的不同冻胀性。由于地基土的不均匀冻胀与融化下沉,造成了油田上建筑物的破坏,严重的影响着油田的工程质量。为了解决油田建设中与冻害有关的工程问题,我们一边开展季节性冻土地基的研究,一边开展房屋基础浅埋以及防冻害技术的研究,并把所得成果直接应用于工程设计与施工,收到了良好的效果。     

土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究

根据随机介质的思想,土体冻胀引起的地表隆起近似为正态分布。以上海体育场穿越工程为研究背景,由叠加法基本原理,得出多管冻结冻胀叠加法表达式。将非均布的冻胀荷载简化成多段均布荷载,编制matlab程序求解冻土地基上的弹性地基梁方程,得到冻胀与地基梁（结构）相互作用的位移及接触压力,并用实测数据进行了验证。最后对冻胀与基础梁相互作用的影响因素进行计算分析,得出相互作用的冻胀量随地基梁刚度与外荷载增加而减小、随地基弹性接触系数与自由冻胀量增加而增加。     

国内外物理化学方法防治土体冻胀的研究

影响土体冻胀的主要因素有土质、水分、温度。物理化学方法防治土体冻胀,即从以上三个因素着眼,使用人工材料来处理土,抑制适合土体冻胀产生和发展的条件,从而达到减弱或消除冻胀的目的。 苏联、美国、加拿大、中国是世界上主要的冻土国家。随着这些国家冻土地区工程建筑规模的扩大,所遇冻害问题也日益俱增。因此,用物理化学方法防治土体冻胀的研究及其应用工作也越来越受到重视。本文所述内容主要是这些国家的研究成果。     

用脉冲核磁共振法及物理解吸试验测定的冻土中冰和未冻水之间的关系

水向冻结锋面迁移将产生冻胀,而冻胀常常会导致各种建筑物、道路和飞机跑道的严重破坏。这给寒区工程建筑带来了种种困难。在部分冻结的冻土—水体系中,水将通过冻土体从温度高处向温度低处迁移,这种水分迁移也会引起冻胀。这就是所谓的次冻胀。这种次冻胀作用已引起了许多建筑工程师的关注。     

冻土的力学性质及研究现状

中国具有广大的季节冻土和多年冻土区,在冻土地区进行工程建设,就必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先,简要介绍了我国冻土的分布状况和冻土区别于融土的基本特性,广义的冻土力学可分为冻融作用和已冻土力学性质两方面,冻胀、融沉和冻融循环引起的土力学性质的变化属于冻融作用的范畴。对于冻胀的研究较为深入,人们先后提出了多个理论来解释冻胀产生的机制,有的应用于计算分析中。对融沉的研究尽管具有较长的历史,但是多数停留在经验方法上,融化固结理论目前还有较大的局限性,因此提出一方面可以用人工神经网络法提高经验方法的精度和适用范围,另一方面应当发展融化固结大变形理论;冻融循环可以改变土的力学性质,介绍了作者的最近研究进展。针对已冻土的力学特性,从3方面进行了分析。冻土的强度主要沿用融土的强度理论,很难反映高应力下的压融现象;冻土动力学特性主要针对温度对动力学参数的影响,近年来冻土层对场地动力响应的影响越来越受到重视;冻土的本构关系多集中在蠕变研究,以经验公式法为主。最后,分析了多年冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程。     

工程冻土学术交流会在兰州召开

由中国水利学会岩土力学专业委员会冻土专门委员会、中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室、全国水工建筑物抗冻情报网共同发起召开的工程冻土学术交流会,于1993年9月22—25日在兰州举行。参加会议的有来自我国北方10个省市区的科研、设计院所、工程建设管理部门及防渗材料生产厂家19个单位共32位代表。甘肃省水利厅副厅长、甘肃省水利学会副理事长冯婉玲、甘肃省水利厅总工程师、甘肃省水利学会名誉理事长王钟浩出席会议并讲了话。冻土工程国家重点实验室副主任徐学祖研究员就国内冻胀问题的研究现状及发展方向作了学术发言。会议就冻深和冻胀的预报、冻土工程分类、冻土力学和冻土热学最新研究成果、工程防冻胀融化破坏措施等主题展开     

青藏高原冻土地区岩土工程研究进展与思考

我国青藏高原地区 ,广泛分布着性质极为特殊的多年冻土。近年来 ,随着国民经济建设、旅游业以及国防建设的发展 ,交通运输需求量的加大 ,许多工程建筑修筑于冻土地基之上。这不仅带来许多复杂的工程地质与岩土工程问题 ,同时也促进了冻土的开发和利用。主要总结了目前冻土在力学特性、地基处理以及环境变化等诸多方面的研究成果 ,指出了冻土研究的应用前景 ,对我国多年冻土地区工程的建设 ,尤其对青藏铁路建设具有积极的指导意义     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

内蒙古呼伦贝尔市地温与冻土对建筑物基础的影响

文章就地温与冻土的时空变化规律进行了详尽的分析,平均地面温度年际变化呈上升趋势。20世纪50~80年代年变化率为0.4~0.7℃、1961~1990年年变化率为0.3~0.8℃、1971~2000年年变化率为0.7~1.6℃;分区计算了融化指数和冻结指数;结合1/25万地球数据,用地理信息系统,采用非线型数学模型统计,得出该地年、四季最大冻土深度随纬度的增加而加深,随经度、高度的增加而减少,在同经度、高度下,年最大冻土深度随纬度的变化率为155cm/1°N,冬季、春季、夏季和秋季最大冻土深度随纬度的变化率分别为48cm/1°N、35cm/1°N、25cm/1°N和47cm/1°N;同时根据其对建筑物地基的影响程度,将全市冻土划分成强冻胀很深区(Ⅰ)、冻胀深区(Ⅱ)、弱冻胀较深区(Ⅲ)。并给出了各个区建筑物的基础埋深。以供选择使用。     

高温多年冻土区冻土地基预先融化技术研究现状及展望

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.     

冻土的弹性变形及压缩变形

冻土在负温下的变形性研究具有重要的理论意义和实践意义。因为冻土地基即使在负温不变的情况下,在外荷载作用下也会产生沉降变形,特别是对于“高温”塑性冻土地基,这种压缩沉降量是很可观的,常常是基础设计的控制因素。因此,作者完全同意这样一种观点,即当对建筑于多年冻土上的建筑物基础进行地基沉降预报时,必须考虑其下卧塑性冻土地基的压缩变形,特别是对大、中型建筑物。 近两年来,作者对75组225个冻土及人造冰试样进行了系统的室内无侧胀压缩试验研究,旨在为设计部门提供冻土地基在保持冻结状态下的沉降计算指标和方法。同时,作者还对冻土的弹性性质(可恢复变形)进行了初步的试验研究。     

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.     

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。     

混凝土衬砌渠道基土的冻胀分级及冻害防治措施

近年来,兄弟省根据其自然条件,以混凝土衬砌渠道基土种类、冻前地下水位埋深与冻土深度的最小距离及冻前土壤含水量为依据,进行地基土壤冻胀等级的划分。但直到现在,尚无定量指标可循。近年来,我们结合工程设立观测点,并建立了混凝土衬砌模拟渠道露天测试场,对大、中、小型衬砌渠道进行了调查和对混凝土衬砌渠道在不同土壤地基、不同地下水位补给条件下的冻胀影响试验。提出我区混凝土衬砌渠道的地基土壤冻胀分级方案和相应的防冻措施,以供参考。     

东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价

土体在冻结状态具有极高的压缩模量, 具有弹性体的工程地质特征。但是在冻土地温升高过程中, 这种特征急剧衰减, 产生蠕变和流变, 建筑物地基强度降低, 导致建筑物基础破坏。同时土体在冻结过程中产生的冻胀作用也将导致建筑物基础的破坏。东北大兴安岭地区多年冻土为高纬度低海拔多年冻土, 其分布具有明显纬度地带性特点。本文在分析该区多年冻土分布特征及冻土工程地质特点的基础上, 对由于土体的冻胀和融沉导致的建筑物基础的危害进行分类研究, 针对性的提出了用热棒降低土体温度以保证多年冻土稳定及用排水的方法减少水对建筑物地基多年冻土影响的工程病害处理措施。     

基于广义强度准则的地基土换填防冻胀能力评估

基于广义强度准则,提出了一种评价地基土换填抗冻胀能力的新方法。将冻胀力作为外载荷考虑,将冻土缺陷考虑为裂纹,并把冻土断裂韧度作为重要因素引进新准则。通过一个挡墙基础的算例,对换填前后的稳定性和强度进行了分析,与传统方法相比,由于考虑了更多的因素,从而更加合理。     

中国冻胀研究进展

中国的冻胀研究从５０年代末期开始，经科研单位、勘察设计院和大专院校冻土工作者近４０年的努力，通过现场观察、原位测试、室内试验和计算机模拟等多种手段，开展了冻胀量、冻胀力、冻胀机理、冻胀预报和各类工程防冻胀措施研究，取得了丰硕成果。提出了冻土工程分类、冻胀量和冻胀力的设计值和估算方法，以及各类工程防冻胀破坏的行之有效的方法。目前，研究工作正朝着从表象到机理、从宏观到微观的方向深化。进一步研究多孔介质中热质迁移的物理过程，特别是水分迁移的驱动力与温度或温度梯度间的相互关系，提出能反映过程物理本质且简便的冻胀预报模式及研制出对冻胀不敏感的新材料应成为今后工作的重点。     

青藏公路沿线多年冻土图

由中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土室编制的1/60万青藏公路沿线多年冻土图,初稿打样已于1980年5月完成。 该图汇总了我所冻土室对该线多年冻土近二十年(1960～1979)的研究成果和大量实际资料,並参阅和利用了第一铁路设计院、青海省地质局第一水文地质队,以及其它兄弟单位的有关资料。     

淮南刘庄煤矿人工冻融土的冻胀与融沉研究

安徽淮南刘庄煤矿主井井塔地基工程采用了人工冻结法施工,因而主井井塔地基土发生冻胀和融沉的变化。为了工程的安全和井塔的稳定,本文对主井井塔地基的人工冻融土进行了冻胀和融沉模拟试验,并对试验数据进行分析和计算。本文对人工冻融土冻胀与融沉性质的研究,填补了我国在这方面研究的不足,为今后该方面的工程施工提供了参考依据。