冻土中输气管道的管土相互作用分析

摘 要：冻土区埋地式管道对多年冻土地基产生扰动，形成融化圈，同时，冻土的融沉及活动层的冻融对管道地基工程造成破坏，引起管道地基的不均匀变形，影响安全。文章提出冻土中输气管道的管土处理方法，为冻土区埋地式管道敷设提供依据。

关键词：冻土 输气管道 冻胀 融沉 稳定性 热力影响

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临冻胀和融沉。冻土易受投入运营的埋地管道的扰动，在管道与大气环境的影响下会出现冻融变化，发生冻胀与融沉变形，可能破坏管道结构，影响埋地管道的安全运营。

一、冻土中输气管道建设的现状

冻土区管道主要采用埋地、架空等方式通过。基于安全经济等原因，埋地式是普遍采用的敷设方式。在冻土区进行埋地式管道的敷设，必将破坏植被，改变地表形态，同时，埋地式管道在气温及环境温度的变化时，将在管道周围形成冻结融化圈，导致管道在运营过程中发生不均匀冻胀及融沉。

在一定条件下，受管道持续的热力影响，管道周围最大融化范围会逐年增大，管道采取保温措施后，保温层在管道运营前期能够有效抑制土壤的融化，其失效会导致管道热损失增大。不同的水源补给、气候因素和地质条件都将导致冻土工程问题的复杂化。冻土地区铺设管道， 将遇到很多技术难题和挑战， 一方面， 土体的冻胀和融沉会对管壁产生额外应力， 在适当的条件下引起应力集中和塑性变形， 甚至造成管道破坏；另一方面， 埋设于冻土地带的管道会对周围环境产生扰动， 造成冻土退化， 反过来又影响管道安全。

输气管道工程实践和研究早已认识到冻土融化会对其压缩系数、抗剪强度、变形系数产生不利影响，进而对冻土之中和之上的建筑产生损害和破坏。冻土区油气开发和随后的管道储运工程的主要问题涉及冻胀和融沉问题，同时其它相关的设施基础稳定也涉及冻胀、融沉问题。管道受冻土变形及应力变化的影响，不仅在径向上产生变形，而且在轴向上也会受到挤压而变形。

同时，管道在通过不同类型的冻土区时，会与周围冻土发生换热，扰动冻土的自然对流换热过程，干扰冻土正常传热、传质作用，加剧冻土的不规则变形及应力大幅波动。冻土地段埋地式管道基础融化下沉量较大，融化时承载能力急剧下降，产生的沉降变形量很大，会引起管道基础局部的严重变形甚至造成管道的破坏。

二、冻土中输气管道的管土相互作用

冻土环境对管道工程的直接影响，存在管道与冻土环境相互作用问题。由于冻土环境的水热敏感性使管道工程对下伏冻土的破坏具有一定的滞后性，使得冻土对管道的不利影响可能在管道运行过程中才能渐渐显露出来，因此，需要结合动态监测不断完善工程措施方案。管道穿越多年冻土地区，在暖季正温输气时，管道周围冻结土体将发生融化，产生融化下沉，强融沉多年冻土对管道工程的稳定性不利；在寒季负温输气时，管道周围已有融化圈从负温油品吸收冷量部分回冻，剩余未回冻部分则从周围多年冻土冷储量中吸收冷量回冻。管道将长期处于冻土的季节活动层中，在季节活动层强烈的冻融作用下，管道局部产生剧烈冻胀，造成管道的破坏。受冻土融化下沉影响，管道表现出反拱变形、波浪型变形、管道开裂等强烈的破坏变形。

冻土层不断吸热发生相态变化，随着管道运营时间变长，逐年最大融化深度越来越大，且其在管道运营前期的增长速度要大于后期的增长速度。在周期性油温的影响下，因年平均温度为负值的影响，管道周围已融化。土壤部分会重新冻结，管道周围融化尺寸有限；随着运行气温的升高，管壁与土壤温差增大，管道散热量变大，管底最大融化深度越大。随着时间推移，管道或储罐周围会形成越来越厚的“冻土环”。

因此，对于管道的稳定性而言，管土相互作用模型是一个关键问题。对于管道自重所引起的静沉降，可以按照土体的局部极限承载理论来确定。关于管土相互作用问题，土体本构模型的正确选取，土体与管道之间接触面的影响，土体在载荷作用下的应力发展，以及土体进入塑性状态时的破坏分析等都是管土互相影响的因素。

三、解决冻土中输气管道的管土相互作用的对策

利用机械加载模型试验分别研究了管道与砂土、粉土和粘士之间的相互作用。管道与管土之间的相互作用的因素有：第一，管道外表面的粗糙度；第二，冻土土性参数，包括土体的内摩擦角、粘性、饱和度等；第三，管道与冻土的接触面积；第四，管道的位移方向。要解决冻土区埋地式输气管道的冻胀融、沉变形问题，必须通过计算得出埋地式管道地基土的融化圈大小，进而提出相应的地基土处理措施。管道在输气时，地基多年冻土开始融化，随着时间的推移，地基融化圈的厚度随即增加，形成融化圈，在此过程中输气管道将发生融沉，并在寒季发生冻胀变形。

此外，基于地基土的冻胀性与土的颗粒成分相关性较大，为了减少由于埋地式输气管道形成冻结圈引起的冻胀量，可采用粗粒土换填加保温板的形式进行处理。随着管道沉降量的增加，作用在管道上的侧向阻力将增大，侧向阻力的增大主要来自于土体的被动土压力的水平分量。

对于管土相互作用，至今尚未透彻了解其物理机制，已有模型只是建立在纯粹经验的基础上，因此模型试验成为必需的手段，并要用试验结果验证和修改数值计算，从而判断管土系统的稳定性。随着有限元方法的不断完善，计算机技术的迅速发展，数值计算也逐渐受到重视，并成为研究管土相互作用的另一种重要手段。

四、小结

由此可见，在冻土区敷设输气管道，由于气温的影响将在管道周围形成融化圈。通过采用有效的工程防治措施进行地基处理，以减小管道地基由于冻土的融沉及冻融作用造成的输气管道变形，以保证输气管道工程的安全运营。因此研究冻土中输气管道的管土相互作用，正确评价土体对管道阻力的作用，对于管道的稳定性、安全性和经济性，对于完善冻土输气管道的建设有着重要的意义。

参考文献

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