川气东送工程中地层塌陷及土壤液化区段管道安全评估

摘要

川气东送管道工程途径地区地形、地质条件复杂，岩溶塌陷和土壤液化地质灾害对管道工程的施工和安全运营构成严重威胁，是管道遭受特殊地质灾害中亟待需要解决的重大问题之一，因此，研究地层塌陷和土壤液化对管道安全的影响具有重要的理论和工程意义。 已有文献都是基于Winkler地基梁模型来研究塌陷以及悬空等对管道安全的影响，还没有采用其它的力学分析模型的报道。本文采用了弹塑性地基梁模型来研究其对管道的影响，分析结果表明，与Winkler模型相比，弹塑性模型更合理、更精确，而Winkler模型较简单，便于工程应用。 在已有文献的基础上，采用有限元法研究了地层塌陷的形成原因和影响因素；基于Winkler地基梁理论和弹塑性地基梁理论，研究了地层塌陷和土壤液化形成后对管道安全的影响。建立了管土相互作用的力学分析模型及管道挠曲线变形微分方程，由管道的边界条件、连续光滑条件以及轴向位移条件，构成求解全部未知量的线性和非线性方程组，采用非线性理论求解，分析管道的变形与应力。主要结论如下： 1.土洞上覆盖层土体在自身重力载荷和真空负压差的作用下，在土洞底部的洞壁上开始形成塑性区，塑性区随着土体含水量的增加而不断扩展，当土体的物理力学参数降低到一定程度时，塑性区在土洞上方形成贯通区域，此时覆盖层土体失稳破坏而形成地面塌陷。地下水的活动是形成地面塌陷的主要影响因素，从有限元的角度解释了地面塌陷多发生在降雨期间的力学原因。 2.计算了四种力学分析模型的临界地层塌陷区及土壤液化区的长度。考虑轴力影响的两种模型的临界地层塌陷区长度的误差在8％左右，而土壤液化的误差为3％左右，两者的误差随着管道的屈服应力的增加而增大。 3.在地层塌陷区和土壤液化区长度较小的情况下，为简化工程计算可采用Winkler模型分析管道的变形与应力。当塌陷区和液化区长度较大时，采用弹塑性模型分析的必要性就更加明显。 4.考虑轴力影响使管道的变形和最大Mises应力相应减小，较不考虑轴力影响的管道分析结果更接近真实情况、更为可靠。在地层塌陷区和土壤液化区长度较小的情况下，为简化计算可忽略轴力对管道计算结果的影响。 5.弹塑性模型可忽略土弹簧刚度对管道计算结果的影响，而Winkler模型则要考虑到土弹簧刚度对其的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2岩溶塌陷研究概述

1.3悬空以及地层塌陷作用下的埋地管道研究概述

1.4管道遭受土壤液化地质灾害研究概述

1.5问题的提出

1.6本文的研究内容和研究方法以及技术路线

1.6.1研究内容

1.6.2研究方法

1.6.3技术路线

第二章 土洞上覆盖层土体稳定性分析

2.1极限平衡法

2.2有限单元法

2.3小结

第三章 地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析

3.1采用Winkler地基管道的力学模型与变形分析

3.1.1不考虑轴力影响

3.1.2考虑轴力影响

3.2采用理想弹塑性地基管道的力学模型与变形分析

3.2.1不考虑轴力影响

3.2.2考虑轴力影响

3.3求解与应力分析

3.3.1计算参数的选取

3.3.2求解非线性方程组

3.3.3应力分析

3.4计算结果分析

3.5结论

第四章 土壤液化区段埋地管道变形与应力分析

4.1采用Winker地基管道的力学模型与变形分析

4.1.1不考虑轴力影响

4.1.2老虑轴力影响

4.2采用弹塑性地基管道的力学模型与变形分析

4.2.1不考虑轴力影响

4.2.2考虑轴力影响

4.3求解与应力分析

4.4结果分析

4.5结论

第五章 管道遭受地层塌陷和土壤液化的防治措施

5.1地层塌陷的预防措施与防治技术

5.2砂土液化的预防措施与防治技术

5.3管道的防治措施

结论与建议

参考文献

致谢