季节性冻土区市政给水管道合理埋置深度研究

摘要

市政给水管道与人们日常生活息息相关，但是在季节性冻土区埋地敷设的市政给水管道存在遭受冻害以及埋深过深增加建设成本的现象。本论文在已有理论和实际经验的基础上，对市政给水管道埋深研究中涉及到的传热学、渗流力学以及冻胀力学进行研究和计算。结合相应的实验数据、理论分析和数值模拟，系统的分析市政给水管道运行期间周围土壤温度场、水分场、应力场。主要研究成果如下：
　　（1）管道遭受冻害主要是由于受到土壤冻结过程中土壤体积增大，产生冻结力和冻胀力以及土壤融化过程中土体压缩系数变化的影响。其中，冻结力与土壤含水率、温度、基础材料等因素有关。以粉土为例当含水率W=50％冻结力达到最大值。冻胀力包括切向冻胀力、法向冻胀力、冻胀反力。通过研究表明，冻胀力与冻土的含水量、负温度、作用时间、基础埋置深度（冻结深度）、岩性（土质条件）等因素有关。融沉破坏由于冻土融化时压缩系数比同一种土的压缩系数增大，使得正融土在相同外部荷载时，土的承载力下降发生变形。
　　（2）管道和周围土壤之间的传热主要以热传导和热对流为主。本文对于传热问题的研究计算主要利用有限元分析法。明确有限元法解决问题的基本步骤和解题思路。利用有限元法对管道传热所涉及到的稳态传热和非稳态传热进行有限元分析，分别得到两种情况下传热方程和求解过程。市政给水管道向周围土壤传热属于非稳态传热问题，我们进行非稳态模拟前通常会以稳态分析的结果作为初始条件。
　　（3）季节性冻土地区市政给水管道埋深主要影响因素（土壤冻结深度、地下水位、流速、管径等）。以埋设完成的市政给水管道为例，分别计算出本文实例分析地区的0℃侵入土壤深度，管道沿程温降和静止冷却时间。
　　（4）建立了符合实际情况的传热方程，利用该方程结合有限元分析软件对新疆克拉玛依地区某小区内市政给水管道进行分析，得到结论：埋设在0.3-1.3m的较浅的埋设深度处时，地表温度对土壤温度场的影响比较大，土壤0℃温度线逐渐上升向地面移动；当管道埋设深度在1.5-2.1m时温度场中土壤0℃温度线的变化不再有明显规律，随着管道埋设深度加大，土壤受地表温度影响的程度在逐渐减小其温度变化也不在明显。同时，当管道埋设深度继续增加到1.5m以下，从图中观察到土壤的温度下降趋势就已经趋于平稳，随着地表气温的变化，土壤温度不会再有较大幅度的变化，所以认为管道埋设深度为1.5m时比较合理。
　　（5）得到给水管道上部土壤应力随着温度变化状况，管道上部土壤在水平方向和竖直方向应力变化的情况以及不同深度处土壤应力的变化状况，通过对这些应力求解得到管道周围土壤应力分布状况，从而更好的分析管道受力的状况，为避免管道遭受冻胀破坏，分析不同深度管道受力，确定管道合理深度提供计算依据。

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第一章 引言

1.1问题的提出

1.2发展概括及研究内容

1.3主要研究思路和内容

第二章 季节性冻土与管道间的作用机理

2.1季节性冻土区常见市政管道破坏现象和原因分析

2.2土壤冻结时耦合分析

2.3本章小结

第三章 管道传热理论分析与有限单元法求解

3.1管道传热理论分析

3.2有限单元法求解

3.3本章小结

第四章 季节性冻土区管道周围土壤温度场与合理埋深分析

4.1影响管道埋深的主要因素

4.2管道埋深的热工计算

4.3 温度场数值模拟

4.4应力模拟分析

4.5经济埋深计算

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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