季節(jié)性凍土區(qū)市政給水管道合理埋置深度研究.pdf

1、市政給水管道與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，但是在季節(jié)性凍土區(qū)埋地敷設(shè)的市政給水管道存在遭受凍害以及埋深過深增加建設(shè)成本的現(xiàn)象。本論文在已有理論和實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對市政給水管道埋深研究中涉及到的傳熱學(xué)、滲流力學(xué)以及凍脹力學(xué)進行研究和計算。結(jié)合相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)、理論分析和數(shù)值模擬，系統(tǒng)的分析市政給水管道運行期間周圍土壤溫度場、水分場、應(yīng)力場。主要研究成果如下：
　　（1）管道遭受凍害主要是由于受到土壤凍結(jié)過程中土壤體積增大，產(chǎn)生凍結(jié)力和凍脹

2、力以及土壤融化過程中土體壓縮系數(shù)變化的影響。其中，凍結(jié)力與土壤含水率、溫度、基礎(chǔ)材料等因素有關(guān)。以粉土為例當(dāng)含水率W=50％凍結(jié)力達到最大值。凍脹力包括切向凍脹力、法向凍脹力、凍脹反力。通過研究表明，凍脹力與凍土的含水量、負溫度、作用時間、基礎(chǔ)埋置深度（凍結(jié)深度）、巖性（土質(zhì)條件）等因素有關(guān)。融沉破壞由于凍土融化時壓縮系數(shù)比同一種土的壓縮系數(shù)增大，使得正融土在相同外部荷載時，土的承載力下降發(fā)生變形。
　?。?）管道和周圍土壤之間的

3、傳熱主要以熱傳導(dǎo)和熱對流為主。本文對于傳熱問題的研究計算主要利用有限元分析法。明確有限元法解決問題的基本步驟和解題思路。利用有限元法對管道傳熱所涉及到的穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱進行有限元分析，分別得到兩種情況下傳熱方程和求解過程。市政給水管道向周圍土壤傳熱屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，我們進行非穩(wěn)態(tài)模擬前通常會以穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果作為初始條件。
　　（3）季節(jié)性凍土地區(qū)市政給水管道埋深主要影響因素（土壤凍結(jié)深度、地下水位、流速、管徑等）。以埋設(shè)完成

4、的市政給水管道為例，分別計算出本文實例分析地區(qū)的0℃侵入土壤深度，管道沿程溫降和靜止冷卻時間。
　　（4）建立了符合實際情況的傳熱方程，利用該方程結(jié)合有限元分析軟件對新疆克拉瑪依地區(qū)某小區(qū)內(nèi)市政給水管道進行分析，得到結(jié)論：埋設(shè)在0.3-1.3m的較淺的埋設(shè)深度處時，地表溫度對土壤溫度場的影響比較大，土壤0℃溫度線逐漸上升向地面移動；當(dāng)管道埋設(shè)深度在1.5-2.1m時溫度場中土壤0℃溫度線的變化不再有明顯規(guī)律，隨著管道埋設(shè)深度加大，

5、土壤受地表溫度影響的程度在逐漸減小其溫度變化也不在明顯。同時，當(dāng)管道埋設(shè)深度繼續(xù)增加到1.5m以下，從圖中觀察到土壤的溫度下降趨勢就已經(jīng)趨于平穩(wěn)，隨著地表氣溫的變化，土壤溫度不會再有較大幅度的變化，所以認為管道埋設(shè)深度為1.5m時比較合理。
　?。?）得到給水管道上部土壤應(yīng)力隨著溫度變化狀況，管道上部土壤在水平方向和豎直方向應(yīng)力變化的情況以及不同深度處土壤應(yīng)力的變化狀況，通過對這些應(yīng)力求解得到管道周圍土壤應(yīng)力分布狀況，從而更好的分