中俄石油管道多年凍土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究及溫度場(chǎng)數(shù)值分析

中俄石油管道多年凍土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究及溫度場(chǎng)數(shù)值分析為了保障能源供給,我國(guó)目前正從俄羅斯大量進(jìn)口的原油。漠河一大慶段原油輸送管道工程需要穿越東北大小興安嶺和嫩江平原北部、大約500km的多年凍土區(qū)和465m的季節(jié)凍土區(qū)。該地區(qū)凍土正處于逐漸消退過(guò)程中,所經(jīng)過(guò)多年凍土地帶凍土工程地質(zhì)條件復(fù)雜,不良凍土現(xiàn)象發(fā)育,沿線多年凍土工程地質(zhì)特征存在較大的差異,可能對(duì)管道工程安全造成嚴(yán)重威脅。凍土區(qū)的輸油管道設(shè)計(jì)和施工具有許多特殊性,管道油溫對(duì)其周?chē)脱鼐€凍、融土的水熱狀態(tài)將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響,進(jìn)而直接影響到凍、融土的物理力學(xué)特性,威脅著管道的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。由此,開(kāi)展對(duì)管道沿線凍土區(qū)工程地質(zhì)性質(zhì)及其相關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題的研究具有重要意義。為了滿足該管道初勘階段勘察評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)施工的需要,我院凍土實(shí)驗(yàn)室受大慶石油工程有限公司的委托,對(duì)所送凍土樣品按照中國(guó)石油管道公司在《中俄原油管道(漠河一大慶段)工程多年凍土工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)定(試行)》中對(duì)凍土指標(biāo)提出的各種技術(shù)要求進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的凍土專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。本文首先通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)取自中俄管道沿線的地基土進(jìn)行了相關(guān)的物理指標(biāo)測(cè)試,主要包括凍土未凍水、骨架比熱、體積熱容、導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)。這些物理參數(shù)都是凍土熱物性研究與工程設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)。這一部分內(nèi)容中重點(diǎn)論述凍土未凍水的測(cè)試研究。從理論上分析測(cè)定未凍水含量的測(cè)溫法與量熱法,得出測(cè)溫法原理存在混淆溫度概念問(wèn)題,即測(cè)溫法通過(guò)Wu=aθ-b預(yù)報(bào)模式衍生而來(lái),實(shí)際上是將起始凍結(jié)溫度下的未凍水含量當(dāng)成任意負(fù)溫下的未凍水含量。從模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,測(cè)溫法試驗(yàn)結(jié)果存在不確定性。相比之下,量熱法根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行試驗(yàn)與計(jì)算公式的推導(dǎo),試驗(yàn)原理清晰明確,并且經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證,量熱法的測(cè)試精度較高,滿足工程設(shè)計(jì)使用要求。采用量熱法對(duì)管道凍土區(qū)六大類(lèi)原狀土樣進(jìn)行了綜合試驗(yàn)研究,歸納了溫度、土質(zhì)和含水量對(duì)未凍水含量的影響規(guī)律。溫度是影響未凍水含量的主要因素,隨溫度降低,未凍水含量均減少,不同土的未凍水含量劇烈變化的溫度區(qū)間范圍有所不同；六種土質(zhì)類(lèi)型在各溫度下平均未凍水含量與溫度關(guān)系反映出,隨著土質(zhì)分散性的增大(塑性增強(qiáng)),未凍水含量增加。在相同負(fù)溫下有機(jī)土比無(wú)機(jī)土未凍水含量高,有機(jī)土隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大,未凍水含量增大；初始含水量對(duì)有機(jī)質(zhì)土的未凍水含量有非常明顯的影響。初始含水量對(duì)未凍水含量的影響程度依次是粘土>粉土、粉質(zhì)粘土>礫砂。通過(guò)對(duì)未凍水影響因素的分析,本文總結(jié)了石油管道工程沿線各類(lèi)土在給定負(fù)溫下的未凍水含量代表值(平均值)以及凍土未凍水通用公式冪函數(shù)wu=at-b中的參數(shù)a、b數(shù)值。在此基礎(chǔ)上,擬合得出粘土、粉質(zhì)粘土、粉土和泥炭質(zhì)土的wu-wp-t經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和在給定溫度下的wu-wo-wp關(guān)系的二元一次線性回歸方程式。這些經(jīng)驗(yàn)公式不但反映出了土質(zhì)、含水量和溫度對(duì)未凍水的綜合影響規(guī)律,同時(shí)也可供工程快速確定未凍水含量提供參考依據(jù)。本文完成的凍土基本熱物理參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、體積熱容量、導(dǎo)溫系數(shù),凍土骨架比熱。這些參數(shù)是凍土熱工計(jì)算的應(yīng)用指標(biāo),在現(xiàn)場(chǎng)很難直接獲得,主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定。本次凍土熱物理參數(shù)采用的試驗(yàn)方法是：導(dǎo)熱系數(shù)采用穩(wěn)定狀態(tài)熱流計(jì)法測(cè)定,導(dǎo)溫系數(shù)用正規(guī)狀態(tài)法測(cè)定。凍土體積熱容和凍土骨架比熱采用量熱法。對(duì)大興安嶺多年凍土區(qū)泥炭草炭、泥炭質(zhì)土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉土和各種礫砂等一系列土樣的進(jìn)行凍土骨架比熱測(cè)試,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析和比較可知,隨顆粒變粗和塑性減弱,凍土骨架比熱逐漸減小。凍土骨架比熱值不僅與顆粒和塑性大小有關(guān),而且與土中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。隨土中有機(jī)質(zhì)含量增加,骨架比熱值增大：根據(jù)-10℃條件下的體積熱容試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果,分土類(lèi)討論其與總含水量和干容重的關(guān)系。對(duì)四類(lèi)土Cvf_W_γd試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元一次線性回歸分析,得到凍土體積熱容隨總含水量和干密度增加而增大且線性相關(guān)性均很好。結(jié)合未凍水與骨架比熱測(cè)試結(jié)果連同土樣總含水量與干容重,從而可以計(jì)算出任一負(fù)溫下的凍土體積熱容；凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定采用熱流計(jì)法,通過(guò)試驗(yàn)給出了大興安嶺多年凍土區(qū)五種典型土料的λ_w_γd線性回歸方程式,相關(guān)性較好。熱流計(jì)法能較好地揭示凍融狀態(tài)、含水量、干容重和土質(zhì)條件等因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響和規(guī)律。大多數(shù)在北半球的國(guó)家為凍脹和融沉問(wèn)題所困。但是,對(duì)凍土這個(gè)特殊環(huán)境的科學(xué)和技術(shù)難題,特別是寒區(qū)巖土和管道工程的研究卻非常不足。本文第二部分通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)各種不同土質(zhì)進(jìn)行凍脹敏感性分析與管道區(qū)凍土融沉性分析。對(duì)典型土料進(jìn)行室內(nèi)凍脹模擬試驗(yàn),找出土質(zhì)條件、含水量、飽和度、密實(shí)狀態(tài)、等因素與凍脹率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。分別對(duì)影響細(xì)粒土與粗粒土的凍脹敏感性的主導(dǎo)因素進(jìn)行分析。細(xì)粒土凍脹性,在含水量相同時(shí)塑性指數(shù)越大,所需起始凍脹含水量越高,而凍脹性也越弱；粘性土和粉土的凍脹性隨超塑含水量(W-WP)變化的規(guī)律基本相同,可統(tǒng)一按土的η～(W-WP)關(guān)系進(jìn)行細(xì)粒土凍脹敏感性分類(lèi)；細(xì)粒土的凍脹性還受飽和度和壓實(shí)度的影響,在同一飽和度下.土的凍脹性隨著壓實(shí)度的增加而降低,當(dāng)含水量一定時(shí),細(xì)粒土的凍脹率都隨著壓實(shí)度或飽和度的增加而增大；對(duì)η～(W-WP)～Kd/Sr進(jìn)行回歸分析.(W-WP)對(duì)土體凍脹性的貢獻(xiàn)要比Kd或Sr大,說(shuō)明超塑含水量是影響細(xì)粒土凍脹性大小的主導(dǎo)因素。在對(duì)粗粒土凍脹敏感性及分類(lèi)的研究中可知,土中的含水率是使其產(chǎn)生凍脹最主要的因素,而含泥量的影響有限。從粉砂到粗砂,凍脹率隨含水率的增長(zhǎng)而顯著增長(zhǎng)。通過(guò)與規(guī)范對(duì)比研究,可得出規(guī)范規(guī)定的含泥量界限值是不合適的,含泥量低于規(guī)定的界限值在一定含水率的情況下仍然存在凍脹,甚至可達(dá)到強(qiáng)脹；規(guī)范在除粉砂外的粗粒土凍脹性分類(lèi)面,在土類(lèi)劃分、含泥量界限、凍率與含水率關(guān)系及界限值規(guī)定上,都存在許多問(wèn)題明顯偏于不安全方面,值得商榷。對(duì)引起管道凍脹變形的2-6m范圍的地基土凍脹性的分析中可知,AB段沿線在2-6m深度范圍內(nèi)粉質(zhì)粘土的凍脹是引起該段管道凍脹破壞的主要原因。從實(shí)驗(yàn)資料看,沿線粉質(zhì)粘土的凍脹性沒(méi)有明顯規(guī)律,很可能是各段水分補(bǔ)給條件的影響不同所致。AB段分布的粗粒土主要是礫砂和圓礫角礫,礫砂大多數(shù)屬于弱凍脹性,凍脹強(qiáng)弱取決于含水量(補(bǔ)水條件),考慮到管道運(yùn)營(yíng)后可能改變下部水分條件,對(duì)一些天然含水量較低的弱凍脹性地區(qū),也需要考慮水分充足后演變成凍脹甚至強(qiáng)凍脹類(lèi)型的可能性。該段含有的圓礫角礫土層可按不凍脹處理。本文完成了細(xì)礫、砂土、粉土、粘性土、泥炭化粘性土、泥炭質(zhì)土六種共345個(gè)土樣的融沉試驗(yàn),通過(guò)對(duì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提出了多年凍土融沉系數(shù)與融化壓縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)確定方法,并對(duì)凍土融沉性分類(lèi)做了進(jìn)一步的研究?？偨Y(jié)了各類(lèi)土融沉系數(shù)a0與含水量和干容重關(guān)系。各類(lèi)土的融沉敏感性是不一樣的。粉土的融沉敏感性最大。礫石土在條件具備時(shí)亦可產(chǎn)生可觀沉降,但總體上看融沉較小,一般是良好的凍土地基；在凍土融沉性分類(lèi)研究中本文比現(xiàn)有規(guī)范增加了泥炭化粘性土和泥炭質(zhì)土這兩種土類(lèi)。在回歸分析基礎(chǔ)上提出了各融沉等級(jí)界限含水量和界限超塑含水量；融化壓縮系數(shù)在實(shí)驗(yàn)荷載范圍(200KPa)以內(nèi)并非常數(shù),而是隨著荷載的增大而減小,所以凍土融化后體積壓縮系數(shù)mv不應(yīng)取定值,而應(yīng)根據(jù)實(shí)際壓力段大小取相應(yīng)值；總結(jié)出來(lái)六類(lèi)土mv-rd回歸關(guān)系和數(shù)字化表格,可供工程上估計(jì)mv時(shí)使用。凍土是一種對(duì)溫度十分敏感的土體,隨著溫度的不同其物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化。在多年凍土區(qū)埋設(shè)常溫輸油管道必然會(huì)破壞凍土與大氣間已經(jīng)建立的熱量平衡狀態(tài),使地基土的溫度狀況及凍融過(guò)程發(fā)生較大的改變,從而對(duì)管道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成不良影響。因此,針對(duì)管道工程的施工和運(yùn)行特點(diǎn),對(duì)管道地基土在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的溫度場(chǎng)做出預(yù)報(bào)有重要意義。論文對(duì)管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)建立一理想物理模型,給出一定的模型假定條件,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)資料給出相應(yīng)的邊界條件,計(jì)算管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的變化。不考慮油溫的影響與給定一負(fù)溫油溫兩種情況對(duì)凍土溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。從管道橫截面軸心的地溫凍融過(guò)程線看,管道在運(yùn)行前25年左右,季節(jié)凍土深度在7米左右變化,而在計(jì)算的后25年,季節(jié)性凍土的凍結(jié)深度逐年減小,說(shuō)明季節(jié)凍土也在逐年消退。計(jì)算的前25年,多年凍土上限呈逐年降低趨勢(shì),同時(shí)多年凍土的下限在逐年抬升,說(shuō)明多年凍土在逐年退化；計(jì)算到27年,多年凍土完全退化為季節(jié)性凍土。因此,在全球變暖的氣候大條件下,使得高溫極不穩(wěn)定凍土受