Моделирование продольных перемещений трубопровода в многолетнемерзлых грунтах

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью проведения многочисленных экспериментальных исследований по определению влияния температуры и влажности грунта на его механические характеристики. При изменении температуры и влажности грунта меняется коэффициент Пуассона, модуль Юнга, сцепление и угол внутреннего трения грунта. Для многолетнемерзлых грунтов эти изменения значительны и влияют на напряженно-деформированное состояние подземного трубопровода и на зависимость продольных перемещений от приложенных нагрузок. Разрабатываемая компьютерная модель позволит сократить количество экспериментальных исследований путем моделирования процессов взаимодействия трубопровода с грунтом методом конечных элементов. Цель: разработка математической модели системы трубопровод-грунт для исследования влияния изменения температуры мерзлого грунта на напряженно-деформированное состояние трубопровода. Объекты: подземные трубопроводы, проложенные в условиях многолетнемерзлых грунтов, изменяющие проектное положение в процессе эксплуатации; одновременное влияние характеристик грунта на перемещения трубопровода, подверженного нагрузкам. Методы: математическое моделирование, моделирование методом конечных элементов, методы строительной механики и механики грунтов, планирование эксперимента. Результаты. Проведен анализ моделей взаимодействия трубопровода с грунтом. Разработана 3D модель экспериментальной установки трубопровода в лотке с грунтовым массивом. Для грунта описаны характеристики модели геомеханической теории пластичности Мора-Кулона. Получена теоретическая зависимость продольных перемещений от приложенной продольной нагрузки. Проведено сравнение с результатами, полученными на экспериментальной установке. Обоснована необходимость мониторинга температурного поля грунта вокруг трубопровода.

The research of the reseach is caused by the need for numerous experimental studies to determine the effect of temperature and soil moisture on its mechanical characteristics. With a change in temperature and soil moisture, the Poisson's ratio, Young's modulus, cohesion, and friction angle of the soil change. For permafrost soils, these changes are significant. They affect the stress-strain state of the underground pipeline as well as the dependence of the longitudinal displacements on the applied loads. The computer model will reduce the number of experimental research using finite element modeling. The aim of the research is to develop a mathematical model of the pipeline-soil system to study the effect of changes in the temperature of permafrost on the stress-strain state of the pipeline. Objects: underground pipelines laid in permafrost soils, subject to movements during oil and gas transportation; simultaneous influence of soil characteristics on displacement of a pipeline subjected to loads. Methods: mathematical modeling, finite element modeling in the ANSYS software package, methods of building and soil mechanics, experiment planning. Results. The authors have carried out the analysis of the pipeline soil interaction models. A 3D model of the pipeline experimental installation in a tray with a soil array was developed. The paper describes the characteristics of geomechanical theory model of the Mohr- Coulomb plasticity for the soil. The dependence of the longitudinal displacements on the applied longitudinal load in ANSYS is obtained. A comparison is made with the results obtained in the experimental installation.