管道输送是石油和天然气运输的最主要方式之一。在管道运营期间,由于外界荷载、冻胀融沉、环境腐蚀、材料老化、振动疲劳等复杂因素的耦合作用,其结构受力性能逐渐退化,承载能力下降,从而导致管道破损和泄漏等现象发生,严重威胁国民经济和人民生命财产安全。典型的西气东输管道和中俄输油管道都是位于季节性冻土地区的长输埋地管道,温度的变化会引起管道周围土体出现严重的冻胀融沉现象。季冻区土体的冻胀融沉是一个在水分场、温度场和应力场等多场耦合作用下的复杂物理过程。过度的冻胀融沉过程会使埋地管道偏离原铺设的管道路径,造成管道弯曲、开裂,最终导致失效。因此,开展冻胀融沉作用下埋地管道与土体之间相互作用的研究对埋地管道结构的合理设计和保障管道的安全运输具有重要的理论意义及工程实用价值。本文以中俄输油埋地管道为研究对象,采用理论、试验和有限元数值分析相结合的方法,开展基于多场耦合的管道-冻土相互作用试验及数值模拟,建立管道-土体相互作用理论模型,研究管道-土体相互作用机理,分析多种参数对埋地管道冻胀融沉作用下应力-应变的影响规律。主要工作及结果如下:基于传热学和冻土力学的基本理论,考虑冻土温度梯度下体积应变热传导项,建立了包含水分迁移、冰水相变潜热及体积应变效应的热传导方程。基于体积含冰量、水力扩散系数和冻土渗透系数,利用流体动力学理论给出了水分迁移方程;基于冰水相变和温度变化引起的应变,建立了管道冻土应力场方程。研究了埋地管道-冻土相互作用的理论模型,并详细分析管道-土体相互作用机理,建立了温度场、水分场和应力场的偏微分方程;给出了管道-土体相互作用的影响因素及数值分析模型。提出了管道-土体相互作用模型试验方法,设计了开放系统条件下的冻融循环模型试验,给出了预试验土体及管道的制备方法、试验原理及试验装置设置、温度、管道位移、管道应力的测量方法及测点布置。通过模型试验获取了冻融循环作用下埋地管道应力-应变的相关数据,验证了冻融循环理论预测的“棘轮效应”,得到了冻融循环作用下管道应力变化的一般规律,验证了试验方案的可行性。进行了开放系统下中俄原油输油管线大庆段埋地管道的冻融循环试验,综合考虑埋深、含水率、土的性质等影响因素,揭示了管道周围土体温度变化规律,土体的冻胀融沉引起的管道应力-应变的变化规律。结果表明,土体温度会随深度衰减,并具有一定的时间延迟。在冻融作用下,由于重力和冻胀力的叠加作用,管道顶部和底部应力变化趋势一致;土体冻胀力分布与土体含水率关系密切,含水率越高冻胀力越大;管道应力受重力、冻胀力、土体的压力、椭圆形融土区对管道中上部中下部挤压力等复杂应力的综合影响显著。基于水-热-力三场耦合理论,采用COMSOL Multiphysics软件建立了基于水-热-力（H-T-M）耦合作用下的季冻区埋地管道的三维有限元模型。主要考虑季节温度变化、水迁移、冰水相变、土体应力场和变形场、管道沿线温度变化和管道位移等参数对管道受力的影响进行了研究。开展了多物理场耦合下的埋地输油管道有限元数值仿真分析,获得埋地输油管道水分场、温度场、应力场的分布规律。结果表明,冻融循环前期管道应力受温度影响波动较大,后期波动较小,土体中水分的迁移造成土体对管道压力的逐渐减小。冻融循环中土体含水率和温度变化是影响管道受力的主要因素。本文建立了管道-土体相互作用理论模型,探索了基于多场耦合的管道-土体相互作用规律,获得多种参数对埋地管道冻胀融沉作用下应力-应变的影响规律,为季节性冻土区埋地管道的合理设计和安全运输提供有力支撑。