随着城镇化进程的加快,地埋热力管道工程作为生命线工程,其覆盖面愈加宽广,在软土地区同样分布着大量的地埋热力管道,具有管内热媒温度高、管周土体软弱的特点。由于外部荷载作用及管身所处环境的复杂,结合管内热媒高温高压的特点,一旦出现管道泄漏,将可能造成严重的事故,对城市环境及市民人生安全构成巨大的威胁。目前,国内外针对地埋管道的力学特性已有部分研究,但多为常温下的管体力学特性研究分析,涉及温度作用的地埋管道工程研究也大多围绕在冻土区进行,且基本采用有限元模拟手段进行研究。本文通过大型模型试验、有限元分析方法,对地埋热力管道在恒温、变温作用下管身应力、土体沉降、土体温度场变化以及静载作用下的管身应力响应等方面展开了研究工作。(1)探讨地埋热力管道在恒温和间歇运行条件下的管土热力学特性,研究将管中油体温度分别设定为恒温80℃、先加热至80℃再自然降温两种过程对地埋热力管道管土力学特性的影响。通过测得温度、孔压、沉降以及管身轴向和径向应力曲线,试验结果表明:(1)在温度影响下地埋热力管道将温度以热传导的方式传递给土体,土体温度距离管道越近,其温度越高,反之亦然;同样,距管越近,由于温度引起的土体超静孔压也越高,而在分级荷载直接作用情况下,土体产生的超静孔压呈较好的消散趋势,并且降温阶段产生负孔压。(2)温度作用土体遇热膨胀,土体表现位移表现为先隆起后沉降的结果,荷载作用下土体存在较大的沉降值,且间歇运行情况下的土体沉降试验值大于恒温运行下的土体沉降值,这说明在间歇运行下由于多次自然降温,土体固结更为完全,产生不可恢复的塑性变形。(3)在两种运行方式下,管身的轴向、径向应力对管内热媒温度的变化表现出较为明显的感应,且管身产生的应力值基本由温度控制,高温作用下管身受热膨胀表现为受拉应力状态,降温后管身应力恢复至初始状态,而由于上部荷载的直接作用,降温后可能由于弯矩作用管顶轴向出现受压应力状态。(2)将管中油体温度分别设定为恒温80℃、先加热至80℃再自然降温两种试验条件用以模拟地埋热力管道的两种不同运行方式,在土体表面0.6m2的范围内分别从20kg分级施加荷载到1600kg,研究地埋热力管道在温度-荷载作用下的结构应力响应特性。试验结果表明:(1)管身应力大小主要受管内热媒温度控制,土体表面作用荷载对管身应力影响相对较小。(2)恒温、变温作用下管顶表面轴向应力随作用荷载的增大而减小,这是由于荷载越大,管顶作用弯矩值越大,此弯矩引起管顶轴向产生压应力,抵消部分温度引起的膨胀拉应力;管侧径向应力随作用荷载的增大而增大,这是由于荷载越大,对管身的压力越大,管侧膨胀进一步加剧,温度引起的膨胀拉应力值继续增大。(3)变温作用下地埋热力管道经历由升温再降温的过程,对管侧径向应力而言,升温再降温至某一温度后的管侧径向应力值要大于管内热媒温度恒定在同一温度作用下的管侧径向应力,这是由于管周土体随管内热媒升温再降温的温度变化而变化,降温阶段引起土体再次固结,固结后管周土体会对管身作用挤压力,抵消管侧部分膨胀值,最终出现降温后管侧径向应力值小于恒定相同温度下的管侧径向应力现象。(3)利用Abaqus有限元软件,以模型试验为原型,建立了地埋热力管道管土有限元模型,通过将有限元模拟结果与模型试验结果进行对比,验证了模型的可靠性。结果表明:(1)地埋热力管道在两种运行方式下,管周土体温度随距管距离的增大而降低;土体表面作用荷载时,较大管径上表面最终土体沉降大于较小管径上表面土体沉降,此种现象在恒温运行工况下较为明显;间歇运行时荷载作用下地表最终沉降略大于恒温运行时的土体表面沉降。(2)管身应力主要受温度控制,管内热媒升温时管身应力迅速增大,降温时管身应力也会在短时间内恢复。(3)管内热媒温度越高,管身应力也会越大,在荷载作用下管顶轴向应力呈减小趋势,管侧径向应力呈增大趋势,且由于实际管道工程中管身的挠曲现象,使得荷载作用效应增大,相比二维有限元模型中的管身应力,其应力变化受地埋管道上部荷载影响更为显著。