（岩土工程专业论文）外钓岛—册子岛海底管道抗震分析及海底边坡稳定性研究.pdf

外钓岛一册子岛海底管道抗震分析 及海底边坡稳定性研究 潘月宇( 岩土工程) 指导教师：闰相祯( 教授) 摘要 随着我国海洋油气资源的开发和利用，油气集输过程中的海底管道 建设日益增多。作为多发地震国家，在我国有关海域建设海底管道时必 须考虑抗震设计。而土坡稳定性问题是典型的岩土工程问题，如果处理 不当，边坡失稳产生滑动，不仅影响工程进展，甚至危及生命安全和出 现严重工程失事，因此对边坡稳定性进行分析具有重大意义。 针对目前国内外海底管道抗震设计及海底边坡稳定性研究概况，提 出了本文所要研究的主要内容。 首先，根据国内外有关海底穿越管道的研究方法，得出适用于海底 穿越管道的计算模型及其动特性的计算方法。 其次，建立海底穿越管道的数值计算模型，对海底穿越管道进行模 态分析，并就弹簧刚度系数、土弹簧长度、约束( 支撑) 形式等对海底 管道固有频率的影响进行讨论分析。同时，针对不同烈度、不同刚度系 数、不同阻尼比、不同场地条件，对海底穿越管道在地震波作用下进行 地震反应时程分析，得出管道在上述情况下的地震动响应 最后，总结海底边坡稳定性的分析方法，利用瑞典条分法以及 s l i d e 软件中的b i s h o p 和j a n b u 法进行安全系数计算，将几种方法所 得的安全系数进行比较分析，得出相应结论，从而选择一种较适合本工 程的计算方法，并证明s l i d e 软件能够较好的应用于实际工程。 关键词：穿越，海底管道，抗震，边坡 a n t i - s e i s m i ca n a l y s i so fw a i d i a o c e z is u b m a r i n e p i p e l i n e a n ds t a b i l i t yr e s e a r c h o fs u b m a r i n e s l o p e p a n y u e - y u ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n x i a n g - z h e n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x p l o i t a t i o na n du s i n go fo u rc o u n t r yo f f s h o r eo i la n d g a sr e s o u r c e ，t h es u b m a r i n ep i p e l i n e si no i lg a t h e r i n ga n dd e l i v e r i n gp r o c 船s g r o wi nn m n b e rb y 鲫d u a l l y a sc h i n ai saf r e q u e n te a r t h q t m k ec o u n t r y , d u r i n gt h ep e r i o do f o u rc o u n t r yb u i l d st h es u b m a r i n ep i p e l i n ei n8 0 m e 泐 a 撇m u s tc o n s i d e rs e a b e dp i p e l i n ea s e i s m a t i cd e s i g nt h e r e f o r e s l o p i n g s t a b 毋o f s u i lp r o b l e mi sr e p r e s e n t a t i v eb u ti f t h er o c ks o i lp r o j e c tp r o b l e m i fb e i n gn o th a n d l e dp r o p e r l y ，s t e a d ys i d es l o p el o s sw h i c h 梳i l gt os l i d e ， n o to n l yt h ep r o j e c tp r o g r e s s e si se f f c c t e d , l i f es a f e t yi se n d a n g e r e da n d g r a v ep r o j c c tw r e c k a g ea p p e a r so ne v e n , 8 0t h e r ei sv e r yi m p o r t a n te f f e c t t h a tc a l r i e so u t a n a l y s i s0 1 1t h es l o p i n gs t a b i l i t y a i m i n ga tt h ee v o l v e m e n to ft h es u b m a r i n ep i p e l i n es e i s m i cd e s i g n a n dt h es t a b i l i t yo fs e a b e ds l o p e , t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sp u t f o r w a r dh e r e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hm e t h o da b o u tt h ep i p e l i n ea th o m e a n da b r o a d , c a l c u l a t i n gm o d e la n dc a l c u l a t i n gm e t h o do fd y n a m i cb e h a v i o r w h i c hs u i t a b l et ot h es u b m a r i n ec r o s s i n gp i p e l i n ea r er e c e i v e d s e c o n d l y , n u m e r i c a l m o d e lo fs u b m a r i n e c r o s s i n gp i p e l i n e i s e s t a b l i s h e da n dm o d a la n a l y s i so fs u b m a r i n ep i p e l i n ei sc a r r i e do u t a n a l y s i so fe f f e c to fs p r i n g ss t i f f n e s sc o e f f i c i e n t s ，l e n g t ho fs o i ls p r i n g s a n dc o n s t r a i n t ( s u p p o r t i n g ) f o r m0 1 1n a t u r a lf r e q u e n c yo f s u b m a r i n ep i p e l i n e a l ed i s c u s s e d a tt h es 啪et i m e , a i m i n ga td i f f e r e n te a r t h q u a k ei n t e n s i t y , s p r i n g s s t i f f n e s s c o e f f i c i e n t s ，d a m p i n g r a t i oa n ds i t ec l a s s i f i c a t i o n , t i m e - h i s t o r ya n a l y s i so fs u b m a r i n ep i p e l i n eu n d e rt h ea c t i o no fs e i s m i c w a v e si sc a r r i e do u t , a n dt h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h ep i p e l i n eb a s i n go n a b o v ec a s e si sg i v e no u t f i m n y , t h ea n a l y s i sm e t h o do f t h es e a b e ds l o p es t a b i l i t yi ss u m m a t i z e a t h es e a b e ds l o p es a f e , t yc o e f f i c i e n ti sc a l c u l a t e db yu s i n gs w e d i s hs l i c e m e t h o d ，b i s h o pa n dj a n b um e t h o do f t h es l i d ep r o g r a ma tt h es a m et i m e b yc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h es a f e t yc o e f f i c i e n tw h i c hg e t t i n gf r o m t h r e ed i f f o 陀n tm e t h o d s , t h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o ni sg e t c o m c q u c n t l y , 姐c a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c ha d a p tt ot h i sp r o j e c ti ss e l e c t e da n di ti sp r o v e d t h a tt h es l i d ep r o g r a mc a nb ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lc 1 1 舀珊瑚血唔a to n e t i m e k e yw o r d s ：c r o s s i n g , s u b m a r i n ep i l l i n e ，s e i s m i c , s l o p e 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取德的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 淹盆耋 口口7 年 j 月2 窖e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： f 月 r 月 硒日 够日 年年 御7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 问题的提出 我国位于世界两大地震带一环太平洋地震带与欧亚地震带之间， 受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。 近年来，随着我国海洋油气资源的开发和利用，油气集输过程中的海底 管道建设日益增多。海底管道建设过程中，遇到的主要问题之一，就是 海底管道的抗震设计。 我国属多地震国家之一，t e e 国主要构造体系与震中分布图表明， 在渤海由辽河口至黄河口方向有一断裂带，渤海中部有一可能发生破坏 性地震的地段。1 8 8 8 年6 月和1 9 6 9 年7 月在渤海西南部，即渤海湾与 莱州湾交界处，发生过7 级和7 7 级地震。1 9 1 0 年1 月和1 9 3 2 年8 月 也曾在黄海发生过多次7 级以上地震。所以，在我国有关海域建设海底 管道时，应考虑海底管道的抗震设计。 通常，在海底管道设计过程中，参照的设计规范主要是美国石油学 会( a p i ) 推荐作法( 设计规程) 、挪威船级社( u n v ) 的海底管道规程和中国 船级社海底管道系统规范。而这些规程和规范中只是原则性的提刭在地 震设防区域要考虑地震荷载对管道的作用和影响，却没有具体叙述地震 荷载的考虑方法和推荐具体的计算作法。因此对外钓岛册子岛海底管 道抗震设计豹研究意义重大。 1 2 课题来源及选题依据 管道在现代化的工业生产和人们生活中占有相当重要的位置，其在 输送水、油、气以及通信、供电、交通、运输和排水等方面得到了广泛 的应用，管道运输是能源输送的主要手段。本论文是针对“外钓岛一册 子岛海底管道定向钻穿越”项目处于易发生地震的部位且经常会遇到 边坡稳定问题提出的。大量的地震灾害表明，地震将直接破坏生命线工 程的正常使用功能，其经济损失和人员伤亡常常是很严重的。而土坡的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 稳定性问题是典型的岩土工程问题，如果处理不当，边坡失稳产生滑动， 不仅影响工程进展，甚至危及生命安全和出现严重工程失事，因此对该 段进行边坡稳定性分析具有至关重要的作用。 1 3 国内外研究现状分析及研究意义 l - 3 1 穿越管道的抗震研究现状 管道在现代生活中占有非常重要的地位，因而被人们称为生命线工 程t 1 叼。由于地震的巨大破坏作用，抗震设计对保障管道的安全运行有 着十分重要的意义。相对于陆地管道，由于海底管道本身所具有的技术 复杂、投资高、风险大等特点，国际上在海底管道抗震设计方法方面的 研究工作还相当少。m a t s u b a r a t ；l 等对影响埋设管道抗震设计的重要参数 土弹性系数进行了研究，结果说明它与管道埋设深度、土壤剪切模 量等因素有密切关系。k e r s h e n b a u m 【4 j 等对铺设在地震断裂带上的水下 管道研究后发现，地层错动对水下管道的弯曲和轴向应力作用较小，水 下管道相对陆地管道比较安全。r o m a g n o l i m 等通过随机方法结合有限元 建模技术，对一铺设在海床上的管道进行了全局分析，预测它可能的破 坏形式。另有一些海底管道的抗震研究，同样对影响抗震设计的一些因 素进行了分析，且取得了很好的成果，但因缺乏系统性，对海底管道的 抗震设计仅具有参考性。 根据管道的敷设方式以及其穿越介质的不同，国内外众多学者将管 道的抗震研究分为穿越弹性均匀土介质、不均匀土介质、液化区和通过 断层等的地下管道，不同支撑环境的地上管道及管道稳定性等几部分。 ( 1 ) 均匀土介质与管道的地震反应 n e w m a r k 6 1 早在6 0 年代末就对地下管道进行了抗震研究，他在分析中 忽略了惯性力的影响，而且假定管道与土一起运动。目前包括美国、中 国在内的许多国家的相关规范都基于该假定。7 0 年代，日本学者提出了 管道与土相互作用的分析模型，该模型将管道简化为弹性地基梁，将地 震波简化为简谐波，即所谓的反应位移法。目前，日本规范大都基于反 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 应位移法。p a r m e l e era1 7 1 首次将管道简化为半无限空间中的圆柱壳，土 与管道间相互作用采用静态m i n d l i n 解求解。l rl w a n gi s 则舍弃了惯 性力和阻尼力的影响，提出了拟静态分析方法。n e l s o n i 唧采用振型分解 法对分段管道进行了动力分析，提出了动力计算的干扰反应谱。m u l e s k i g e0 0 1 提出了圆柱壳模型，该模型假定管道为粘弹性介质中的弹性各向同 性薄圆柱壳，它与梁模型相比还可用来研究管道的失稳和破裂等问题。 s t a k a t a t “l 采用传递矩阵法对管道进行了三维拟静态分析，同时考虑了 接头的非线性和土与管道之间的滑移。并采用壳模型和有限元方法计算 了梁模型所不能涉及的管道环向应力和沿管周的土压力分布。 s k d a t t a t 伦】采用圆柱壳模型对半无限空间和无限空间中的管道进行了分 析，发现铺设管道的回填土对管道应力有重大影响，地震入射波波长和 土介质刚度对管道有很大影响。a h i n d y1 1 3 j 提出用平面动应变与静态 m i n d l i n 解相结合的方法计算土与管道的动力相互作用，首次引入了土一 管道动力相互作用的概念，并对地震波入射角、波速、埋深、管径、接 头等因素进行了系统的研究，得出了一些有益的结论，如：管道轴向应 力远大于弯曲应力，土与管道动力相互作用可降低管道的应力，尤其是 轴向应力，柔性接头可大大降低管道的应力等等。该理论只适用于深埋 管道。我国的叶耀先【1 4 1 等探讨了管土间的共同变形问题，提出了管道地 震应力计算模型。熊占路悯采用离散模型对管道进行了地震反应分析， 分析表明地震波频率含量对管道应力影响很大王海波和林皋f 1 6 1 采用边 界元方法求解了半无限弹性介质中土与管道的动力相互作用，研究表明 相互作用的强弱取决于波的不同频谱成分，管道埋设越浅，相互作用越 显著。甘文水和侯忠良f 1 7 】应用有限元方法计算了埋地管道在地震行波作 用下的反应，探讨了土弹簧刚度、管与土之间的滑移、波速等因素对管 道反应的影响。张社荣利用动态有限元法研究了沟埋式管与土的动力 相互作用，认为动态有限元法比一般动力有限元法更精确。张进国f 1 9 1 针 对该方程，提出以满足边界条件和初始条件的三角函数作为试函数，利 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 用加权余量法计算地震作用时管道的纵向运动位移反应，进而求得纵向 应变和应力等等。 ( 2 ) 不均匀土介质与管道的地震反应 不均匀场地中管道的动态特性，也是一个重要的课题。l l w a n g 采用拟静态方法对通过两种不同介质的管道进行了研究。九h i n d y 用平 面动应变与静态m i n d l i n 解相结合的方法对不同介质中的管道进行了分 析，结果表明在介质交界面上管道的应力最大黄忠邦用一维有限元 法输入地震简谐波表达式，对埋地管道在均匀和非均匀土介质中的地震 反应进行了分析研究，结果表明在地震行波作用下不均匀土介质中埋地 管道的轴向应变比均匀介质中的管道的轴向应变增大了5 0 左右。谢旭 和何玉敖1 2 1 l 通过面波在不同介质交接面上的协调连续条件，采用弹性地 基梁模拟管道与土的相互作用以求出管道的反应。林惠杰和胡幸贤网 利用离散管道模型，计算t - 维非均匀土中埋地管道的地震反应。侯忠 良田1 利用振型分析法，对穿越突变土层的管道进行了弹塑性分析。梁建 文科1 则对穿越3 种土介质的管道进行了动力分析，表明不能将3 种土介 质场地看作是2 种土介质场地的简单组合，原因在于3 种土介质场地可 以形成地震波的聚集。可以认为管道的动力反应取决于3 种土介质的软 硬程度、排列顺序及中间土介质的宽度， ( 3 ) 地震断层作用对穿越管道的影响 断层对其穿越管道有严重的影响，它可以使管道产生变形，导致其 某一部分屈曲，进而影响管道的安全运行。断层的主要作用是使管道产 生平错运动，也可能伴随有较小的垂直移动，但垂直移动对管道影响不 大，因此，主要对水平断层的影响进行分析。 由于断层的运动方向不一定与管道垂直，可假定运动方向与管道的 夹角为口，则管道在水平断层作用下的移动就可看成横向移动和沿管道 轴向移动的叠加，作用在管道上的土抗力相应地分解为侧向的土压力和 沿管轴方向的土壤摩擦力，使管道产生相应的侧向移动和轴向移动。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 4 ) 液化区内管道的地震反应 在饱和土壤中，地震等冲击荷载引起振动，使得土壤密实，从而增 加了土壤颗粒之间的孔隙水压力，如孔隙水不能很快排出，则孔隙水的 压力将超出正常的静水压力，此刻该土壤瞬间液化并丧失其抗剪强度， 从而引起管道的上浮或下沉嘲。近年来，液化区管道的地震反应研究引 起了广泛的关注，采用的研究方法有传递矩阵法与有限元杂交的方法、 拟静态传递矩阵法、土体离散有限元法、孔隙水压力解析法等。甘文水 和侯忠良i ”4 1 研究了管道初始压应力对液化反应的影响，并对管道的液 化上浮进行了非线性分析。熊建国嗍采用一维有效应力模型求得有效的 地震输入，进而对管道进行了地震反应分析。高惠瑛例利用三次曲线模 拟震陷区管道的几何大变形，推导出震陷区，管道在几何大变形条件下， 力平衡方程和内力递推公式，从而计算出沉陷区管道各点的位移和截面 内力。林均歧等利用虚功原理，建立了液化场地土中埋设管道的上浮反 应分析模型，考虑到土的非线性约束作用和管道的初始轴力的影响，采 用非线性增量有限元，分析了液化场地土中埋设管道的上浮反应。由于 液化反应问题的复杂性，还有许多问题需要进一步研究。 ( 5 ) 穿越管道抗震可靠性研究1 3 1 l p 2 1 ， 为进行管道震害预测，根据新规范中“小震不坏，中震可修，大震 不倒”的原则，将管道在地震作用下的破坏分为三个基本类型： 。基本完好：管道结构基本完好无损，刚性接头处于弹性变形状态， 应力小于弹性比例极限吒 中等破坏：刚性接头相对变形超过允许开裂变形极限，应力大于 弹性比例极限以，小于等于屈服极限以，缺陷处有裂缝，发生渗漏。 严重破坏：接头相对变形超出允许变形极限，应力大于屈服极限 c r i ，小于等于破坏极限c r h 。 由此，可建立管道基本完好的极限状态方程为： 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 z 1 2 0 ：一s 2 0 中等破坏与严重破坏的极限状态方程为： z 2 = o s - - s = o 其中，吒，吒为管道材料的弹性极限和屈服极限；s 为剪切波下管道 所产生的轴向应力。 显然，当z l o ，管道处于基本完好状态；当z 2 o ) ，则管道将处于中等破坏状态。 由此得出： 管道基本完好概率： p ，。= p ( z i o ) 管道严重破坏的概率：己，= 尸( z 2 o ) 管道中等破坏的概率： 弓：= l 一只。一只， ( 6 ) 穿越管道稳定性研究 一 稳定性是管道抗震研究的另一个主要方面。大量震害表明，地震时 管道不仅出现强度破坏还会出现失稳破坏。失稳破坏主要分为两种形 式：一种是梁型失稳，一种是壳型失稳。h y u n 和s k r i a k i d e s l 3 3 s l 系统 地对两种失稳形式进行了静力分析，梁型失稳采用弹性地基上的重梁模 型，壳型失稳采用弹性介质中的圆柱壳模型，同时还研究了由于两种失 稳形式的相互作用而出现的非对称壳形式。l h n l e ep q 分析了在弹 性均匀的土介质中有限长圆柱壳在轴向对称荷载作用下的壳型动力屈 曲问题，利用实际地震记录对弹塑性和弹性失稳进行计算，发现动力效 应很小动力失稳荷载和静力失稳荷载基本相同采用静力模型完全可以 分析失稳问题。 国内侯忠良曾对管道进行了地震反应分析提出了抗震验算的3 个 准则，即强度、延性和屈曲。何玉敖和梁建文p q 则提出了一个地下管道 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 动力失稳的数学模型，建立了基于b o l o t l n 的弹性稳定理论。并对动力 失稳荷载进行了分析，其认为在地震波作用下梁型动力失稳可以发生， 而壳型失稳则不会发生。但是，管内液体的质量和管道的埋深对动力失 稳影响较大，初始整体缺陷的影响却很小。 1 3 2 海底边坡稳定性研究现状 目前，在土坡稳定分析中，计算机在短短的几十年内获得了非常大 的进展，为边坡稳定性分析的发展提供了条件和推动力量其计算方法 主要是沿着三种途径来进行： ( 1 ) 以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面的控制因素， 利用图解法或数学计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系 数”的概念； 。 ( 2 ) 以数值分析近似地计算边坡岩体的变形特征和应力状态； ( 3 ) 用概率理论来分析岩体结构面和岩体强度的测试数据，分析各 种可能破坏形式的不稳定概率，以不稳定概率来评价边坡的稳定性。 海底稳定性的研究始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 6 年，t v r z a g h i m l 曾指 出，海底的不稳定性经常是由于具一定坡度的软弱土层在重力作用下所 致7 0 年代以来，一些学者在海底滑坡分类、变形特点及滑动机制等 研究方面取得了一定进展。1 9 8 2 年，e d g e r s 和k a r l s r u d t m 在系统分析滑 坡资料的基础上，得出了若干水下滑坡的一般规律。 海底滑动的面积很广，通常采用区域性地球物理调查和力学分析相 结合的方法进行研究。地球物理调查给出滑坡的几何形态；对环境应力 的分析，尤其是波浪引起海底土中的应力分析是重要的一环：土工测试 则提供土性参数。分析方法的使用得当与否，在很大程度上依赖于原位 土的工程性质是否被正确地反映，因此计算方法的选择是和区域性调查 的详细程度相匹配的。 我国近海工程发展得较晚，海底稳定性研究更是处于起始阶段。在 已进行过区域性海洋工程地质调查的海域中，渤海湾的地势平坦，不易 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 发生天然滑动，南海西部北部湾海底o 8 m 以下分布的土层主要为陆相 超固结硬粘土和砂砾层，也不可能发生海底滑动。南海东部珠江口盆地 陆架区海底有一定坡度，且分布着软粘土，有可能失稳；东海的浙江东 部近岸区曾观测到海底滑坡。黄河三角洲则在粉粒为主的海底曾观测到 陡崖等不稳定因素【柏】。由于对不同土质的海底分析方法有所不同，本文 就东海海区已搜集到的粘质海底实际资料进行海底稳定性分析。 1 3 3 研究意义 以前有很多学者在海底管道地震损失及恢复方面做过大量的研究， 如s e c h a n g ( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) h “，m s h i n o z u k a ( 1 9 9 6 ) ，a r o s e ( 1 9 9 6 ， 1 9 9 7 ) 嘲等。但目前的研究远未能满足实际应用要求( 冯启民，1 9 9 1 ； 赵成刚，1 9 9 4 ) 4 3 1 。研究工作中存在的主要问题是方法较单一，缺乏系 统的考虑。随着计算机的高速发展，数值模拟和仿真技术可使结构的仿 真分析和设计易于实现。 随着海洋工程活动的日益频繁，特别是海上油气工业的迅速堀起， 海底边坡稳定性的研究已成为保证工程安全的重要环节。海底土体受波 浪作用有可能在极缓的坡度( 坡角有时小于1 ) 下产生滑动。这种滑动会 对海洋结构物产生很大破坏作用。重者会引起钢平台翻倒和沿斜坡下 滑，轻者会引起海底电缆和管道的断裂。上世纪8 0 年代以来海底土体 稳定性研究已成为国际上非常活跃的一个研究领域。因此，对土体稳定 性的研究具有较重要的现实意义。 1 4 本文主要研究内容 从国内外海底穿越管道抗震设计及海底边坡稳定性分析的发展和 现状来看，其中涉及到的问题越来越受到工程界的重视，将成为以后工 程设计的主要研究方向。基于以上因素，海底穿越管道抗震设计及海底 边坡稳定性分析，难度较大而前景广阔，许多问题仍有待进一步研究探 索和积累经验。本文主要解决的问题是穿越管道的抗震分析和海底边坡 的稳定性分析。主要研究内容如下： 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 1 ) 查阅文献资料，参考相关规范，总结有限元分析中穿越管道抗震 设计基本方法以及海底边坡稳定性的分析方法，选择合理的设计方法， 为结构模型的建立以及计算分析提供理论依据与技术支持。 ( 2 ) 海底穿越管道抗震分析。本文基于拟静力近似分析方法，利用 有限元仿真对穿越管道进行模态分析计算，采用土弹簧模拟土对管道的 作用，主要研究弹簧刚度系数、土弹簧长度、约束( 支撑) 形式等对海 底管道固有频率的影响；同时选取多种地震波，就不同地震烈度、不同 场地、不同刚度系数、不同阻尼比的情况，对该海底穿越管道进行地震 动响应时程分析，得出管道在不同情况下的应力、位移以及加速度等， 并对其进行研究分析以期指导实际工程应用。 ( 3 ) 海底边坡稳定性分析。根据外钓岛册子岛海底穿越工程的边坡 状况，建立海底边坡稳定性的受力状态模型，采用极限平衡法中的普通 条分法及s l i d e 软件中的b i s h o p 法、j a n b u 法分别求出边坡稳定性的安 全系数，对计算结果进行比较分析，从而选择一种较适合本工程的计算 方法，以供工程实际应用。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 第2 章穿越管道抗震设计方法 输油管道是现代工业和城镇生活的大动脉，穿越管道埋设于地下， 是地震时管道系统最容易出事故的关键部分。它一旦遭到破坏，将影响 地下管道的正常功能，甚至产生水灾以及使火灾防护系统失灵等次生灾 害，给国计民生带来重大损失。 地震灾害具有破坏原因多、机理复杂，破坏形式多样、连锁性强、 影响范围广、检修和修复期长、经济损失大等特点。在地震作用下，穿 越管道破坏的原因可以归结为主要的两种： ( 1 ) 场地破坏，包括断层错动，砂土液化和震裂等； ( 2 ) 地震波动效应，由于地震波传播使管道产生相对位移造成的。 管道的破坏程度基本上是随着地震烈度的增大而加重。场地条件对 管道的震害影响很大，地震作用时，场地土的不均匀对管道产生较大附 加应力，较低烈度下软弱场地的管道震害有时会大于较高烈度下坚硬场 地管道震害。 海底管道是一种特殊的地下结构。因其埋于海底，震害不易发现和 修复，问题较为复杂，与一般设置在地上的抗震结构物( 如楼房、烟囱、 水塔之类) 相比，有下列两方面的地震工程学上的特征：埋于地下且 延伸很远；为介质( 或土砂) 所包围。它的刚度与周围介质( 或土砂) 相比要小得多，运动特性在很大程度上受周围介质( 或土砂) 的控制。 正是因海底管道的自身重量很小，而管道周围土体对管道的约束作用很 大，故在地震波的作用下海底管道的动力放大作用很小，海底管道的应 力应变主要由周围土体的相对位移所引起。因此，在计算地震波作用下 海底管道的反应时，可以不考虑动力放大作用，而按拟静力方法计算 随着对海底管道研究的进一步推进，人们逐渐地把动力分析和静力理论 有机地结合起来，这是当前海底管道抗震发展的趋势。 目前，地震波作用下地下管道的反应分析方法可以分为两类。一类 是假定管道与周围土体同步变形，因而不考虑管道与土体之间的运动， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 管道的轴向应变等于周围土体沿管轴方向的正应变。显然，由于忽略了 管土之间的相对位移，这种方法只能求出管道应变的上限值。 另一类方法是假定土体与地下管道之间有一分布弹簧，土体与管道 之间可发生相对运动，目前的地下管道抗震计算多半采用这种方法。然 而，我们知道，地震波可分为体波和面波，体波又分为纵波( p 波) 和横 波( s 波) ，面波又分为瑞雷波限波) 和勒夫波( l 波) 。究竟采用何种地震 波进行管道的抗震分析昵? 目前国内外大致有三种观点：第一种观点认 为剪切波是产生地下管道最大轴向应变的主要波，我国陈冠卿教授持这 一观点，并且我国的抗震规范中也是采用剪切波进行设计的；第二种观 点认为不可能预见哪一种地震波将起主要作用，应对各种形式的波进行 单独分析，然后再综合考虑：第三种观点认为虽然不可能预见哪一种地 震波将起主要作用，应对各种形式的波进行单独分析，但是两种波并不 同时发生作用，应单独考虑各自的影响，这种观点得到了n e w m a r k 和 r o s e n b l u e t h t 4 4 1 的认同。 由于横波振幅大、周期长，不易被土壤吸收，传播距离大，传播了 地震能量的大部分，因此采用横波作为计算基础更具合理性。本文在第 三章利用a n s y s 进行仿真时所用到的地震波也将采用横波( s 波) 眇删。 国内外常用的几种管道抗震设计方法如下： 2 1 拟静力近似分析法 在工程界，无论是对士坡动力稳定性分析，天然地基或人工地基的 处理，还是抗滑建筑物设计时，在考虑地震影响时，长期以来采用拟静 力分析法。这种方法有较多的实际经验，对于动荷载作用下不致引起土 材料强度显著降低的情况，具有相当的可靠性。它的基本思想是在静力 计算基础上再考虑地震惯性力的作用，也就是说将地震作用由一个附加 的地震惯性力代替。这个方法的核心就是地震加速度的确定问题。在地 下结构如洞室、隧道、地下管道等的抗震分析中也常采用此方法。 拟静力分析方法用于地下管道抗震方面最早是由n e w n m r k 开始 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 的，后来各国学者( 尤其是前苏联的研究者) 加以补充和推广，在工程上 应用相当广泛，它用于计算地震波沿管轴方向传播时管道的轴向应力。 基本假设为：管道埋入弹性土体中，地震时管道加入振动过程或与土 体一起变形；通过管道的地震波不改变其本身形状( 即“冻结波”假 定) 。那么土与管道共同变形性可以表示为： 占，2 肌lc 2 - 1 ) 式中：占。管道的相对弹性变形； 毛士介质的相对弹性变形； 埘考虑管道入土嵌固程度的系数，0s 朋sl ，一般由试 验来确定。通常情况下，对于粉质粘土中的埋管，一般取0 6 左右( 据b r 科列涅夫地震动下工程结构物的动力计算) 。 一般地震波作用下土体的振动可以用下式表示： 甜= ，一书 q 国 式中：“地震波作用下土体的位移( 材，为沿x 轴的土体位移) ； o 符合波动方程的谐函数； ) - - 台地震波传播方向的测视点的坐标； o _ _ 地震波沿管轴的传播速度( 这里指纵波波速) ； t - _ 地震作用的时间。 将上式分别对x 和t 求导得： 罢= 一蜥一习 盘c 、 c ， 鲁= 砉m 化) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 鲁= 。( f 一考) 盘 le ， 争圳( ，一言) 土体沿管道轴线( x 轴) 振动时土体变形可写成： ；冬：一三冬：一兰( 2 - 3 ) 2 言一i 言一言 其中，k 地震纵波作用下，土体的振动速度。 如果假定地震作用由其作用方向上的土体振动加速度来表示： 口f = 矗( f ) = 西c o s 耐( 2 4 ) 式中：吒与地震烈度相应的土体振动( 地面) 加速度； 国土体振动圆频率( 田= 2 f 7 r ，丁为土体振动周期) ； _ 她震动持时 那么，在地震波作用下土体振动速度为 y ：童s 饼( 2 - 5 ) 土体最大的振动速度则为： = | 剖- l 矧 g 甸 把式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 3 ) 得土体沿管道轴向( x 轴) 的变形为： q = 等 ( 2 - 7 ) r h 式( 2 3 ) 和式( 2 7 ) 可得管道沿纵轴方向相对变形为： 铲m 巳= 警 ( 2 8 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 故地震波作用下管道沿纵轴方向( x 轴) 的应力为： 鼍= 如，= + e m 2 a 历c t = m 磊1 吒t e c 一1 ( 2 9 ) 式中：盯一管道轴向应力； i b 一管材的弹性模量。 其中：由口c = k s g 确定或者直接由土层反应分析计算出的5 0 年 超越概率1 0 的土层运动水平峰值加速度确定； t 地震系数( 由表2 - 1 确定) ； g 一重力加速度b ，s 2 ) 。 表2 - i 地震系数屯( 据输油( 气) 钢质管道抗震设计规范 s y y t 0 4 5 0 - 9 7 ) l地震烈度 789 i i地震系数k o 1o 2o 4i 在本文后面的数值计算分析中，也将主要采用拟静力分析法来进行 模拟分析 2 2 反应位移法 反应位移法是日本学者七十年代提出来的。该方法把地下管道视为 弹性地基梁，管道与土之间看作有若干弹簧连接，从支座输入正弦波， 其振幅由场地性质及设计烈度确定，土体的波动位移通过弹簧传给管 道。另外，假定基岩由单一均匀土组成。 对于管道埋设在海水长期浸泡的土壤里，认为土壤与管道没有相对 位移的假设，明显与实际不符，由此提出了管道与土壤存在相对位移的 设计方法，但是仍然假定地基土壤对管道轴向位移的约束始终在弹性范 围内，并且不计及惯性力，简化的模型如图2 1 所示 显然由微元的力平衡： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 产一曼型 扣缸 讹 地基土壤 ( a ) 管土地作用示意图 出 位移方向 ( 2 l o ) h g ，f ) + 仁，肛 ( b ) 管线微元受力分析 。 图2 - 1 管土共同作用模型 管道轴向麟郎= 等= 掣，咋轴向绝对慨 弹性假定条件下：f = 屯“，毛为土的剪切弹性系数，坼为管与土 的轴向相对位移。稍加整理可得用位移表示的平衡方程： 等+ 嚣弧= 。缸2 互p “一7 _ v ( 2 - 1 t ) 令；2 砺x d 吒，d r - - - - - “s - - p 为地基土壤沿管道轴向绝对位移 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 等邶2 h p = - 咖| ( 2 - 1 2 ) ”。可由地震波给出，因此( 2 1 2 ) 右端项是己知的，设地震波是一个式 ( 2 - l o ) 所示的剪切波，将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 - 1 2 ) n 7 得式( 2 1 2 ) 的通解： 砧p = c 一库+ c 2 口一声一 2 a s i n g z + 但湖们2。 l c ( r 一丢c o s 刁， 设f = o ，x = x c 2 0 p c o s o ，“，g ，f ) = o ；t = o , x = - n c 2 0 0 c o s o ，甜，阮，) = o ， 则可解出：q = c 2 = 0 一硐 c o a s i n o c o s 8 占口= 仃，2 s t 丢础) 一厕 一墨。竺塑! 竺呈 c l 悟础) 2 ( 2 - 1 4 ) s i n o ( t 一丢刚) s 血印( f 一- - c - xc , o s 刁 回 当口= 4 5 7 9 1 3 4 2 2 , 2 2 5 7 9 。，3 1 4 2 2 ，= ! 兰学+ 言c o s 见玎= 0 , 1 ，2 ， 时h 分别取得相等的最大值如取p = 4 5 7 9 。，并将2 = 旦e v g 屯代入 上式，得： m 2 e p c o a s i n g c o s 8 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 令：铲一竿心一去曙c o s 0 2 ，采用仿真参 数，则可求得= 7 8 2 3 3 e 7 ，口2 = 2 9 2 7 0 ，c = 0 0 0 6 3 7 8 ，在式( 2 1 7 ) 中，改变管道截面面积的大小，计算管道最大应力仃，。，例如取 乃= 0 0 0 6 3 7 8 m 2 ，。= 7 6 8 e 7 p a ；= 0 0 1 2 7 5 6 m 2 ， 。= 7 5 4 e 7 p a 由此说明对土壤的完全弹性模型，管道截面面积c 的增大能对降低正应力起到一定作用，但这种作用微不足道，究其原因 仍然是管道的应变主要还是由地基土壤的应变决定，因而计算出来的应 力仍比实际应力大，而提高管道的纵向刚度e ，对降低应力起不了多 大作用，反映出计算模型与实际不符， 2 3 抗震规范法 输油( 气) 埋地钢质管道抗震设计规范( s y t 0 4 5 0 9 7 ) 给出了地下 管道抗震分析的公式。基本假定为：土壤是线弹性的，是均质的； 除周围土壤之外，管道没有任何其他外部支撑：当地震波作用时，管 道相对于周围土壤没有滑动，即管道的轴向应变等于土壤的轴向应变。 根据上述假定，当地震波通过土壤时，将产生土壤质点运动，通常 可用一位移矢量p 表示该矢量的特性将随其位置和时间而变化。如果 我们只考虑一维运动，可写出一通用函数关系式： p = f ( x - c t )( 2 1 8 ) 式中：，某一函数； 水破传播方向的坐标； o _ 墩的近似传播速度，m s 。 对上式求偏导，可以得出最大土壤应变与地面运动速度值v 的 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 关系和曲率足g 与加速度a 的关系；关系式为： 占。：譬：一罢一兰1 9 ) 岛2 言一嘉一c ( 2 - 1 牛等一等一7 a ( 2 - 2 0 ) 式中：v 一质点运动速度，通常用管道所在地区对应的地震烈度下地 面运动速度( 水平方向分量) 来表示，m s ； a 质点运动加速度，通常用管道所在地区对应的地震烈度 下地面加速度( 水平方向分量) 来表示，m s 2 。 在这种情况下，管道被迫随周围土壤运动，将产生最大应变。土壤 应变值依赖于地震波型( 膨胀波、剪切波或瑞雷波) 和管道与波传播方 向之间的入射角( o ) 。 剪切波的质点运动方向与传播方向垂直。在这种情况下，土壤应变 和曲率沿管轴线方向的分量可表示为： = ( - s i n b c o s o ) c ( 2 2 1 ) k s = - - a c , o f f 3o l c 2 。( 2 - 2 2 ) 式中：剪切波的质点运动速度。 因为入射角通常是不知道的，假定最坏的情况为土壤应变和曲率的 上限值。最大的和以依赖于0 ，当0 = 4 5 时，毛有最大值 白一= - v 2 c ，当口= 0 。时，巧有最大值足。 膨胀波的质点运动方向与传播方向一致。这种情况下，土壤应变和 曲率沿管轴线方向的分量可表示为： = ( v ，c o s 2 护) c ( 2 - 2 3 ) k = - a s i n o c o s 2 o i c 2 ( 2 - 2 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章穿越管道抗震设计方法 式中：v 。膨胀波的质点运动速度。最大值对应的口值为应变疗= 0 ， 曲率口= 4 5