（岩土工程专业论文）掩埋海底管线的管土相互作用研究.pdf

摘要 随着海上油田开采技术的不断发展，海底管线已经广泛应用于海上油田的开 发，随之而来的管线屈曲破坏问题也逐渐突显出来。所谓管线的屈曲是指管线在 内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线的 内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。地基土体对管线的潜在抗 力是管线屈曲剧变问题研究的重要内容之一。 总结前人研究成果的基础上，基于模型试验和有限元分析方法，进行了掩埋 管线的管土相互作用研究： 1 掩埋于砂土中管线的室内模型试验研究。根据管土相互作用的基本理论， 设计、制备试验仪器，进行了竖向、水平向两个方向的抗力试验，得到了不同方 向、不同管径时土抗力随埋深的变化规律，为管线屈曲分析提供依据。 2 土体抗力的理论研究。采用理论公式对不同方向上的土抗力进行计算， 得到不同埋深时作用于管线上的抗力峰值，与试验结果相对比，提出了适合于计 算砂性土中管线竖向运动时的抗力计算方法。 3 管土相互作用的数值模拟。采用二维p l a x i s 和三维a b a q u s 有限元分 析软件对模型试验过程进行数值模拟，并将分析结果与试验结果进行比较验证。 结果表明，胁5 是划分砂性土中土体发生浅层破坏和深层破坏分界点；试验所 得结果和数值分析结果基本吻合，在缺少试验数据的情况下可以利用数值模拟的 方法对管线的铺设进行初步设计。 通过以上对管土相互作用的试验、理论及数值模拟，揭示了当管线发生竖直 向、水平向、轴向运动时土抗力的发挥过程及规律性，为管线的屈曲剧变研究提 供了数据支持，为进一步提出预防管线发生屈曲变形破坏的工程措施提供了理论 依据。 关键词：海底管线屈曲剧变管土相互作用模型试验有限元法模拟 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ti no f f s h o r eo i lf i e l de x p l o i t a t i o n ，p i p e l i n e sh a v eb e c o m e o n eo ft h em a i nm e a n so ft r a n s p o r t i n go i la n dg a so f f s h o r e t h eb u c k l i n go fs u b s e a p i p e l i n e so c c u rd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fa x i a lc o m p r e s s i v ef o r c e sc a u s e db yt h e c o n s t r a i n e de x p a n s i o n ss e tu pb yt h e r m a la n di n t e r n a lp r e s s u r ea c t i o n s w h e na p i p e l i n ei so p e r a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dp r e s s u r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n t e r i o ra n dt h ee x t e r i o ro ft h ep i p e l i n e ，i tc a l ln o tt r a n s f o r m 台e e l yd u et ot h ec o n s t r a i n ta c t i o no ff o u n d a t i o ns o i l ，w h i c hl e a d st op r o d u c ea n a d d i t i o n a ls t r e s s t h ep o t e n t i a lr e s i s t a n te f f e c to ff o u n d a t i o ns o i li sa ni m p o r t a n t s u b je c to fr e s e a r c h i n gt h ei n t e n s ev a r i a t i o np r o b l e mc a u s e db yp i p e l i n eb u c k l i n g b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h ，a u t h o ri n v e s t i g a t e st h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e np i p e l i n e s a n ds o i l sa r o u n db yl a b o r a t o r yt e s ta n df e m 1 l a b o r a t o r ym o d e lt e s tf o rp i p e l i n e sb u f f e di ns a n d ys o i l s b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fp i p e - s o i li n t e r a c t i o n , r e s i s t a n c et e s t sa l o n gv e r t i c a l a n dh o r i z o n t a l d i r e c t i o na r ea c c o m p l i s h e d l a b o r a t o r yt e s ts h o w st h ev a r i a t i o nl a wo fr e s i s t a n c ew i t h t h ed e p t hu n d e rd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dp i p er a d i u s e s ，w h i c hs u p p o r t st h ea n a l y s i so f p i p e l i n eb u c k l i n g 2 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fs o i lr e s i s t a n c e t h em a x i m a lr e s i s t a n c e sa c t i n go nt h e p i p e l i n e si nd i f f e r e n td e p t hc a l lb ec a l c u l a t e db yt h et h e o r yf o r m u l a s c o m p a r e dw i t h t h et e s tr e s u l t s ，at h e o r yi ss u i t e df o rv e r t i c a ls o i lr e s i s t a n c e s 3 s i m u l a t i o no fp i p e s o i li n t e r a c t i o n t h ep r o c e s so ft e s t si ss i m u l a t e db y p l a x i sa n da b a q u s i ti ss h o w nt h a th d = 5i st h ec r i t i c a lp o i n to ft h es h a l l o wa n d d e 印d e s t r o yi ns a n d ys o i l t h es i m u l a t i o na g r e e sw i t ht h et e s tv e r yw e l l ，a n di sa b l e t od e s i g nt h ep i p e l i n e sp r i m a r i l yw h e nl a c k i n go fe x p e r i m e n td a t a t h er e s u l t so ft e s t s ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la n a l y s i se x p l a i nt h ep r o c e s sa n d r u l e so fs o i lr e s i s t a n c e sa c t i n go nt h ep i p e l i n e si nd i f f e r e n td i r e c t i o n s r e s u l t so ft h i s p a p e rp r o v i d es u p p o r t sf o rt h ei n t e n s ev a r i a t i o nc a u s e db yp i p e l i n eb u c k l i n g ，a n d t h e o r yb a s i sf o rp r o j e c tm e a s u r e sp r e v e n t i n gp i p e l i n e sf r o mb u c k l i n gd e s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e s ，u p h e a v a lb u c k l i n g ，p i p e s o i li n t e r a c t i o n , m o d e lt e s t s ，f e ms i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤奎盘堂或其他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做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：试王喧 签字日期：2 幻彳年石月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：武丑鼬 签字日期：如时年6 月2 - 日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 海底管线是海洋油气运输与储存系统的一个重要组成部分。随着海上油田开 采方式的改进和技术的发展，海底管线已经广泛应用于海上油田的开发。管线运 输是油气运输中最快捷、经济、可靠的方式之一。据国外专家统计，某些发达国 家的管线运输方式约占油气运输总量的三分之二之多，油气的管线运输从原油、 天然气的生产、精炼、储存及到用户的全过程起到了重要的作用。 海底管线在国际上已经有了较长的发展历史。自1 9 5 4 年在美国墨西哥湾由 b r o w n & r o o t 海洋公司铺设的第一条海底管线以来，半个世纪内，世界各近海海 域成功铺设的海底管线总长度已达几千万米f l 】，各种类型、各种管径的海底管线 也相继问世，其中包括很多在较高温度下工作的海底管线。海底管线在温度应力 作用下的屈曲剧变问题成为保证管线安全运行的重要课题【2 卅。 海底管线的屈曲剧变是管线失效的表现形式之一，所谓管线的屈曲是指管线 在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线 的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲【5 矧。通常为了避免管线 受到波浪、潮汐、捕鱼及其它人类工程活动的影响，采用挖沟埋设的方式将海底 管线铺设于海底地表0 5 1 5 m 的深度范围内。当管线内部积累的温度应力和压 力导致管线发生屈曲变形时，位于管线周边的土体将提供一定的抗力阻止管线自 由变形，因此地基土体对管线的潜在抗力是管线屈曲剧变问题研究的重要内容之 一o 当管线内的温度高于环境温度时，就会首先发生轴向扩张。但因周围土体摩 擦等因素的影响，管线轴向变形受限，此时这种热膨胀就会演变为轴向压应力。 随之这种压力的不断累积，管线就会在约束力较小方向产生变形，即有了发生屈 曲的趋势 _ 卜引。如果周围土体不足以阻止管线发生屈曲剧变，那么对于埋设的管 线其运动方向一般向上，因为这个方向上的土体抗力小于水平向土抗力。屈曲与 否取决于管线材料的性能、形状和初始缺陷、埋深和受到的抗力大小和分布，其 中土体抵抗管线运动的能力是判断管线是否发生屈曲剧变及确定屈曲后形态的 一个重要指标。 由此可见，深入研究管线发生屈曲剧变时管土相互作用机理及土抗力的确定 方法，对于预测和防治管线发生屈曲剧变具有重要的现实意义。 第一章绪论 1 2 管土相互作用的试验现状 根据管线相对于土体的运动方向，可以将土体对管线的抗力分为三大类：水 平抗力，轴向抗力和竖向抗力。不同情况下力的作用方向如图1 - i 所示。 a 侧向运动b 轴向运动c 竖向运动 图1 1 管线不同运动方向示意图 1 2 1 土体对水平向运动管线的抗力 1 9 8 1 年，a n 柚d 9 】针对水平向运动管线的抗力分析，进行了模型和原型两种 试验研究。模型试验中采用了7 5 7 c m ，1 5 1 l c m 和2 2 6 c m 三种管径的管线，试 验用土包括细砂、粗砂和粉土三种类型。通过模型试验得到了水平推力与水平位 移之间的关系：随着位移的增加，水平抗力逐渐增大到最大值并趋于稳定：管线 长度与直径的比率对试验结果影响不大；管线的浮容重与水平抗力成比例发展。 由试验得到的不同土质的摩擦系数的大致范围为：细砂0 1 4 5 0 1 8 5 ；粗砂 o 0 8 0 1 4 ；粉土0 1 0 0 2 5 。原型试验所用土体与模型试验相同，管线采用0 2 8 m ， 0 4 4 m 和1 0 2 m 三种直径的混凝土管线。通过试验得到力与位移的关系：沿水平 向拉拔管线时，抗力随着位移的增大一直增加直至达到破坏点( 指随着位移的继 续增加拉力不再变化) 。同时也可以看出管线的长度或者直径或者是拉拔角度的 不同对力位移影响不大。不同土质的摩擦系数的大致范围为：细砂0 1 2 0 2 4 ， 粗砂0 0 7 0 1 7 ，粉土o 3 3 0 6 7 。对比模型试验与于原比尺试验结果可知，粉土 中所得摩擦系数相差较大。 1 9 8 6 年，b r e n n o d d e n m 】为研究未埋设管线水平向运动时管土相互作用，在 松散粉细砂、中粗砂，软粘土和硬粘土等土体中进行相关原型试验。在砂土中 用同类管线进行试验时，得到了松砂和紧砂中水平抗力增加量的对比曲线。由试 验结果可知，无论是在循环荷载下还是在简单简单荷载下，水平抗力都是在位移 很小时就增大到峰值，之后趋于稳定。在循环荷载施加之后，松散砂土抗力的增 加量要大于密实砂土的增加量。同时由试验得知，在管线设计中，抗力系数( 摩 擦系数) 可取0 7 5 ，在实际上，根据砂土的不同状态，取值也有所不同。在软粘 2 第一章绪论 土中用同类管线进行试验时，得到了管线位移和土抗力系数的关系曲线。由试验 结果可知，如果管线发生任何轻微的移动或者循环荷载，都会使其下方土体产生 大的应变，从而完全抵消了因固结而产生的抗力增加值。同时由试验得知，在 c 。= l k p a 的软粘土中，抗力系数大概为0 5 。在e = 7 0 k p a 的硬粘土中，抗力系数 大概为o 2 。通过以上讨论可知：水平向拉动管线时，土体不同，其所得的摩擦 系数也不尽相同。 2 0 0 7 年，c h e u l ( 【1 1 】针对软粘土中的半埋管线水平抗力问题进行了一系列的试 验研究，试验土体选择了高岭土和非洲西部软粘土。在高岭土中进行试验时得到 了管线位移和抗力关系曲线。从试验结果可以看出，在每一次循环中管线都会和 土体产生剥离，此时抗力会产生很大的变化。当管线向右运动时，水平抗力随着 管线位移的增大而增大。而向左运动时则刚好相反，抗力减小。这之后管线的重 复运动中，水平抗力将不断增大。在软粘土中进行试验时，得到了管线位移和抗 力关系曲线。与高岭土类似，随着管线运动过程中与土体的分离，剥离抗力突然 减小；并且随着前方土体的不断堆积，水平抗力也不断加大。 半埋管线的水平循环运动时，抗力变化的可以分为四个阶段：( 1 ) 管线开始 运动后，荷载位移关系呈线性变化，水平抗力达到峰值；( 2 ) 当管线位移很小 时，随着管土的分离，水平抗力出现明显的骤降；( 3 ) 随着前方土体的不断堆积， 土体抗力缓慢增加；( 4 ) 土体堆积形成了稳定的挡土坡，土体的水平抗力增大速 率变快。 由以上三个不同的试验可知，土体对管线水平向抗力的试验研究已经比较深 入，特别是对于砂土的研究，已经取得了相当的成就。但是由于土体的空间变异 性，特别是结合我国海洋土与管线相互作用的研究尚未深入。 1 2 2 土体对轴向运动管线的抗力 1 9 8 1 年，a n a n d 9 进行了管线沿轴向运动时的模型和原型试验。试验用土主 要包括细砂、粗砂和粉土三种类型。模型试验中采用了7 5 7 c m ，1 5 1 l c m 和2 2 6 c m 三种管径的管线。通过模型试验得到了轴向推力与位移之间的关系曲线，从中可 以看出，随着位移的增加，轴向抗力增大到最大值并趋于平稳；管线长度与直径 的比率对试验结果没有太大影响：管线的浮容重与轴向抗力成比例发展。当轴向 拉拔管线时，摩擦系数的范围大致为：细砂0 5 7 5 0 6 3 ，粗砂0 5 4 0 6 1 ，粉土 0 7 5 0 9 4 。通过原型试验得到了轴向推力与位移之间的关系曲线。从结果可以看 出，在轴向上拉拔管线，当位移很小时，抗力就增加到了峰值。同时也可以看出， 管线的长度或者直径或者是拉拔角度的不同对力位移影响不大。当纵向拉拔时 摩擦系数的范围大致为：细砂o 6 0 0 8 4 ，粗砂0 5 4 0 6 3 ，粉土o 3 3 0 5 3 。通过 第一章绪论 以上两个试验可知：纵向拉动管线时，当管线位移很小时，轴向拉力就达到最大 值。 1 9 8 5 年，t a y l o r t l 2 】进行了管线轴向运动的相关试验研究。试验用土为来自北 海的中砂到细砂，管线选用长为l m 、外径为4 8 3 m m 的钢管代替，按不同角度 施加作用力。通过试验得到了不同角度的轴向力和位移的关系曲线。从试验结果 可以看出，轴向抗力的最大值随着拉动角度的增加呈依次递减的趋势；轴向拉动 时其位移最大值出现在0 = 3 0 0 时，之后轴向抗力将达到最大值，随着角度的增大， 摩擦抗力呈递减趋势。 由以上叙述内容可知，管线的轴向抗力研究并不深入，特别是室内模型试验 缺少相关试验数据，需要迸一步研究。 1 2 3 土体对竖向运动管线的抗力 1 9 8 6 年，b o e r 1 3 】将竖向试验模型简化为平面应变问题进行了相关试验研究， 其试验土体为砂砾。通过试验得到了h = o 8 0 m 时位移和力的关系曲线。由试验 结果可知，当位移很小时，竖向抗力即达到了峰值。其后随着管线向上位移的进 一步增大，竖向力逐渐减小。管线埋深h 不同，其对应的最大竖向抗力也有差别， 最大竖向力值与管线埋深有很大关系。 1 9 9 0 年，为深入了解管线竖向运动的作用机理，s c h a m i n e e r l 进行了管线的 模型试验研究。试验用土为无粘性的松砂和紧砂，以及粘土。由试验得到了无粘 性土和粘性土的竖向位移与抗力的关系。由试验结果可知，三种土体中试验伊始 抗力值都急剧增加，知道达到最大值。松砂的抗力之后趋于稳定状态，而紧砂则 先减小后保持稳定状态。与无粘性土相比，粘性土达到最大抗力时对应的位移更 大。 2 0 0 2 年，b r a n s b y 1 4 1 研究了可液化粘土中管线竖向抗力的离心分离机模型。 试验分别在排水和不排水两种不同的环境中进行试验。通过试验得到了排水情况 下管线的位移力的关系曲线。从试验结果可以看出，不排水时的竖向抗力要大 于排水时的抗力。由此可见，不排条件下得到的竖向抗力要大于排水条件下得到 的抗力。 2 0 0 5 年，c h e u k 6 】利用离心分离机模拟了块状粘土中的掩埋管道在不同的压 实度和提升速率时的管线的竖向抗力。他通过控制离心机的重力加速度来模拟土 体中的应力状态。通过试验得到了固结块状粘土中的竖向抗力与管线位移的关系 曲线。通过试验可以看出，上拔速率对竖向抗力的影响很小，当管子上升速度从 3 6 变化到0 0 7 2 m m h 时，竖向抗力仅减小了l o 。对于欠固结粘土来说，在经 历了长时间的固结期后，即使减小上升速率，其竖向抗力也处于增加状态。这就 4 第一章绪论 说明，虽然管子下部产生的吸附力与上拔速率成比例，但是吸附力的贡献与上覆 土体固结程度的贡献而言相对较小。 2 0 0 6 年，s c h u p p 1 5 】在松砂中进行了管线竖向运动的竖向抗力研究。模型管 线的管径从2 5 m m 到2 2 0 m m 不等。重要的试验结果是管径为5 0 m m ，埋置率为 3 5 的管线在于的松砂( 土体处于完全排水状态) 中进行试验时得到的力与位移 关系曲线。由实验可知，在完全排水状态下，管线位移很小时，土体抗力已经达 到了峰值。试验还表明，当管线埋置率为3 5 时，管线位移很小时底部即于土体 分离；管线运动过程中对整个土体的影响范围很大；破坏线与地面相连通，属于 浅层滑动。 由以上试验研究表明土体抗力与管线竖向位移关系的研究已经取得了一定 的研究成果，但模型试验的研究仍存在许多不完善的地方，如s c h a m i n e e 、b o e r 等人的相关试验主要是针对无粘性土，粘性土特别是软粘土相关的试验资料还不 够丰富等。结合渤海湾中地基土体的强度特点开展相应的研究工作，总结规律性， 对进一步开展管线屈曲剧变特性研究具有重要的意义。 1 3 管土相互作用理论及数值分析方法 当管线沿三个不同的方向运动时，可以用理论公式对土抗力的大小进行估 算，详见本文第三章。这里主要介绍管土相互作用的数值分析方法。 1 3 1 水平向运动管线抗力的数值分析 随着计算机技术的发展，国内外许多学者将有限元分析法应用于管土相互作 用的研究中，并取得了一定的研究成果。 1 9 7 3 年，l y o n s 【l6 】采用有限元法按平面应变问题研究了软粘土中管线滑动时 的水平抗力。他总结了管线外径为0 4 m 时的有限元分析结果和经验结果的对比 情况。由试验结果可知，有限元分析结果要略大于经验数值，大概在5 1 0 之 间。所以其分析结果有一定的可参考性。另外，相关模拟表明，在软粘土中，水 平抗力随着管线直径的增大而减小；随着管线浮容重的增大而增大。 1 9 8 7 年，s c h o t m a n 【l7 】利用p l a x i s 有限元模拟了软粘土中管线滑动时的水 平抗力。并将有限元分析结果与理论公式估算结果进行比较，结果表明当所施加 的力在水平向和竖直向上时，两种方法计算结果相似，但是当施加倾斜力时，两 种计算方法差别较大。而管线形状的简化可能是导致结果出现较大差异的原因。 为了更好的描述管线水平向运动时埋深与水平抗力和位移之间的关系，m 。 h e s a r 【l8 】于2 0 0 4 年利用a b a q u s 有限元软件将模型简化为平面应变问题进行分 第一章绪论 析。为了检验有限元分析的准确性和网格划分的灵敏度，采用了粗网格和细网格 两种不同的网格划分方式，并且得到了粗网格和细网格所对应的水平抗力和位移 的关系对比曲线。试验结果显示，土体在受力过程中所表现出来的大小振荡的特 性主要是由以下原因引起的：( 1 ) 粘土几乎是不可压缩的( u = 0 4 9 ) ；( 2 ) 粘土 被视为完全弹塑性材料。另外，h e s a r 模拟了管线浮容重和管线混凝土抹面与粘 土接触面上的摩擦力对水平抗力的影响。分析结果表明在初始贯入度相同，管线 浮容重越大，水平抗力值也越大；管线混凝土抹面和粘土接触面上的摩擦力对水 平抗力也有一定的影响，给定两个摩擦力值0 3 和1 3 ，大的摩擦力值所对应的 峰值水平抗力比小的增加2 2 左右，但是当位移增大到一定值时，两者的水平抗 力值趋于一致。 以上研究表明前人已经对管线水平向运动时土体的水平抗力进行了一系列 有限元模拟分析，其中不乏宝贵的经验。不足之处在于，分析不够细致深入，如 l y o n s 没有考虑埋深、管径等因素对水平向抗力的影响，而h e s a r 的研究没有考 虑管线不同埋深对水平抗力的影响等。所以这些都有待于在以后的研究中有所突 破。 1 3 2 竖向运动管线抗力的数值分析 2 0 0 7 年，t a n e w s o n t l 9 】利用p l a x i s 有限元分析法模拟不排水粘土体中管线 的竖向运动。主要研究对象为管线埋置率与隆起系数m 之间的关系。其所模拟 的管土状态主要分为两种：( 1 ) 力施加瞬间管线下方即与土体分离( 瞬间分离) ； ( 2 ) 施力过程中管土始终处于契合状态( 完全契合) 。通过有限元分析得到了埋 置率与m ，的关系曲线。由试验结果可知，隆起系数和管土之间的状态有很大关 系：埋置率相同的情况下，完全契合状态的m ，值总是大于瞬间分离状态的m 。 值。当埋置率值介于5 - 6 之间时，两种情况下的管线都处于临界破坏状态。 管线竖向运动时的有限元分析不够深入，其管线位移与抗力的关系较难模 拟，需要在以后的研究中完善。 因前人没有对管线轴向运动时抗力做相关的数值分析，这里不再详述。 1 4 本文研究内容 海底管线的在位稳定性问题是海底管线设计中的关键性问题之一，为海底管 线的设计提供理论依据2 0 1 。对于掩埋管线而言，管土相互作用分析则是问题解决 的关键。本文主要从理论公式、室内模型试验和有限元模拟三个方面对掩埋于砂 土中的管线与土相互作用问题进行研究，主要研究内容如下： 6 第一章绪论 ( 1 ) 收集并整理国内外相关文献。大量收集并阅读国内外海底管线的文献 资料，充分了解国内外针对海底管线与土相互作用方向的研究现状；并从理论公 式、试验研究和有限元分析三个方面对管土相互作用的研究方法进行系统的整理 和分析。 ( 2 ) 针对砂土中的掩埋管线，在不同埋深、不同管径情况下进行管土相互 作用的模型试验研究。结合国内外的研究现状，制定试验方案，设计、组装、调 试试验仪器，给出具体的操作方法。从水平、轴向、竖向三个不同的运动方向探 讨管土相互作用的过程中位移和土抗力的变化规律。 ( 3 ) 对掩埋于砂土中的管线在屈曲过程中的管土相互作用进行p l a x i s 和 a b a q u s 两种有限元方法的模拟。通过二维p l a x i s 有限元模拟，探讨管线竖 向和水平向运动时位移和土抗力的变化规律，并划分深层和浅层破坏模式的分界 埋置深度；通过三维a b a q u s 有限元模拟，探讨深层和浅层破坏时三个方向的 受力情况，并与p l a x l s 得到的结果相对比，验证有限元模拟的可靠性，并且探 讨管线轴向运动时管土相互作用的有限元模拟方法。 ( 4 ) 对砂土中不同管径、不同埋深的管径的理论解析进行分析研究。探讨 不同埋深、不同管重情况下最大土抗力的变化规律。 ( 5 ) 对比模型试验、有限元分析和理论解析的结果，进一步探讨管土相互 作用的机制。通过三种方法的对比，得到砂土中管向运动方向不同时土体抗力的 发挥过程及最大抗力的确定方法，为管线屈曲剧变分析提供相关的理论和数据支 持。 7 第二章管土相互作用试验 第二章管土相互作用试验 结合渤海湾地表土层的物理力学性状开展了室内大型模型试验研究，本章重 点阐述此次试验的设计、方法及结果。 2 1 试验设计 管线按埋设方式不同可分为不埋设管线、半埋管线、全埋管线瞳1 | 。海底管线 直接铺在海底面上，往往因波浪力、潮流力等的冲击而折断；因海船抛锚时的撞 击和起锚时的勾拉而破裂：因渔船拖网而被拉断：因底部基础和支墩遭受破坏而 引起管线稳定性破坏。海底管线被破坏，必然导致油气大量流失，不但在经济上 受损，而且还严重污染环境，因此在施工过程中通常会通过开沟的方式用地基土 体把管线埋设起来，从而增加管线运输过程的安全性。埋设管线的管土相互作用 问题是本文研究的主要内容。 根据掩埋类型的不同，可以将掩埋管线分为海床表面掩埋型、挖沟掩埋型和 两者兼顾型三种类型 2 2 - 2 3 】，而渤海湾地区常用的为挖沟掩埋型，其示意图见2 - 1 。 图2 - 1 挖沟掩埋型管线示意图 h d 模型试验的目的主要是研究管线在不同埋置率( 上覆土厚度日与管线直径d 的比值【1 9 】) 情况下在不同运动方向上的受力变化规律，从而为研究管线的屈曲剧 变特性提供依据。试验过程中，管线的埋置率取l 9 不等，分别在竖直向、轴向 和水平向三个方向施加作用力。根据前人的研究成果，埋地管线在竖直向发生屈 曲的可能性最大，亦即管线在竖直向所受的土抗力最小【砒9 】，所以本次试验以竖 直向受力研究为主。 第二章管土相互作用试验 2 1 1 试验管线选取 选取3 0 m m ，5 0 m a n ，8 0 m m 三种管径的不锈钢管进行试验。不锈钢管材具 有强度大，抗拉性能强，抵抗腐蚀破坏，不受热处理的影响等优点。另外，为增 加试验精度，使管线长度上与直径d 之比足够大，但又考虑到试验槽长度的选 取和试验的难易程度，将管线的长度定为l m ，因为在运动过程中在管线的末端 会产生一定得末端效应( 管子在被拉动的过程中，其末端周围土体的部分区域会 同时受到扰动。称为末端效应) 2 1 1 所以使管线的两端伸出试验槽之外，其长度 延伸为1 2 m 。试验管子图片如图2 - 2 所示，其相关参数值见表2 - 1 。 闰2 - 2 不同管径管子图片 表2 - 1 管线相关参数 d 0 n m )武蛐)瑚曲w ( k g )( m )州k n m ) 3 02 720 6 e + 0 822 512 00 0 1 8 2 12 试验槽设计 试验槽的宽度配合管线的长度，定为l m 。试验槽长度的选取由试验过程中 挖沟放置管线时砂土的开挖宽度决定。而砂土的开挖宽度则要根据砂土的天然坡 角来确定。试验用砂的天然休止角为3 5 。( 具体测定过程见2 2 1 ) 。根据图2 - 1 ， 砂土的开挖宽度计算式如下： 8 = 3 5 。l = r h + n ) t g e ( 2 - 1 ) 第二章管土相互作用试验 试验槽深度的选取由试验过程中所需填充的砂子高度来决定。在试验槽底部 铺设1 0 0 r a m 的砂垫层，然后按照不同管线的不同埋置率计算上部砂土的铺设厚 度。根据图2 1 ( a ) ，其砂土深度的计算式如下： 日删= 1 0 0 + h + d ( m m ) ( 2 2 ) 不同的管径所对应的砂土的开挖宽度上和填埋深度日计算结果见表 2 2 ( a 卜2 - 2 ( c ) 。 表2 - 2 ( a ) d = 3 0 m m 时 表2 - 2 ( b ) d = 5 0 m m 时 表2 - 2 ( c 1d = 8 0 m m 时 由以上计算结果可以看出，当d = 8 0 m m ，h d - - 9 时，所对应的砂土开挖宽 度和填埋深度最大，分别为2 7 7 1 m m 和9 0 0 m m 。为保证试验质量，所以将管线 长度取为3 m ，深度取为l m 。即试验槽的大小为l m l m 3 m 。 1 0 第二章管土相互作用试验 为保证试验槽在搬运和试验过程中的抗拉和抗折性能采用特制的厚度为 1 5 r a m 的a 级塑钢板进行加工制作。塑钢也叫p v c 型材，是近年来被广泛应用 的一种新型的建筑材料 该材科性能优良、加工方便、用途广泛：塑钢型材密度 大，抗老化，适应烈日暴晒，潮湿等特殊地方使用耐腐蚀性强，并且价格实惠。 在试验过程中需观察土体的运动和变化规律，井拍摄相关影像资料所以 将试验槽沿长度方向上的一侧换为有机玻璃，其大小为1 2 0 0 r a m 9 7 0 r a m ，并在 中间切割出l 型槽洞( 见图2 - 3 c ) ，以便管线可以沿不同方向发生运动。有机玻 璃是目前最优良的高分子透明材料，透光率达到9 2 ，比玻璃的透光度高：强 度比较高抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7 1 8 倍：并且易于加工成型。 同样，在有机玻璃相对应的另一面也需要切割出l 型槽洞，并在槽子沿宽度 方向上的一侧切割直径为5 m m 的圆洞，为管线沿水平向运动时穿拉钢丝所用。 其制作完成的试验槽示意图和照片见图2 3 a 、b ( i ”。 为防止试验过程中泥沙外泄。槽壁两侧的l 型开口部位采用擦槽抽拉式设 计在管线运动时可以随之一起滑动，有效的阻止了泥沙外漏，其相关图片见图 2 - 3 d 。 t 试验槽示意图 b 试验槽照片 c 有机玻璃扳尺寸示意图d 挡板设计 图2 - 3 试验楷模型示意图 第二章管相互作用试验 2 13 施力装置设计 为了便于观察管线运动的过程和试验数据的采集要求管线的运动速率足够 慢。为满足以上要求利用电动机和减速仪相结合的方法减低管线运动速率，其 相关图片见图2 - 4 。通过调整电动机运转速率此装置可以有效的减缓管线运动 速率。在本次试验中，电动机的运转速率控制为2 5 h z 。 溪 圈蜒 拉压力传盛器b 位移百分表 第二章管土相互作用试验 三蚕三吾手i = - 彳司一 ck y o w a - p c d 3 0 0 a 数据采集仪 图2 - 5 数据采集仪相关图片 2 1 5 传动装置设计 1 竖向拉起试验设计 管线在竖直向上运动时，利用施力装置在提升设备上施加冲击荷载，同时记 录下来垂直抗力，位移的特性指标，直至上拔力及变形达到稳定状态【l ”。其装置 照片和示意图见图2 _ 4 a 和b 。将拉压力传感器的一端和拉起管子的钢架相连，另 一端和数据采集仪相连，同时在提升装置上施加荷载。利用减速仪控制管线的提 升速率，将管于缓慢提起，同时读取力和位移等数据。 a 竖向试验装置示意图 图2 - 6 竖向试验装置固 b 竖向试验装置图 2 水平向拉动试验设计 管线沿水平向运动时用钢丝绳拉动管线，在钢丝绳上施加荷载，同时记录 下来水平抗力位移的特性指标，直至水平抗力及变形达到稳定状态唧 6 jo 其装 置示意图和实拍照片见圈2 7 。与竖向拉起试验相同，将数据采集仪分别与拉压 力传感器和拉动管子的钢架相连，同时在拉动装置上施加水平荷载，利用减速仪 控制管线的拉动速率，缓慢拉动管线同时读取力和位移等数据。 第二章管土相互作用试验 犀 & 水平向试验装置示意图 b 水平向试验装置照片 圈2 7 水平向试验装置图 3 轴向受拉试验设计 管线沿轴向运动时，与水平向运动相似，用钢丝绳管线的一端相连，在钢 丝绳上施加荷载同时记录下来轴向抗力，位移的特性指标，直至轴向抗力及变 形达到稳定状态p 0 】。其装置示意图如图2 - 8 所示。因时问仓促，这项试验没有 进行，所以没有试验的实拍照片。进行试验时，可以将数据采集仪与百分表和拉 压力传感器直接相连( 需注意百分表的放置位置) ，读取力、位移数据。 圈2 - 8 轴向试验装置图 霪匮 第二章管土相互作用试验 2 2 试验步骤 2 2 1 土体的物理力学性质测定 试验用土为砂土，容重y = 1 6 6 k n m 3 。利用筛分法对试验用砂进行测定，所 得级配曲线见图2 - 9 。 1 0 0 9 0 。8 0 u 羔7 0 、 忙6 0 崾5 0 魁4 0 萎3 0 q - , 2 0 卞1 0 o i l l i i 、 x n l ulu 1o o l 土粒粒径( m m ) 图2 - 9 试验用砂级配曲线 砂土的不均匀系数c u 和曲率系数c 。值计算如下： d l o = 0 0 9 5 ，d 3 0 = 0 16 5 ，d 6 0 = 0 3 0 0 ， c ：，：鱼：0 3 0 0 ：3 1 6 ( 2 3 ) 。d l o o 0 9 5 c ：立：q ：! 箜：0 9 5( 2 - 4 ) d l o 0 0 9 5 x 0 3 0 0 由上述计算结果可知，试验用砂为级配均匀的细砂。 利用室内测量天然坡角的仪器( 天然坡角测定仪) 测定试验所用砂土的天然 休止角。共进行了三次试验，最后取其平均值，得到砂土的天然休止角为3 5 0 。 利用相对密度测定试验测定砂土的相对密度研，在击实状态下，砂土的最 大干密度仍一= 1 7 6g c m 3 ，最松散状态下砂土的最小干密度岛曲= 1 5 7 g c m 3 。 由公式： d =! 鱼二些2 旦婴：! ! ：堑二! ：! ! ! 兰! ：z 鱼o 5 0 ( 岛蛳一办m i n ) 岛 ( 1 7 6 一1 5 7 ) x 1 6 6 在试验过程中，按照这个指标控制砂土的相对密度。 ( 2 5 ) 第二章管士相互作用试验 利用直剪试验测定砂土的内摩擦角多，得到垂直压力和剪应力关系曲线见图 2 1 0 。由图中的直线知，砂土的内摩擦角为b = 2 8 0 。 言 山 邑 型 鹱 密 蜒 2 1 5 0 1 0 0 5 0 0 j( 厂 一)( 一， d p 、t ， )少 01 0 02 i d 03 0 0 4 0 0 垂直压力( k p a ) 图2 1 0 抗剪强度与垂直压力的关系曲线 2 2 2 填土及埋置管线 当砂土的物理性质指标测定完成后，就要在试验槽中填制砂土并且埋置管 线。对于不同方向的试验，步骤基本相同，以竖直向d = - 0 0 3 m ，h d = 2 的竖向拉 起试验为例，具体如下： ( 1 ) 填埋砂土，并击实到指定高度，经测量，砂层的击实密度为1 6 6 2g c m 3 ； ( 2 ) 在指定深度放坡开挖一条水平沟渠，将管子放置好。要求管子两端封 闭并与提升带相连； ( 3 ) 用密度为1 6 0 9 c m 3 松砂分层回填掩埋。回填时分为两层，每层3 c m ， 并且每层填埋结束后在有机玻璃一侧铺设黑色砂子，以便观察管线在运动过程中 土体的变化情况： ( 4 ) 将提升带的另一端与分布梁相连，同时安装传感器，通过计算机、数 据采集仪等相应装置可以直接读取掩埋管线上的数据资料。 2 2 3 施加作用力 完成以上两个步骤之后，接下来就要对管线施加动荷载，拉动管线，以量测 管线运动过程中土抗力的大小。现分别对管线在竖向和水平向上的运动过程做详 细介绍。 1 竖向拉动管线 以埋置率d = - 0 0 3 m ，胁2 为例。在提升钢丝上施加动荷载，开始提升管线， 1 6 第二章管土相互作用试验 同时记录下来垂直上拔，位移的特性指标，直至上拔力及变形达到最大状态。在 试验过程中，要注意观察管于在运动过程中土体的运动变化规律，并留下相关的 影像资料，做为以后的资料参考。管线的运动过程见图2 - 1 1 。 值得一提的是，本次试验所采用的干试法能够准确评估砂土表面填筑物的失 稳边界，当上拔力达到最大刚，土体也就达到了失稳边界，即土体开始产生位移。 其它两种管径的管子试验步骤与之相同。竖向拉动试验共进行了三次，每次 试验都要重新填充试验槽和压实砂土以便使试验结果更加准确可信。 麓 j 葫鲨甏霉j 孽黪姆i t 絮黪霉蛘 鬣纛i 一整 _ _ _ 黧 一麓1 r 曩薹_ 囊叠爹羹馨鲞 d 2 水平向拉动管线 c 图2 - 1 1 管线竖向运动过程 电 4 蹲 b 图2 1 2 管线水平向运动过程 1 7 西 蓬 i：塾澄瞄赫”_ii隧 第二章管土相互作用试验 以埋置率d = 0 0 3 m ，胁l 为例。在钢丝绳上施加水平荷载，开始水平向拉 动管线，同时记录下来水平抗力位移的特性指标，直至水平拔力及变形达到最 大状态。管线的水平向运动过程见图2 1 2 。 其它两种管径管子的试验步骤与之相同。本次共进行了两次试验，与管线的 竖向运动一样，每次试验都要重新填充试验槽和压实砂土，以保证试验的准确性。 由于缺少试验资料，轴向拉动时施加作用力的过程这里就不再叙述。 2 3 试验结果 2 3 1 竖向拉起试验 d = - 0 0 3 m 不同埋深时对应的竖向抗力试验结果见图2 1 3 所示。通过这些曲 线可以看出，当土体变形很小时竖向抗力就能够达到最大值，随后其位移量急剧 增大而竖向抗力随之减小。 a h d = - i 时位移抗力关系图 1 2 1 0 号8 r6 4 基- h 2 。 o24681 0 管子位移( r a m ) 3 0 2 5 堂加 杂1 5 堰l o 希s 0 b h d = 2 时位移抗力关系图 o246 81 0 管子位移( m m ) c h d = 3 时位移抗力关系图d h d - - 4 时位移抗力关系图 第二章管土相互作用试验 7 0 6 0 堂5 0 。4 0 萋蠹 二：1 0 o 5 0 一4 0 、一3 0 荟加 薹1 0 o o51 01 5加签o 管子位移( m m ) 5 l o 1 52 0 管子位移( m m ) e h d - - 5 时位移抗力关系图h d = 6 时位移抗力关系图 05l o1 5 管子位移( m m ) 8 0 7 0 ，、6 0 堂5 0 、一4 0 会3 0 喜2 0 o ：l o 0 g h d = 7 时位移抗力关系图h h d = 8 时位移抗力关系图 1 0 0 8 0 锄 专6 d 蚕4 0 警2 0 1 1 0 051 01 52 0 管子位移( n u n ) i h d - - - 9 时位移抗力关系图 图2 1 3d = 0 0 3 m 时不同埋深对应的位移抗力关系对比图 数据采集仪上的拉力