（岩土工程专业论文）砂质海床上海底管线稳定性的数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施，在海洋石油工程中应用非常广泛。 海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。波浪在传播过程 中，会在海床表面引起周期性的波压力。这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静 孔隙水压力及附加有效应力，改变了海床中的应力分布。海床上放置的管线亦会对其附 近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响，使海床的中的应力分布更加复 杂，最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象，导致海床的失稳破坏。因此， 研究波浪管线土体的相互耦合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 本文通过非线性有限元计算软件a b a q u s ，对砂质海床上的裸置管线进行有限元 分析，研究在环境荷载及管线荷载作用下，海床中的应力发展情况，进而对管线附近的 海床土体的液化做出判断，为海底管线的稳定性设计提供理论依据。 文中首先将海床视为多孔弹性介质，对波浪管线土体进行了耦合分析，得到了在 波浪荷载及管线荷载的共同作用下，海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力的分布情 况。探讨了不同的渗透系数、海水深度、波浪高度、波浪周期、波浪理论、管线参数及 土体变形模量等因素对海床中的超静孔隙水压力及z 方向有效正应力分布的影响。 随后，为更加接近实际情况，本文将海床视为非均质的g i b s o n 土进行研究，分别 考虑了单独变化渗透系数、单独变化剪切模量及同时变化渗透系数与剪切模量等情况， 得到了作为g i b s o n 土考虑时，海床中的超静孔隙水压力及z 方向有效正应力的分布情况。 最后，考虑土体的自重荷载，使用p y t h o n 语言对a b a q u s 的计算结果进行二次开 发。使用了z e n 和y a m a z a k i 的液化判断准则，得到了在波浪荷载及管线荷载共同作用 下，海底管线周围砂质海床的瞬时液化结果，并对结果进行分析。 关键词：海底管线；波浪荷载；a b a q u s 二次开发；超静孔隙水压力；海床液化 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 n u m e r i c a la n a l y s i so fs t a b i l i t yo fs u b m a r i n ep i p e l i n e so nas a n d ys e a b e d a b s t r a c t p i p e l i n e sa r ee c o n o m i c a la n de f f i c i e n tm e a n so ft r a n s p o r t i n gp e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a s a n da r ew i d e l yu s e di no c e a np e t r o l e u me n g i n e e r i n g 1 1 1 ei n s t a b i l i t yo fs u b m a r i n ep i p e l i n e s d u et ol i q u e f a c t i o no ft h es e a b e di so n eo ft h em a j o rp r o b l e m st ob ec o n s i d e r e dw h e nt h e p i p e l i n e s a r ed e s i g n e d 珊1 e ng r a v i t a t i o n a lw a v e sp r o p a g a t eo v e rt h eo c e a n , t h e yc a u s e f l u c t u a t i n gp r e s s u r eu p o nt h es e a b e d ，w h i c hw i l lf u r t h e ri n d u c ee x c e s sp o r ep r e s s u r ea n d e f f e c t i v es t r e s sw i t h i nt h es e a b e ds o i l ，a n dm a k et h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s si nt h es e a b e d c h a n g e t h ep i p e l i n e s l a i do nt h es e a b e da l s oh a v ee f f e c t so ne x c e s sp o r ep r e s s u r ea n d e f f e c t i v es t r e s si nt h ev i c i n a ls e a b e d ，a n dt h i sm a k e st h es t r e s si nt h es c a b e dm o r ec o m p l e x w i 也t h ed e v e l o p m e n t so fe x c e s sp o r ep r e s s u r ea n de f f e c t i v es t r e s s ，p a r t so ft h es e a b e dw i l l b e c o m eu n s t a b l eo re v e nl i q u e f i e d t h e r e f o r e , i ti so ft h e o r e t i ci m p o r t a n c ea n da p p l i e dv a l u e i ne n g i n e e r i n gt or e s e a r c ht h ec o u p l e dr e s p o n s eo fw a v e ，p i p e l i n e sa n ds o i l af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sm a d eo nt h ep i p e l i n e sl a i do nas a n d ys e a b e dv i aa b a q u s ， w h i c hi sas o r to fn o n - 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ed e v e l o p m e n t so fs t r e s si n t h es e a b e du n d e rw a v ea n d p i p e l i n e sg r a v i t yl o a d i n ga r er e s e a r c h e d ，a n dt h e nt h es t u d yo nt h e l i q u e f a c t i o nr e s u l to ft h es e a b e ds o i ln e a rt h ep i p ei sm a d e t h e s ew i l lp r o v i d et h er e f e r e n c e i d e a sf o rp i p e l i n e sd e s i g n f i r s t l y , t h ep o r o u se l a s t i cm o d e li su s e df o rt h es e a b e dt om a k eac o u p l e da n a l y s i so f w a v e - p i p e l i n e - s o i ls y s t e ma n dt h er e s u l t so ft h ed i s t r i b u t i o no fe x c e s sp o r ep r e s s u r ea n d e f f e c t i v es t r e s si nt h es e a b e du n d e rt h ew a v ea n dt h ep i p e l i n eg r a v i t yl o a d i n ga r eo b t a i n e d s e v e np a r a m e t e r s ，p e r m e a b i l i t y ，w a v ed e p t h ，w a v eh e i g h t ，w a v ep e r i o d ，w a v et h e o r y , p i p e l i n e p a r a m e t e r ，s o i le l a s t i cm o d u l u s ，a r ed i s c u s s e da b o u tt h e i re f f e c t so ne x c e s sp o r ep r e s s u r ea n d e f f e c t i v es t r e s si nz d i r e c t i o ni nt h es c a b e d s u b s e q u e n t l y , t om a k et h es i m u l a t i o nc l o s e rt or e a lc o n d i t i o n ，g i b s o ns o i li sa d o p t e d v a d a b l ep e r m e a b i l i t ya n ds o i ls h e a rm o d u l u sa r ec o n s i d e r e d ，a n dt h e nd i s t r i b u t i o no fe x c e s s p o r ep r e s s u r ea n de f f e c t i v es t r e s sa r eo b t a i n e d a tl a s t ，s o i l 孕撕t yi sc o n s i d e r e da n db a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a ml a n g u a g e p y t h o n , as e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i sm a d eo np o s t p r o c e s s o ro fa b a q u s z e na n d y a m a z a k i sc r i t e r i o no fw a v e i n d u c e dl i q u e f a c t i o ni su s e dt oa n a l y z et h es e a b e dl i q u e f a c t i o n 1 1 1 el i q u e f a c t i o nr e s u l t so ft h es e a b e du n d e rw a v ea n dp i p e l i n eg r a v i t yl o a d i n ga r eo b t a i n e d a n da n a l y z e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e ；w a v el o a d i n g ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa b a q u s ； e x c e s sp o r ep r e s s u r e ；s e a b e dl i q u e f a c t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成杲，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ，、 作者签名：日期：堡! k ! 翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 翩魏彳生 丛年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 。l 研究背景 随着世界经济的迅速发展，石油和天然气的消耗与日俱增，海底管线的作用也愈显 重要。我国是一个海洋大国，有着长达1 8 0 0 0 公里的海岸线，2 0 0 1 年海洋石油工业开始 高速高效发展，累计石油地质储量跃升到3 3 6 亿吨，石油天然气产量增加到2 3 0 0 万吨。 开发海洋，开采海洋油气资源已经成为我国能源发展的一个非常重要的方向。 海底管线作为一种输送流体或气体介质的工具，具有输送连续、效率高、输送量大、 成本低等诸多优点。海底管线作为海上油气田开发的重要组成部分，对海上油气田的开 发、生产和产品外输起着关键性作用，被称为海上油气田的“生命线 。从1 9 5 4 年在 美国的墨西哥湾由b r o w n & r o o t 海洋工程公司铺设了第一条海底管线以来，在世界各近 海海域成功铺设了无数条各种类型、各种管径的海底管线。迄今为止，在世界范围内已 建成数十万千米的海底管线，完善而密集的海底管线系统为海洋油气的开采和运输带来 了巨大的方便和经济利益。现在海底管线已经成为一种重要的海洋工程设施，随着海底 油气资源的不断开发，海底管线将在海洋工程中扮演越来越重要的角色。我国于1 9 7 3 年在黄海之滨，成功的铺设了我国第一组5 0 0 多米长的海底输油管线，经投产使用证明， 运转性能良好。1 9 8 9 年，我国渤海石油公司自主完成了渤中3 4 2 油田到渤中3 4 4 油田 的海底管线铺设工程，铺设了长度为4 2 千米的两条双层管结构海底输油线路和两条单 层管结构输水海底管线。至2 0 0 1 年，我国已经建成5 8 个海洋平台，2 2 0 0 千米的海底管 线。十五期间，国家将投资1 2 0 0 亿元开发海洋石油，2 0 0 5 年新建4 0 个海洋平台和1 5 0 0 多千米的海底管线，海上石油年产量达到4 0 0 0 万吨，至2 0 1 0 年，海上石油产量规划为 年产5 0 0 0 万吨，因此，我国海底管线将进一步发挥其海上油气田“生命线”重要作用。 截至2 0 0 6 年，我国已经建成5 0 0 0 千米的海底管线，在不久的将来，随着东海和南海海 域油气田的相继开发，我国还将有数千千米的海底油气输送管线投入建设，海底管线已 经成为我国海上油气田设施的重要组成部分。 海底管线的铺设一般分为埋置管线与裸置管线。埋置管线分为深埋管线和浅埋管 线。人们通常将埋置于海床表面以下深度大于3 倍管线直径的管线称为深埋管线，将埋 置于海床表面以下深度小于3 倍管线直径的管线称为浅埋管线。深埋管线一般不受海面 波浪和海底洋流的直接影响，具有很高的安全性和可靠度。但是深埋管线的铺设费用昂 贵、施工难度大，只有一些服役期长且安全性要求很高的输油输气管线才采用这种铺设 方式。浅埋管线的施工难度和铺设费用都要比深埋管线小些。裸置管线是直接铺设于 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 海床表面上的，这种铺设方式施工容易，造假低廉，是非常方便、经济的一种管线铺设 方式。但是直接铺设子海床表面的裸置管线由于直接暴露在海水中，因此，受海流、波 浪等环境荷载的作用非常显著，并且在浅海区，易受渔船、拖网等外部因素的影响。所 以，对于裸置管线的安全性和可靠性问题，必须认真考虑。 海底管线的优点是可以连续输送，一旦铺设投产几乎不受水深、地形等条件的限制， 输油效率高、输送能力大，铺设工期短、投产快，这对海洋油气田的集输系统是必不可 少的。它的缺点是管线处于海底，埋置管线的检查、维修和保养困难；裸置管线容易受 海流及波浪荷载的影响而失稳。海底管线有时候可能会被海中漂浮物或船舶等撞击而遭 到破坏。作为连接油井与平台及平台陆上储运设施的输送油气的工具，海底管线的稳定 性分析越来越引起人们的重视。如果管线失稳破坏引起管内的油气泄露，不仅会造成经 济损失，更会对环境产生巨大的污染，后果将十分严重。一般而言，在深水海域或近乎 静止的浅水海域，波浪引起的水质点运动速度很小，其引起的海床表面的附加压力也很 小，对管线的影响可以忽略；相反，如果在波高较大的浅水海域，则波浪荷载的影响非 常显著，可能成为海底管线稳定性设计的主要荷载之一，此种情况下，研究波浪荷载作 用下的管土响应对管线稳定性分析有决定性的意义。 由于海洋土的沉积环境、组成成分及固结状态等条件不同，因此，其物理特性与工 程特性与陆地上的土有较大差异。海洋土经受巨大自重及小幅度波浪的长期作用和暴风 巨浪或地震等剧烈环境荷载的瞬时或反复作用，使得海洋土处于复杂的应力状态，与陆 地上建筑物地基或者场地存在着较大的差异。然而由于试验技术条件和认识水平的限 制，以往对于波浪荷载作用下海洋土的变形与强度特性的研究仍然套用了陆地上对于一 般场地与地基的试验方法与分析方法，没有充分的考虑海洋土的自身特点，也未能合理 地考虑波浪作用下海床的实际应力状态及变形与破坏机理。因此，根据海床和海底管线 地基的受力特点，围绕海洋土的工程特性和本构关系、海床与海底管线地基动力响应与 液化软化的非线性数值分析方法等方面，在国内开展非线性海床动力学理论与海洋地基 设计理论及其实验验证的综合研究，对于我国海洋土力学学科的发展和海洋开发与利用 具有重要的科学意义与工程实用价值【l z j 。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 海底管线设计方法 目前，在设计方面，国际上有两个比较通用的海底管线系统规范：挪威船级社( d n o 发表的海底管线系统规范和美国石油学会i ) 制定的近海烃类管线设计、施工、 大连理工大学硕士学位论文 操作和维护推荐实用规程。挪威船级社( d n v ) 根据p i p e s t a b 项目的研究成果在19 8 8 年颁布了海底管线的稳定性设计规范。该规范具有独立的完整性，它对管线设计、实验、 验收和维护都有较详细完整的规定，实用性较强，被广泛采用。鉴于我国在海底输油管 线工程领域技术规范和标准尚不成熟，中国海洋石油总公司也采用该规范作为企业标 准。 d n v 管线设计规范简介：该设计规范适用于海底管线在使用寿命内或者在采取其它 辅助稳定性措施之前的海底管线稳定性分析。根据对分析结果要求的详细程度，共有以 下三种分析方法【3 】： ( 1 ) 动力分析：该分析方法是一种时域解法，主要模拟波谱及与之相应的实际时间 序列、海底流速、管线的结构特性、水动力、土壤阻力和约束条件等。在该方法中，管 线所受波浪荷载的计算采用尾迹效应修正的w a k e 模型；而土阻力的计算采用w a g n e r 等人提出的管土相互作用模型。此方法在对具有潜在危险性的现有管线进行重新分析等 情况下才采用。 ( 2 ) 广义稳定性分析：该方法是一种建立在对动力分析结果进行总结归纳得到的一 组无量纲参数关系图表基础上的分析方法。在该方法中，假定管线沉降对水动力不折减， 但是考虑了循环载荷作用下管线的附加沉降导致的土体被动土压力的增加；不考虑加载 历史对管线稳定性的影响；土层只限于中砂。管线完全稳定广义分析方法主要用于阀门 连接件、管线交叉处等关键部位附近管线的稳定性分析。 ( 3 ) 简化的稳定性分析：该方法是一种准静态方法。管线受力采用m o r i s o n 方程求 解，并假定管线与海床之间的阻力系数为常数。其计算结果给出的管线重量是由广义稳 定性分析方法所得管重的保守包络线。此方法主要用于分析正常状态下的一般位置管线 的稳定性。 但是d n v 规范是以机械加载的试验结果为理论基础的。机械加载得到的管土相互 作用模型不能全面反映波浪、管线和海床三者之间的动力相互作用，所以目前的设计方 法仍需进一步改进。 1 2 2 海底管线模型试验进展 波浪作用下海底管线与海床相互作用是十分复杂的，因此，国际上许多科研机构、 大石油公司和管线工程公司，都相继投入了大量资金来研究海底管线在海床上的稳定性 问题。例如，“美国天然气协会( a g a ) ”和“挪威船级社”都做了研究，并且将自己的研究 成果用于制订海底管线的稳定性的设计规范中。 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 2 0 世纪7 0 年代，管土相互作用的研究只集中在静态加载试验。l y o n s ( 1 9 7 3 ) 4 】利用 机械加载方式分别研究了管线与砂土、粉土和粘土之间的相互作用。在试验的基础上得 到了管线与海床的相互作用与管线外表面的粗糙度、海底介质的土性参数、管线与海床 的接触面、管线的位移方向等因素有关。k a r a l ( 1 9 7 7 ) 5 】等提出直接放置于海床上的管线 会在土体中产生自沉陷，沉陷的深度与管重及土体性质有着密切关系，认为土体( 包括 砂土和粘土) 对管线的侧向阻力系数应该是土性、水动力特性和管线参数的函数，但是 没有给出具体的表达式。 2 0 世纪8 0 年代以来，国外的许多科研机构采用机械式反复加载的方式对裸置管线 的管土相互作用进行了深入研究。从1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，s i n t e f 和n h l 等研究机构完 成了管线稳定性大型研究课题p i p e s t a bp r o j e c t ，即对放置在海床上的试验管线施加反 复水平载荷以模拟波浪作用在管线上的拖曳力和惯性力的同时，施加一定比例的垂直向 上的荷载以模拟波浪作用在管线上的升力。通过对试验管线匀速施加反复水平荷载，同 时匀速施加一定比例的垂直向上的荷载，模拟迅速增长的风暴。在试验结果的基础上， 对于在位状态的管线，w a g n e r 等人( 1 9 8 7 ) t 6 提出了：管线的加载历史将影响其自沉陷， 并且在管线前面引起土的堆积，形成一个楔形的土体，从而会导致土的侧向阻力的增加， 且这种土的侧向阻力要比用库仑摩擦理论预测的大得多。w a g n e r 提出了管土相互作用 的模型，并且建议管土相互作用模型应该是将摩擦力与被动土压力分开考虑。 a g a 研究小组对w a g n e r 等的试验装置稍微进行了改造，又做了大量的补充实验( 即 a g ap i o j e c t ) 。b r e r m o d d e n 等( 1 9 8 9 ) t 7 】在试验的基础上，提出了以能量耗散为基础的管 土相互作用模型。他们认为管线在往复荷载的作用下所产生的沉降源自于往复荷载作用 于管线上管线振动所产生的能量。 p a l m e r 等( 1 9 8 8 ) t 8 】也利用机械加载的方式研究管土相互作用( d h ir e s e a r c h p r o g r a m ) ，提出管土相互作用的经验关系。 v e r l e y 和s o t b e r g ( 1 9 9 2 ) t 9 】对管土相互作用问题进行了量纲分析。并参考a g a 、 p i p f s t a b 和d h i 的试验结果提出了描述管线的侧向失稳的力位移模型。 天津大学闰澍旺( 1 9 9 6 ) 【1 0 】等人用细砂和原型管线进行了模型试验。对半埋入土中的 管线，进行了管线侧向阻力试验以及用往复荷载来模拟水动力载荷作用下管线的侧向阻 力及沉降量。在该实验中给出了土体侧向阻力的表达式。 马良、张日 句( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 1 1 ，1 2 】进行了海底部分埋设管线在波流作用下水动力效应 的实验研究，但只是研究了水动力系数对环境载荷的影响。 大连理工大学硕士学位论文 z h a n g 和r a n d o l p h 等人( 1 9 9 9 ) t 1 3 】以离心机试验为基础，采用了海床上裸置管线的 弹塑性模型，提出了相应的土体侧向阻力表达式。 顾小芸和高福平等 1 4 - 1 6 】进行了水动力条件下的管土相互作用试验，除得到与前人类 似的结果外，。对其物理机制进行了更明确的解释，还指出波管土动力耦合中的管线失 稳问题是床面以上的涡流和床面以下渗流共同作用的结果，即渗透性起着很重要的作 用。高福平等人发现在波管土耦合作用过程中，管线的失稳分为三个阶段：1 ) 管线两 侧砂粒起动，床面受到冲蚀；2 ) 管线产生微小位移；3 ) 在管线持续微小位移一段时间 后，管线几乎突然产生较大位移而失稳。浙江大学夏令也进行了波浪作用下泥沙起动及 海底管线周围局部冲刷的模型试验，上述实验为数值计算提供了检验依据。 1 2 3 波浪作用下自由海床响应解析及数值研究进展 海洋土与其它材料有所不同，它是一种由固相、液相和气相所组成的三相体。由于 海洋土的多相性，使得波浪和海床的相互作用问题变得非常复杂。长期以来人们就海洋 土的物理特性做了各种各样的假设，提出了许多模型，其中有粘性流体模型、粘弹性流 体模型、非线性的宾汉流体模型等等，如2 0 世纪7 0 年代初，人们认为土体中波能量的 耗散类似于流体的粘性耗散，因此土层中也存在着粘性使得能量消耗，于是试图用粘性 流体或粘弹性流体模型来模拟软粘土。一些学者把海洋土看成是单相物质，假设土体内。 部摩擦力正比于应变率。g a d e ( 1 9 5 7 ) 、d a l r y m p l e 和l i u ( 1 9 7 8 ) 首先提出把海床看成是不 可压缩的粘性流体，用粘性系数不同的两层流体模型来模拟波浪和底床的相互作用； z h a o 和j i a n g ( 1 9 8 8 ) 、m e i 和l i u ( 1 9 8 7 ) i 构粘塑性流体模型，以及h s i a o 和s h e m d i n ( 1 9 8 0 ) 、 m a a 和m e h t a ( 1 9 7 8 ) 贝j 把底床看成是具有v o g i t 体性质的不可压粘弹性泥层。以上这些 模型均把海洋土看成是单相体，适用于研究土质比较软的淤泥质土床上的波浪衰减问 题，但是这些模型不能反映土的渗透性及其位移、应力及孔隙水压力等物理量，这些物 理量的时间和空间分布对于分析底床稳定性是必不可少的。因此，人们提出把海洋土当 作多孔介质来处理。 p u m a m ( 1 9 4 9 ) 、r e i d 和k a j i u r a ( 1 9 5 7 ) 、l i u ( 1 9 7 3 ) 、m a s s e l ( 1 9 7 6 ) u ，j 和s l e a t h ( 1 9 7 0 ) 等 人把土骨架看成是多孔刚性体，孔隙水不可压缩，其流动符合d a r c y 定律。认为孔隙水 压力与海床的渗透性无关，满足l a p l a c e 方程，控制着介质中流体的运移，其主要针对 无限深和有限深海床进行了研究。 n a k a m u r a ( 1 9 7 3 ) t 18 1 、m o s h a g e n 和t o r u m ( 1 9 7 5 ) 1 9 】、p r e v o s t ( 1 9 7 5 ) t 2 0 】等人也将海床看 成是不变形多孔介质，但考虑了孔隙水的可压缩性，孔隙水压力满足热传导方程。他们 得到的结论认为超静孔隙水压力强烈的依赖于海床介质的渗透性，在渗透性小的细颗粒 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 土体中，超静孔隙水压力迅速衰减，且与波浪有相位滞后现象。n a k a m u r a 等人的理论 结果与试验结果相比较，在超静孔隙水压力的量值和相位滞后上都有很好的一致性。 m o s h a g e n 和t o r u m ( 1 9 7 5 ) 基于孔隙水可压缩的假定，研究了波浪引起的多孔介质中的渗 流运动，他们发现在波浪引起的海床内的渗流分析中，如果考虑了孔隙流体的可压缩性， 将会明显改变超静孔隙水压力值的大小。p e r v o s t 等人( 1 9 7 5 ) 的研究结果认为，超静孔隙 水压力与从l a p l a c e 方程中得到的结果完全一致，因而不依赖土的渗透性，此结论在物 理上似乎不合理。 以上两种模型都假设海床为刚性介质，因此无论是否考虑孔隙水的可压缩性，都没 有考虑土骨架运动变形以及孔隙水渗流的耦合，这样得到的超静孔隙水压力只是局限于 特殊情况。比如，由第一类模型得到的l a p l a c e 方程适用于渗透性非常好的海床，如粗 砂质海床；而由第二种模型得到的扩散方程适用于海床非常硬而且渗透性比较弱的海 床，如粘土质海床。除此之外，这两种模型都不能给出海床内有效应力分布和土体位移。 第三类模型是基于b i o t 固结理论建立的。该模型把土骨架看成是可变形的多孔弹性 介质，并且考虑了可压缩孔隙水压力与土骨架的相互作用。k o n i n g ( 1 9 6 8 ) 首先提出了应 用b i o t 固结理论研究波浪作用下的海床响应问题。y a m a m o t o ( 1 9 7 7 ，1 9 7 8 ，1 9 8 0 ， 1 9 8 1 ) t 2 i - 2 4 】根据b i o t 理论，假设海洋土的土骨架是各向同性的弹性体，符合h o o k e 定律， 孔隙流体的运动符合d a r c y 定律，分别考虑了孔隙水和土骨架的应力应变关系及其响应， 给出了超静孔隙水压力和有效应力所满足的方程，并且得到了当多孔介质的刚度远小于 孔隙流体的刚度时，土体的响应则不依赖于渗透系数，且没有相位滞后。 y a m a m o t o ( 1 9 8 1 ) 2 2 】还针对成层的多相均匀土层给出了解析解，并与试验进行了比较，得 出了满意的结果。m a d s e n ( 1 9 7 8 ) 将位移、应力和孔压等变量以复数形式表达，采用线性 推进波理论得到了渗流各向异性的非完全饱和的无限厚度海床中超静孔隙水压力和有 效应力的解析解，得出了不同方向渗透系数对粗粒土的影响要大于细粒土，饱和度和孔 隙水的压缩性不可忽略等结论。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 波浪作用下置管海床响应解析及数值研究进展 1 2 4 1 埋置管线问题 l a i 等人( 1 9 7 4 ) 口5 】在可渗刚性海床的假定下，利用有限差分法和有限单元法对海底 埋设管线所受的波浪力进行了数值计算。基于同样的假定，l e n n o n ( 1 9 8 5 ) t 2 6 利用数值方 法对该问题进行了研究。m a e p h e r s o n ( 1 9 7 8 ) 对海底埋置管线在无限深海床情况下求得了 解析解。m e i 和f o d a ( 1 9 8 1 a ，1 9 8 1 b ) 给出了相近的分析结果，在可渗、可变形海床的假定 下，利用b i o t 方程对置于海床上和半埋于海床中的管线与土的相互作用进行了研究，给 出了解析解。在研究中，提出了海床反应的边界层理论，其边界层模式把海床分成深层 和表面边界层两部分，即在靠近海底的一个薄层中，孔隙水与土骨架作整体运动，孔隙 水压受一维太沙基固结方程控制，可以用b i o t 固结理论计算，除此薄层外，土骨架和孔 隙水作整体运动，可以按不排水条件考虑，利用经典弹性理论对问题进行研究。其结果 从另一个角度揭示了波浪作用下细砂床面附近土层反应情况。但是在该研究中管线是固 定在海床表面上的。 m c d o u g a l 等人( 1 9 8 6 ) 对无限深海床中的管线利用保角变换法求得了解析解。： m o n k m e y e r 等人( 1 9 8 3 ) 对有限深海床情况求得解析解。这些研究的共同特点是忽略土介 质变形和水的压缩性影响。k o k k i n o w r a e h o s ( 1 9 8 5 ) 考虑了土介质的变形和孔隙水压缩性 的影响，从b i o t 方程和流体的连续方程出发，利用宏单元法求得了半埋入海床中管线周 围的渗流压力。 c h e n g 和l i u ( 1 9 8 6 ) 对埋于海床中的非固定管线，用边界元法对海床中的应力、孔隙 水压进行了数值和实验研究，除了短周期波的情况外，数值结果与实验结果基本一致。 m a g d a ( 1 9 9 0 ) 2 7 】也采用了有限单元法，研究的情况与c h e n g 和l i u ( 1 9 8 6 ) 的比较相近， 只是考虑了不同饱和度的影响。 邱大洪等( 1 9 8 6 ) 基于热传导方程，对埋置于有限及无限深海床中的管线，利用映像 法给出了作用于其上的波浪渗流力解析解，得到了一些有价值的结论。当管线埋置区域 水深较浅时，波浪的非线性影响可能会非常显著。邱大洪等( 1 9 8 7 ) 2 8 】基于一阶椭圆余弦 波浪理论给出了无限深海床中埋置管线上的非线性波浪渗流力的解析解。计算结果表 明，当周期较长的波浪进入浅水区后，由于水深的影响，引起了波浪的变形，将使海底 埋设管线受到较大的波浪渗流力，特别当波浪周期长且相对波高( 波高水深比) 也较大时， 波浪渗流力的增大也相当可观。以上所研究的是埋置管线周围的渗流场问题以及所引起 的升力，对于管线周围其他的响应问题，如有效应力和土体的位移，并没有进行讨论。 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 j e n g 和l i a n g ( 2 0 0 0 ) t 2 9 】在曲线坐标系下用有限差分法系统地研究了埋置管线周围的 孔压分布以及土体的位移等。基于该模型，并运用m o h r - c o u l o m b 准则，定性地研究了 波浪所引起的海床失稳问题。所有以上的研究集中在埋置管线与土体的相互作用问题， 对于裸置管线与波浪、土体的耦合作用问题，相对来说还比较少。 1 2 4 2 裸置管线问题 m e i 和f o d a ( 1 9 8 1 ) 运用边界层理论研究了管线、波浪、土体之间的相互作用问题， 本构模型为多孔弹性模型，重点考虑的是管线下方海床中的应力分布问题，但是海床为 均质土体且为有限深，管线是固定在海床表面的。 j e n g 等( 1 9 9 9 ) t 3 0 】采用有限单元法对裸置于海床上的管线下方土体的响应问题进行了 研究，土体的本构模型为多孔弹性模型，并且土的渗透系数以及剪切模量是与深度相关 的函数，即为g i b s o n 土【3 。在计算中，没有考虑管线所受波浪力，也没有考虑土体的 重度，因而没有对管线附近土体的液化进行探讨。 中科院力学所徐达能等对管土相互作用进行了有限元分析。所建立的有限单元模型 认为管线基础的稳定性分析是一个平面应变问题，管土系统处在波浪荷载的周期性作用 下，为简化计算，假定系统处于准静态。同时假定土体的破坏遵从m o h r - c o u l o m b 强度 准则。管与土紧密接触，在管土系统自重及环境荷载共同作用下，当土中应力超过强度 极限值时，就认为土体发生破坏，系统失稳。该研究只局限于土体中的应力计算。 中科院力学所吴鑫 3 2 】的主要内容是：管线在自重和静水压力作用下会产生静沉降， 当管线的垂直方向上的外荷载和土体的局部极限承载力相等时，静沉降终止；然后，管 线在环境流体动力荷载的作用下产生附加沉降，应用总应力分析方法和有限元方法对管 土系统进行准静态计算，此时，用静力荷载来模拟环境流体动力荷载，土体的应力应变 关系采用非线性弹性本构关系即d u n c a n c h a n g 模型。其计算结果和有关试验的结论基 本是相一致的，并且还得出，随着管线沉降量的增加，作用在管线上的侧向阻力将增大， 侧向阻力的增大主要来自于土体的被动土压力的水平分量。但是他的计算依旧是静态载 荷作用下的计算，也没有考虑管线与土体之间所存在的接触面的影响。 y o n g b a i ( 1 9 9 9 ) t 3 3 】等采用的有限单元模型主要用来分析海洋管线的在位稳定性。管 线的加载历史由一个或几个连续的加载条件组成，例如：管线的铺设，管线运行时的行 为，动态波浪和海流的联合荷载。在进行分析时，管线采用三维弹塑性梁单元来模拟， 材料模型采用的是r a m b e r g - o s g o o d 模型，对海床土体的模型没有进行详尽的描述，但 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 由于海床的不平坦性，因此所模拟的海床是三维的。在他的研究中主要考虑的是管线的 变形行为。 中科院力学所的任艳荣【1 3 4 - 3 6 用a b a q u s 对裸置管线进行了有限元分析。对于海床 体分别使用了d u n c a n - c h a n g 模型、多孔弹性模型、r a m b e r g - o s g o o d 模型等进行了模 拟。用d u n c a n c h a n g 模型，主要考虑了不同管重、不同直径的管线在不同环境载荷( 静 态) 作用下的行为。然后环境载荷以正弦波的形式施加到管线上，计算了在半动态情况 下管线的行为。用多孔弹性模型时，计算了不同波浪参数和土体参数对管线稳定性的影 响。考虑到土体是一种弹塑性材料，受力后既包括弹性变形，又包括塑性变形，加之所 受的载荷性质是动态的，因此也采用了弹塑性模型，即r a m b e r g - o s g o o d 模型作为土体 的本构模型来进行计算，初步探讨了管线的行为。她的研究中，相对于波长，土体的模 型尺寸取的偏小，其结果可能受边界效应影响较大，不能全面反应半无限海床中的超静 孔隙水压力分布情况。另外，所建立的a b a q u s 模型均没有考虑土体的自重，因此也 没有考虑管线周围的砂土液化问题。 1 3 本文研究内容 在阅读大量文献的基础上，用a b a q u s 有限元分析软件，对砂质海床上的裸置管 线进行数值模拟。主要研究了在动态波浪荷载的作用下，管线海床系统的反应，包括 海床中的超静孔隙水压力有效应力反应，以及在此基础上所进行的瞬时液化分析。 论文第一章主要介绍了问题的研究背景及国内外海底管线稳定性分析的研究现状 和发展动态。 论文第二章介绍了本文所采用的模型尺寸、土体边界条件及管线约束条件。简单介 绍了常用波浪理论及波浪荷载经验公式。介绍了a b a q u s 有限元软件及模型在 a b a q u s 中的建立方法，包括接触的定义、单元选取原则及网格的划分。 论文的第三章将海床土体视为多孔弹性模型，采用摩擦接触理论考虑管线与海床表 面之间的接触作用，通过对边界条件及约束的设定，以及通过用户自定义子程序对波浪 荷载在管线及海床上的施加，建立了波浪管线海床相互耦合的有限元计算模型。分别 考察在海水深度、波浪高度、波浪周期、波浪理论、管线外形参数( 管重及管径) 及土 性参数( 渗透系数及变形模量) 等因素的影响下，自由海床及置管海床中的超静孔隙水 压力及有效应力的分布情况，并且与前人工作进行对比。 论文的第四章将海床视为g i b s o n 非均质土体进行研究。通过将a b a q u s 中的温度 变量作为中间变量，实现海床中渗透系数及剪切模量随海床深度的变化而变化。分别考 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 察渗透系数单独变化、剪切模量单独变化及二者同时变化时，自由海床及置管海床中超 静孔隙水压力和竖向有效应力的变化情况，并与均质土体的情况进行对比。 论文的第五章考虑土体及孔隙水的自重，对波浪作用下管土系统中砂质海床的瞬时 液化进行分析。基于面向对象的p y t h o n 语言对a b a q u s 后处理结果进行二次开发，从 计算得到的总孔隙水压力中提取超静孔隙水压力，并根据一定的液化判断准则将所得到 的超静孔隙水压力与a b a q u s 后处理结果中的初始竖向有效应力相结合进行计算，进 而得到海床在波浪作用下的瞬时液化区域、最大液化深度及液化出现的时刻。分别考察 渗透系数、波浪高度及管线外形参数对管土系统中的砂质海床瞬时液化的影响。 论文第六章总结了本论文的研究成果，指出研究中存在的不足，提出今后进一步研 究需要完善的方面。 大连理工大学硕士学位论文 2 有限元计算模型 2 1 管土模型 2 1 1模型尺寸 由于海床土体是一个半无限空间体，所以在计算中只能选取部分区域作为计算模 型。在以往的计算中，j e n g 等人【3 0 】所取的海床宽度等于作用于海床表面的波浪的波长， 深度约为1 2 波长；任艳利1 】所取的海床尺寸为：水平方向为管径的2 0 倍，垂直方向为 管径的1 0 倍，即2 0 x 1 0 d 。参考已有的研究结果，并通过大量的计算比较，本文作者认 为：为了避免边界效应对计算结果的影响，海床水平方向的取值应略大于半个波长，竖 直方向的取值应略大于水平方向的1 2 。这样选取的模型尺寸，在计算结果中可以查看 到在半个波长的波浪作用下，超静孔隙水压力的分布云图，并且管线附近海床中的超静 孔隙水压力受两端不透水边界的影响很小，比较接近于实际情况。 由于本文所取的波浪的波长为1 2 1 1 m ，根据本文作者大量的试算，本文的海床尺寸 取值为：水平方向取8 0 m ，竖直方向取5 0 m 。模型尺寸如图2 1 所示。 z 厶 “儿i 浪 瓤j 一j 、 = 一7 r h = 5 0 m 海床土体 静水平面 一v l=80rr 刚性不透水海床底面 图2 1 模型尺寸 f i g 2 1 m o d e ld i m e n s i o n 2 1 2 土体边界条件 为了更加接近于实际情况，本文对模型的边界做如下约束：海床底面设置水平和垂 直两个方向的约束，认为海床底面没有位移，不透水边界条件，即在z = 一h 处，材。= 0 ， 砂质海床上海底管线稳定性的数值分析 w s = 0 ，譬= 0 ；海床两个侧面为水平方向约束，允许有竖向位移而没有水平位移，不 透水边界条件，即在x - - - - 妻处，= o ，罢= 0 ；海床表面为自由边界条件，允许有水 ：z戗 平位移和竖向位移，透水边界条件，海床表面处的超静孔隙水压力等于此处的波压力。 土体位移约束如图2 2 所示。 图2 2 管土模型边界条件 f i g 2 2 b