力學大會2015集海底管道與粘性土體多向耦聯(lián)相互作用模型

，（中國力學流固耦合系統(tǒng)力學，長輸海底管道在工作中通常處于高溫高壓狀態(tài)這是管道軸向應力產(chǎn)生的主要原因之一（Hobb,984）過高的軸向應力可導發(fā)進而危及管道安全。發(fā)生整體屈曲的海底管道受軸向和側(cè)向管土相互作用的綜合影響；具有較大軸向壓應和較小側(cè)向土阻力的管道尤其容易發(fā)生整體屈曲（P-etal.,2008；Gaoet埋深、土體應變率（Randolphet生“楔形效應”導致軸向土阻力的增大（White&Randolph,。針對單純的側(cè)向管土相互作用，Wagner式認為側(cè)向土阻力是庫侖摩擦阻力和土壓力之和。Gaoet述床面坡度對土阻力影響的經(jīng)驗。Chatterjeeet etal.，圖1整體屈曲時的管土相互作用示意針對水平粘性床面上的部分嵌入管段，提出了一種考慮多向載荷耦合的管土相互作用理論分析模型，分析了軸向管土相互作用對管段側(cè)向承載力的影響。借助該模型，可描述軸向和側(cè)向管土相互作用機理，并對不同方向上的極限土阻力進為研究為向產(chǎn)生較大位移，即管段發(fā)生失穩(wěn)。Han&對土內(nèi)滑移體的劃分方法，分別以水平方向、垂直方向以及管道軸向xyz方向建立右手坐標系，土體內(nèi)部的滑移機構(gòu)如圖2所示。剛塑性破壞準則，并以粘聚力c作為其抗剪強度。圖2（a）R為管道外半徑；θ為l1BCl2ACl3DClpAD，ζ1ACD，ζ2CAD?；泼鍭C始終垂直于床面。滑移體的運動方向在矢量為v1、v2；同時，ABC、ACDz軸正方向各自具有位移增量矢量w1w2。滑移體受力如圖2（b）所示。WABC、WACD分別為z軸方向上單位長度土體ABC和ACD的水下重量。在管土界面與土體內(nèi)滑動Ni、fi、fiz分別z軸方向上單位長度滑移面如圖2（a）所示）：ε主要控制滑移區(qū)的深度（θεπ/2）；β控制滑移區(qū)的寬（0βπ2）將模型中的滑移機構(gòu)根據(jù)滑移區(qū)深度的不同劃分為如下三類：（1）當ε0時，DC平行于床面方向，稱為淺層滑移（圖3（a））；當0εθ時，DC為管道表面過D點的切線方向，稱為第I類滑移（圖2（a））；當θεπ/2時，DC平行于管道表面過E點的切線方向，稱為第II類滑移（圖3（b））（Han&Gao，2013）。ε、β取值的確定方法將在下文中給

f1z fpzf2z

其中，滑移面上的剪力應與相對運動方向平行反向?；泼嫔先蚴芰εc滑移體重力

1 fclv/v2w2 1 1 clw/v2w2 1 fclvcosβvcosζ/vcosβ cosζ2ww20

clww/vcosβ cosζ2ww20

3 fclv/v2w2 3 clw/v2w20 3 fPtanδNpfPztanδNp

0.5l2tan

2sinζζ

cos

第I類滑 第II類滑θε 2Rsinε/2θ/ Rcosεcosθ2Rsinε/2θ/ π/

2Rsinε/2θ/sinεtanε)/cosβR(cosεcosθsinθtanεsinεtanε)2Rsinε/2θ/2sinζ2/sinζ1

θεπ/2R2Rsinθtanε/cosβ2Rsinθtanεπ/2 cosAv/v2w20 cosAv/v2w20 cosAvcosβvcosζ/vcosβ cosζ2ww20

利用管道橫截面方向的平衡方程

C1C1D1n Np表達式的形式可以看出，滑移體重力Np的影響僅體現(xiàn)在其做功方面，這是由于

sinA=l2sin

1l31l1 sinA3

ζζ

cllsinζ tanδcosωcosζcllsinβcllsinζ 21 1 2 1 P=Np/ 的土阻力P可由式（7）、（9）、（10）求出。P在整體坐標系下的方向與δ、ω、ε相關(guān)。為了將方向參數(shù)減少為2個，定λ為P沿床面分量與管道橫截面的夾角。sinζsin2βcos2β2clcosβclsin2βclcosβcl

/

2 2 ω

δ 真實的β應Np取得最小值，故由dNpdβ0

/：εkθ1kπ/2κ21kθ/π1k 參考Wagneretal.在 k=0.25。模型對管道承載力的預測結(jié)果與軟粘土上的機械加載實驗結(jié)果對照如表2e為實驗H、V分別為管道模型在水平、豎直方向上受到的凈載PExp為加載實驗測得的土阻力值PMod為在相同土阻力方向下，由該滑移模表2工況工況工況R e θ(o H(kN/ V(kN/ PExp(kN/ PExp/ 上一節(jié)已經(jīng)提到，軸向管土相互作用由于不涉及土壓力，其作用力上限較小。有關(guān)。以cpcpc。若界面滑移首先發(fā)生時，管土界面尚未發(fā)生脫離，軸向極限土阻力Pa表示如下（其中，θ采用弧度制）： PbedPaxip p對應的土阻力合力大?。?/p>

fpfpzNp）為

P'Pbed=

對比式（10）與式（17）PP，則說明軸向管土界面滑移先發(fā)生，此時，以式（17）計圍盡可能大，假設(shè)管土界面粘聚力等于土內(nèi)粘聚力，即cpc。則無量綱時相應的無量綱PcD反而增大。這是由于在η恒定的條件下，κ隨λ的增大而減小，滑移區(qū)隨之向發(fā)展，導致承載力增大。而在發(fā)生軸向管土界面滑移時，隨為PcD的明顯減小。極限土阻力根據(jù)所觸發(fā)滑移類型的不同，體現(xiàn)為隨λ先增后減的圖5表示極限土阻力沿管道橫截面的無量綱PseccD與管道軸PaxicD的關(guān)系?？梢妰蓚€分量彼此成負相關(guān)關(guān)系，但軸向土阻力分量對PseccD的影響較?。é?0o時Ps最多降低10%）。部分嵌入管道的軸向土阻力上限值較低，導致無法充分影增強，圖中κ40o對應的曲線，其右端斜率接近-見性海部分嵌入土體的管道，提出了一種考慮多向載荷耦合的管土相互作用模型，并致謝本研究得到國家自然科學基金面上項目資助（編號 ）BrennoddenH,LiengJT,SotbergT.Anenergy-basedpipe-soilin ctionmodel.Houston:OffshoreTechnologyConference,1989BrutonDAS,BoreasA,WhiteDJ,CarrM,CheukJCY.Pipe-soilinctionduringlalbucklingandpipelinewalking-thesafebuckJIP.Houston:OffshoreTechnologyConference,2008.ChatterjeeS,WhiteDJ,RandolphMF.Numericalsimulationsofpipe-soilinctionduringlargelalmovementsonclay.Géotechnique,2012,62:693-705DetNorskeVeritas.Globalbucklingofsubmarinepipelinesstructuraldesignduetohightemperature/highpressure.DNVmendedPracticeDNV-RP-F110.GaoFP,HanXT,CaoJ,ShaY,CuiJS.Submarinepipelinelalinstabilityonaslosandyseabed.OceanEngineering,2012,50:44-52HobbsRE.In-servicebucklingofheatedpipelines.JournalofTransportationEngineering,1984,110(2):175-HsuTW,ChenYJ,WuCY.Soilfrictionrestraintofobliquepipelinesinloosesand.JournalofTransportationEngineering,2001,127(1):82-87HanXT,GaoFP.Apipe-soilinctionmodelforanti-rollingpipelineon-bottomstabilityonaslosandyseabed.Alaska:ProceedingsoftheTwenty-thirdInternationalOffshoreandPolarEngineering,2013NasserD,ShawnK,RyanP,RaduP.Investigatingpipeline-soilinctionunderaxial-la lrelativemovementsinsand.CanadianGeotechnicalJournal,2011,48:1683-1695RandolphMF,WhiteDJ,YanY.Modellingtheaxialsoil ondeep-waterpipelines.Géotechnique,2012,62:WhiteDJ,RandolphMF.Seabedcharacterisationandmodelsforpipeline-soilinction.Lisbon:ProceedingsoftheSeventeenthInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,2007,758-769WagnerDA,MurffJD,BrennoddenH,SvegenO.Pipe-soilin ctionmodel.JournalofWaterway,Port,CoastalandOceanEngineering,1989,115(2):205-220APIPE-SOILIN CTIONMODELFORMULTI-DIRECTIONLOADINGONASUBMARINEPIPELINEPARTIALLYEMBEDDEDINACLAYEYSEABEDWANGNingGAO(KeyLaboratoryforMechanicsinFluidSolidCouplingSystems,InstituteofMechanics,AcademyofSciences,Beijing100190,)Theglobalbucklingofthesubmarinepipeline,whichinvolvestheaxial,la landverticalsoilappliedonthepipe,isacouplingprocessofthela landaxialpipe-soilin ction.Apipe-soil ctionmodelconsideringthecouplingeffectsofloadingsinmulti-directionisproposed.Themodelisforthepartiallyembeddedpipeonhorizontalclayeyseabed.Therelationshipbetweentheaxialandla lpipe-soil ctionisthen ysed