海底管線在海底的穩(wěn)定性

1、n影響海底管線穩(wěn)定性的因素影響海底管線穩(wěn)定性的因素 在管線穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)過程中需考慮以下因素：在管線穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)過程中需考慮以下因素：1.波浪和水流的作用對(duì)管線穩(wěn)定性的影響；波浪和水流的作用對(duì)管線穩(wěn)定性的影響；2.由于管線基床底部不平整，引起管線在水流作用由于管線基床底部不平整，引起管線在水流作用下的穩(wěn)定性問題；下的穩(wěn)定性問題；3.管線地基穩(wěn)定性引起的問題；管線地基穩(wěn)定性引起的問題；4.管線浸入海底時(shí)的負(fù)浮力和浮力對(duì)管線穩(wěn)定性的管線浸入海底時(shí)的負(fù)浮力和浮力對(duì)管線穩(wěn)定性的影響。影響。 有時(shí)還要考慮流冰作用和地震的影響。有時(shí)還要考慮流冰作用和地震的影響。n對(duì)水深大于或等于對(duì)水深大于或等于0.5倍

2、波長(zhǎng)的深水區(qū)，倍波長(zhǎng)的深水區(qū)，或大于或大于30-40米水深時(shí)，因波浪作用力很米水深時(shí)，因波浪作用力很小，一般可不予考慮；小，一般可不予考慮；n但在淺水區(qū)（水深小于但在淺水區(qū)（水深小于0.5倍波長(zhǎng)）則必倍波長(zhǎng)）則必須考慮波浪對(duì)管道作用的影響。須考慮波浪對(duì)管道作用的影響。n海流（包括潮流、風(fēng)海流、波浪破碎產(chǎn)生海流（包括潮流、風(fēng)海流、波浪破碎產(chǎn)生的沿岸流和離岸流）對(duì)管道的作用和影響的沿岸流和離岸流）對(duì)管道的作用和影響是不可忽視的。他們都是管線穩(wěn)定性計(jì)算是不可忽視的。他們都是管線穩(wěn)定性計(jì)算中的水動(dòng)力荷載。中的水動(dòng)力荷載。n由于管線基床底部不平整，引起管線在水由于管線基床底部不平整，引起管線在水流作用下

3、的穩(wěn)定問題，一是當(dāng)管線懸空時(shí)流作用下的穩(wěn)定問題，一是當(dāng)管線懸空時(shí)防止卡爾曼渦旋振動(dòng)與管線產(chǎn)生共振現(xiàn)象，防止卡爾曼渦旋振動(dòng)與管線產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而引起管線失穩(wěn)，另一是管線支墩地基基而引起管線失穩(wěn)，另一是管線支墩地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定問題，管線從凹凸不平的海床上礎(chǔ)的穩(wěn)定問題，管線從凹凸不平的海床上通過時(shí)，將在管道中引起懸空和彎曲應(yīng)力，通過時(shí)，將在管道中引起懸空和彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致管線產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中而損壞導(dǎo)致管線產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中而損壞 管線底面地基對(duì)管線穩(wěn)定性的影響，主管線底面地基對(duì)管線穩(wěn)定性的影響，主要有三個(gè)方面：要有三個(gè)方面：n1管線鋪設(shè)在管線溝槽內(nèi)或基床上，地基管線鋪設(shè)在管線溝槽內(nèi)或基床上，地基承載力

4、影響的管線穩(wěn)定性問題；承載力影響的管線穩(wěn)定性問題；n2管線底面海底受水流等沖刷影響的穩(wěn)定管線底面海底受水流等沖刷影響的穩(wěn)定性問題；性問題；n3管線地基基礎(chǔ)受液化、震陷、泥流、滑管線地基基礎(chǔ)受液化、震陷、泥流、滑動(dòng)影響而產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。動(dòng)影響而產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。n在水流對(duì)管線地基的沖刷作用中，底流速的大在水流對(duì)管線地基的沖刷作用中，底流速的大小是重要的水動(dòng)力因素，而抵抗底流速?zèng)_刷的小是重要的水動(dòng)力因素，而抵抗底流速?zèng)_刷的是地基土本身的物理力學(xué)性質(zhì)，特別是土的粒是地基土本身的物理力學(xué)性質(zhì)，特別是土的粒度成分和粘聚力對(duì)不同類型土有不被沖刷的底度成分和粘聚力對(duì)不同類型土有不被沖刷的底流速，稱為流速，稱為

5、“允許沖刷流速允許沖刷流速”，凡波浪、潮流，凡波浪、潮流等因素引起的底流速小于地基土的允許沖刷流等因素引起的底流速小于地基土的允許沖刷流速，則該地基土不會(huì)被沖刷，地基土就處于穩(wěn)速，則該地基土不會(huì)被沖刷，地基土就處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之就有可能引起地基土被沖刷，使定狀態(tài)，反之就有可能引起地基土被沖刷，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)有可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定情其處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)有可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定情況應(yīng)該采取工程措施（更換地基土，加大顆粒況應(yīng)該采取工程措施（更換地基土，加大顆粒粒徑或其他措施）來(lái)保證其穩(wěn)定性。粒徑或其他措施）來(lái)保證其穩(wěn)定性。 n管線埋深管線埋深n將管線埋置到土中一定深度，避免管線直接接受將管線埋置到土中

6、一定深度，避免管線直接接受波浪、潮流作用是保持管線穩(wěn)定經(jīng)常采用的方法。波浪、潮流作用是保持管線穩(wěn)定經(jīng)常采用的方法。一般管線埋置深度取管頂以上一般管線埋置深度取管頂以上1.5-2.0m，特殊地，特殊地段甚至需要段甚至需要4-6m，埋置深度取決于該地區(qū)波浪、，埋置深度取決于該地區(qū)波浪、潮流的大小，主要與管線穿越區(qū)域航道、碼頭前潮流的大小，主要與管線穿越區(qū)域航道、碼頭前沿、錨泊區(qū)、漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等影響有關(guān)，沿、錨泊區(qū)、漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等影響有關(guān)，有時(shí)還需要考慮管線溝槽開挖、埋設(shè)回填等施工有時(shí)還需要考慮管線溝槽開挖、埋設(shè)回填等施工方法方法n管線埋置深度的確定歸納起來(lái)有兩點(diǎn)考慮：管線埋置深度的

7、確定歸納起來(lái)有兩點(diǎn)考慮：n一是安全性考慮（包括波浪、潮流作用下的穩(wěn)定一是安全性考慮（包括波浪、潮流作用下的穩(wěn)定和拋錨深度），和拋錨深度），n二是施工方法考慮。二是施工方法考慮。n拋錨的深度與海底土質(zhì)、錨的重量和類型及水深拋錨的深度與海底土質(zhì)、錨的重量和類型及水深有關(guān)。一般小型漁船、噸位較小的交通艇使用的有關(guān)。一般小型漁船、噸位較小的交通艇使用的錨重量小，管線埋置深度在管頂以上錨重量小，管線埋置深度在管頂以上1.5-2.0m就就夠，當(dāng)管線穿越航道、碼頭前沿和錨泊區(qū)，管線夠，當(dāng)管線穿越航道、碼頭前沿和錨泊區(qū)，管線埋置深度就要埋置深度就要3.0m以上。以上。n從施工方面考慮管溝能不能挖，主要決定從施

8、工方面考慮管溝能不能挖，主要決定于土質(zhì)的堅(jiān)硬程度、水深大小和費(fèi)用。堅(jiān)于土質(zhì)的堅(jiān)硬程度、水深大小和費(fèi)用。堅(jiān)硬土層一般挖泥設(shè)備無(wú)法開挖，如用水下硬土層一般挖泥設(shè)備無(wú)法開挖，如用水下爆破或潛水員挖溝則費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，另外挖爆破或潛水員挖溝則費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，另外挖泥船工作水深也有限制，國(guó)內(nèi)一般挖泥船泥船工作水深也有限制，國(guó)內(nèi)一般挖泥船工作水深只有工作水深只有10-20m，只有大型抓斗式挖，只有大型抓斗式挖泥船的抓泥深度才能達(dá)到泥船的抓泥深度才能達(dá)到50m。 n海底管線在于有穿越巖礁地段或?qū)δ承┕芏涡杩睾５坠芫€在于有穿越巖礁地段或?qū)δ承┕芏涡杩刂圃谀骋缓线m的坡度時(shí)，宜采用管線墩座間隔地制在某一合適的坡度時(shí)，宜采

9、用管線墩座間隔地架空海底管線。對(duì)巖礁地段墩座的地基基礎(chǔ)穩(wěn)定架空海底管線。對(duì)巖礁地段墩座的地基基礎(chǔ)穩(wěn)定問題一般不大，但對(duì)非巖石地基則應(yīng)對(duì)墩座基礎(chǔ)問題一般不大，但對(duì)非巖石地基則應(yīng)對(duì)墩座基礎(chǔ)穩(wěn)定性給予適當(dāng)重視，對(duì)此應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)穩(wěn)定性給予適當(dāng)重視，對(duì)此應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)問題：?jiǎn)栴}： 1墩座基礎(chǔ)的地基承載力問題；墩座基礎(chǔ)的地基承載力問題； 2墩座基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性問題；墩座基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性問題； 3墩座基礎(chǔ)不被沖刷問題；墩座基礎(chǔ)不被沖刷問題； 4墩座之間的不均勻沉降問題；墩座之間的不均勻沉降問題； 5管線架空的跨長(zhǎng)問題。管線架空的跨長(zhǎng)問題。 海底管線路由條件的評(píng)價(jià)海底管線路由條件的評(píng)價(jià)n1工程地質(zhì)條

10、件的評(píng)價(jià)工程地質(zhì)條件的評(píng)價(jià) 詳細(xì)說明路由區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造背詳細(xì)說明路由區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造背景、海底狀況、底質(zhì)及其土工性質(zhì)等工程地質(zhì)條景、海底狀況、底質(zhì)及其土工性質(zhì)等工程地質(zhì)條件，特別要注意路由是否避開了不良工程地質(zhì)現(xiàn)件，特別要注意路由是否避開了不良工程地質(zhì)現(xiàn)象（如沖刷溝、淺層氣、海底塌陷、滑坡、泥流象（如沖刷溝、淺層氣、海底塌陷、滑坡、泥流巖礁、古河谷、活動(dòng)沙波、泥丘、鹽丘、軟土夾巖礁、古河谷、活動(dòng)沙波、泥丘、鹽丘、軟土夾層等）尤其是對(duì)那些無(wú)法回避的影響管線穩(wěn)定性層等）尤其是對(duì)那些無(wú)法回避的影響管線穩(wěn)定性的災(zāi)害底質(zhì)現(xiàn)象更應(yīng)詳細(xì)的分類描述，并指出對(duì)的災(zāi)害底質(zhì)現(xiàn)象更應(yīng)詳細(xì)的分類描述，

11、并指出對(duì)管線鋪設(shè)可能帶來(lái)的影響和應(yīng)采取的工程措施。管線鋪設(shè)可能帶來(lái)的影響和應(yīng)采取的工程措施。n2海洋動(dòng)力環(huán)境評(píng)價(jià)海洋動(dòng)力環(huán)境評(píng)價(jià) 分析路由各區(qū)段的氣象、波浪、潮汐、海流、分析路由各區(qū)段的氣象、波浪、潮汐、海流、水溫、海水及其特征值，并對(duì)可能影響電纜管道水溫、海水及其特征值，并對(duì)可能影響電纜管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)的海洋水動(dòng)力特征、及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)的海洋水動(dòng)力特征、及影響管線沖淤穩(wěn)定性的水文泥沙條件進(jìn)行詳細(xì)的影響管線沖淤穩(wěn)定性的水文泥沙條件進(jìn)行詳細(xì)的分析和計(jì)算。環(huán)境荷載的大小可參照中國(guó)船級(jí)社分析和計(jì)算。環(huán)境荷載的大小可參照中國(guó)船級(jí)社“海底管道系統(tǒng)規(guī)范海底管道系統(tǒng)規(guī)范”中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行分

12、析和中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析和計(jì)算。計(jì)算。n3工程地震條件的分析和研究工程地震條件的分析和研究 分析路由區(qū)的區(qū)域地震構(gòu)造及地震活動(dòng)性，分析路由區(qū)的區(qū)域地震構(gòu)造及地震活動(dòng)性，計(jì)算各潛在震源區(qū)的地震活動(dòng)性參數(shù)，包計(jì)算各潛在震源區(qū)的地震活動(dòng)性參數(shù)，包括括50年超越概率為年超越概率為10%的地震烈度值及基的地震烈度值及基巖地震動(dòng)水平峰值加速度值，估算海底電巖地震動(dòng)水平峰值加速度值，估算海底電纜管道路由在地震和波浪作用下砂土液化纜管道路由在地震和波浪作用下砂土液化的可能性，對(duì)路由工程強(qiáng)震區(qū)潛在的海底的可能性，對(duì)路由工程強(qiáng)震區(qū)潛在的海底滑坡和塌陷危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估?；潞退菸ｋU(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。n4腐蝕環(huán)境評(píng)價(jià)腐蝕環(huán)

13、境評(píng)價(jià) 包括底層水化學(xué)、沉積物化學(xué)、沉積物電阻率、包括底層水化學(xué)、沉積物化學(xué)、沉積物電阻率、沉積物中硫酸鹽還原菌、污損生物等生物化學(xué)環(huán)沉積物中硫酸鹽還原菌、污損生物等生物化學(xué)環(huán)境資料的收集和分析，供電纜管道防腐設(shè)計(jì)時(shí)參境資料的收集和分析，供電纜管道防腐設(shè)計(jì)時(shí)參考?？?。n5路由區(qū)海洋開發(fā)活動(dòng)的評(píng)述路由區(qū)海洋開發(fā)活動(dòng)的評(píng)述 特別是對(duì)路由區(qū)的漁業(yè)活動(dòng)，及與路由交越的海特別是對(duì)路由區(qū)的漁業(yè)活動(dòng)，及與路由交越的海洋油氣田，與已建海底電纜管道路由的交越點(diǎn)的洋油氣田，與已建海底電纜管道路由的交越點(diǎn)的位置及周圍環(huán)境應(yīng)作詳細(xì)描述。位置及周圍環(huán)境應(yīng)作詳細(xì)描述。n6管線在海底的穩(wěn)定性、沖刷下沉可能性管線在海底的穩(wěn)定

14、性、沖刷下沉可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)行評(píng)價(jià)。管線在海底的穩(wěn)定性分析和計(jì)算方法管線在海底的穩(wěn)定性分析和計(jì)算方法n一、作用在海底管線上的水一、作用在海底管線上的水動(dòng)力動(dòng)力 置放在海床上的管線會(huì)受到穩(wěn)置放在海床上的管線會(huì)受到穩(wěn)流、振蕩流和波致力綜合的影響，流、振蕩流和波致力綜合的影響，這些力包括：這些力包括：（1） 管道在水中的重量和管子內(nèi)管道在水中的重量和管子內(nèi)含物的重量；含物的重量；n（2） 綜合阻力綜合阻力FD；n（3） 綜合升力綜合升力FL；n（4） 慣性力慣性力Fi； （5）管子和海床間的摩擦力）管子和海床間的摩擦力Fr。 n要使管道在海底上保持要使管道在海底上保持穩(wěn)定，作用在管子上所穩(wěn)定，作用

15、在管子上所有力的總和必須滿足下有力的總和必須滿足下列靜力平衡方程：列靜力平衡方程：水平力水平力X： FD + FiFrWsin = 0垂直力垂直力Y： N + FLWcos= 0n如果管子裸置在海床上，則側(cè)向阻力如果管子裸置在海床上，則側(cè)向阻力Fr與法向力與法向力N有以下關(guān)系：有以下關(guān)系：Fr= N式中式中 是管子表面和海床間的側(cè)向摩擦力系數(shù)。是管子表面和海床間的側(cè)向摩擦力系數(shù)。n聯(lián)立上面方程可得出：聯(lián)立上面方程可得出： FD +Fi + (Fl W cos ) =W sin W=（FD +Fi +Fl ）/ (cos + sin) n對(duì)于水平的海床，對(duì)于水平的海床，= 0 ，則上式成為：，則

16、上式成為： W=Fl +(FD +Fi)/ 上式可用來(lái)計(jì)算建造時(shí)充滿空氣和在工作時(shí)充滿被輸上式可用來(lái)計(jì)算建造時(shí)充滿空氣和在工作時(shí)充滿被輸送物質(zhì)的管道在水中的最小重量，如此重量與管道實(shí)際重送物質(zhì)的管道在水中的最小重量，如此重量與管道實(shí)際重量相符則認(rèn)為管道在水下是穩(wěn)定的，如管道在水中的實(shí)際量相符則認(rèn)為管道在水下是穩(wěn)定的，如管道在水中的實(shí)際重量小于這一計(jì)算值則應(yīng)考慮將管道埋入土中或采取加重重量小于這一計(jì)算值則應(yīng)考慮將管道埋入土中或采取加重措施。措施。 作用在海底管道上的水動(dòng)力計(jì)算作用在海底管道上的水動(dòng)力計(jì)算 n單位長(zhǎng)度上液流誘生的阻力（單位長(zhǎng)度上液流誘生的阻力（FD）和慣性）和慣性力（力（Fi）：）

17、：FD=CDDUU N/MFi= CM D2 N/Mn波浪作用在海底管道單位長(zhǎng)度上的水平力波浪作用在海底管道單位長(zhǎng)度上的水平力即兩者之和：即兩者之和： FT=FD+Fi n單位長(zhǎng)度上升力（又稱上舉力或浮托力）的計(jì)算單位長(zhǎng)度上升力（又稱上舉力或浮托力）的計(jì)算公式為：公式為：FL=CLDU2 N/M 式中式中 海水密度，海水密度，Kg/m3； CD垂直于管軸的阻力系數(shù)（或稱動(dòng)力阻力系數(shù)）；垂直于管軸的阻力系數(shù)（或稱動(dòng)力阻力系數(shù)）； CM慣性系數(shù)慣性系數(shù),根據(jù)實(shí)測(cè)確定；根據(jù)實(shí)測(cè)確定； CL升力系數(shù)；升力系數(shù)； D管道的有效外徑；管道的有效外徑； U垂直于管道軸線的波浪水質(zhì)點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)的水平速度垂直于管

18、道軸線的波浪水質(zhì)點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)的水平速度（m/s），），u為其絕對(duì)值。為其絕對(duì)值。n式中所以寫成式中所以寫成U U是由于作用力的方向和水質(zhì)點(diǎn)軌跡是由于作用力的方向和水質(zhì)點(diǎn)軌跡速度的方向相同，為表示不同瞬時(shí)的作用力的方向，故將速度的方向相同，為表示不同瞬時(shí)的作用力的方向，故將其中一個(gè)其中一個(gè)U U寫成寫成U，以便用剩下的，以便用剩下的U U 表示方向。表示方向。 n計(jì)算升力、阻力和慣性力時(shí)遇到的主要困計(jì)算升力、阻力和慣性力時(shí)遇到的主要困難是：確定升力系數(shù)、阻力系數(shù)和慣性系難是：確定升力系數(shù)、阻力系數(shù)和慣性系數(shù)。對(duì)穩(wěn)定流情況，阻力系數(shù)數(shù)。對(duì)穩(wěn)定流情況，阻力系數(shù)C CD決定于水決定于水流的雷諾數(shù)和管子表

19、面的粗糙度。流的雷諾數(shù)和管子表面的粗糙度。 Re CD CL CMRe5.010104 4 1.3 1.5 2.05.010104 4 Re1.010105 5 1.2 1.0 2.01.010105 5 Re2.510105 51.53Re/（310105 5）1.2Re/（510105 5） 2.02.510105 5 Re5.010105 5 0.7 0.72.5Re/（510105 5）5.010105 5 0.2 , H/d 0.2 時(shí)，時(shí)，U 一般采一般采用線形波理論計(jì)算；用線形波理論計(jì)算；n（2 2）當(dāng)）當(dāng)0.1d/L 0.2 時(shí)，時(shí)， U一般一般采用采用Stokes 五階段波理

20、論計(jì)算；五階段波理論計(jì)算； （3 3）當(dāng)）當(dāng)0.040.05d/L0.1 時(shí)，時(shí)，U一般采用一般采用橢圓余弦波理論計(jì)算。橢圓余弦波理論計(jì)算。 n當(dāng)僅考慮海流作用于海床管道時(shí)當(dāng)僅考慮海流作用于海床管道時(shí)，單位長(zhǎng)度管道上所承受，單位長(zhǎng)度管道上所承受的海流荷載由下式計(jì)算的海流荷載由下式計(jì)算 FDC=CDAUC2 N/M 式中式中 UC設(shè)計(jì)海流流速設(shè)計(jì)海流流速m/s; A單位管道長(zhǎng)度垂直于海流方向上的投影面積單位管道長(zhǎng)度垂直于海流方向上的投影面積(m2) 其余符號(hào)意義同前。其余符號(hào)意義同前。n當(dāng)僅考慮海流作用于海底管道當(dāng)僅考慮海流作用于海底管道，單位長(zhǎng)度上海流的升力，單位長(zhǎng)度上海流的升力FLC由下式給

21、出由下式給出 FLC=CLAUC2 N/Mn當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用時(shí)當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用時(shí)，上述，上述FDC和和FLC式中的海流速度式中的海流速度UC應(yīng)是波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和海流速度的矢量和。應(yīng)是波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和海流速度的矢量和。 二、二、管道在土中穩(wěn)定性分析管道在土中穩(wěn)定性分析n當(dāng)管道放置在海床上或埋入土中時(shí)，需對(duì)當(dāng)管道放置在海床上或埋入土中時(shí)，需對(duì)管道在垂直和水平方向上的穩(wěn)定性按靜力管道在垂直和水平方向上的穩(wěn)定性按靜力條件和通過表面波時(shí)引起的循環(huán)加載條件條件和通過表面波時(shí)引起的循環(huán)加載條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算 n1.1.管道的下沉和漂浮管道的下沉和漂浮n當(dāng)管道

22、部分或全部埋入時(shí)，在風(fēng)暴情況下它可能向上浮或下沉，這視當(dāng)管道部分或全部埋入時(shí)，在風(fēng)暴情況下它可能向上浮或下沉，這視管子的重量（包括內(nèi)含物）、土的密度和不排水抗剪強(qiáng)度而定。管子的重量（包括內(nèi)含物）、土的密度和不排水抗剪強(qiáng)度而定。n根據(jù)根據(jù)Ghazzaly(1975)的研究，可以在一定范圍內(nèi)選擇管子的比重使管的研究，可以在一定范圍內(nèi)選擇管子的比重使管道穩(wěn)定，可采用下列公式確定這一設(shè)計(jì)范圍：道穩(wěn)定，可采用下列公式確定這一設(shè)計(jì)范圍： 等效土的密度等效土的密度=管子和內(nèi)含物的重度管子和內(nèi)含物的重度R R2C/D 式中式中 R對(duì)單位容積管子上浮下沉的土阻力對(duì)單位容積管子上浮下沉的土阻力 Kg/m3； C重

23、塑（擾動(dòng)）土的抗剪強(qiáng)度重塑（擾動(dòng)）土的抗剪強(qiáng)度Kg/m2； D管的外徑管的外徑 (m)。n將上式兩邊都除以水的密度，就可按下式計(jì)算出平衡時(shí)管子比重的上將上式兩邊都除以水的密度，就可按下式計(jì)算出平衡時(shí)管子比重的上限和下限：限和下限： SG1SGSG2 式中式中 SG管子比重的許可范圍管子比重的許可范圍 SG1=SG土土 2C/D SG 的下限；的下限； SG2= SG土土 2C/D SG的上限的上限 2.2.海底土強(qiáng)度的減小海底土強(qiáng)度的減小n暴風(fēng)浪經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)加載作用可能使海底土暴風(fēng)浪經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)加載作用可能使海底土孔隙水壓力增大，其結(jié)果使經(jīng)受過循環(huán)加載后的孔隙水壓力增大，其結(jié)果使經(jīng)受過

24、循環(huán)加載后的海底土抗剪強(qiáng)度減小。此時(shí)確定管子穩(wěn)定性所需海底土抗剪強(qiáng)度減小。此時(shí)確定管子穩(wěn)定性所需的管子比重許可范圍時(shí)必須采用經(jīng)過擾動(dòng)后（即的管子比重許可范圍時(shí)必須采用經(jīng)過擾動(dòng)后（即減小了的）抗剪強(qiáng)度來(lái)代替原先不排水抗剪強(qiáng)度。減小了的）抗剪強(qiáng)度來(lái)代替原先不排水抗剪強(qiáng)度。要確定風(fēng)暴后土強(qiáng)度減小的情況需了解風(fēng)暴的作要確定風(fēng)暴后土強(qiáng)度減小的情況需了解風(fēng)暴的作用時(shí)間（歷程）和土強(qiáng)度特征。為此應(yīng)做動(dòng)三軸用時(shí)間（歷程）和土強(qiáng)度特征。為此應(yīng)做動(dòng)三軸試驗(yàn)及研究砂土液化的可能性。試驗(yàn)及研究砂土液化的可能性。 管線周圍的沖刷作用管線周圍的沖刷作用n潮流和（或）波浪會(huì)使管線周圍的海底土受到?jīng)_潮流和（或）波浪會(huì)使管線周

25、圍的海底土受到?jīng)_刷，特別是在破波帶以內(nèi)的淺水水域內(nèi)和海底底刷，特別是在破波帶以內(nèi)的淺水水域內(nèi)和海底底流速較大的海域中。這種沖刷作用可能更為明顯，流速較大的海域中。這種沖刷作用可能更為明顯，沖刷作用的強(qiáng)弱決定于海底沉積物的性質(zhì)，沉積沖刷作用的強(qiáng)弱決定于海底沉積物的性質(zhì)，沉積物顆粒間的粘聚力和與起動(dòng)臨界流速有關(guān)的平均物顆粒間的粘聚力和與起動(dòng)臨界流速有關(guān)的平均粒徑。對(duì)無(wú)粘性土來(lái)說是其平均粒徑，對(duì)粘性土粒徑。對(duì)無(wú)粘性土來(lái)說是其平均粒徑，對(duì)粘性土來(lái)說則是顆粒間的粘聚力。以及該海域的水動(dòng)力來(lái)說則是顆粒間的粘聚力。以及該海域的水動(dòng)力條件（特別是底流速的大?。l件（特別是底流速的大?。?。 n如果管線附近的潮

26、流大到足以引起沖刷作用的話，如果管線附近的潮流大到足以引起沖刷作用的話，那么其上覆的土層漸漸地沖蝕掉。如果海床是由那么其上覆的土層漸漸地沖蝕掉。如果海床是由易被沖蝕的粒狀沉積物構(gòu)成，在風(fēng)暴過后海底的易被沖蝕的粒狀沉積物構(gòu)成，在風(fēng)暴過后海底的水平拖曳力（液流誘生的阻力）和慣性力都增大水平拖曳力（液流誘生的阻力）和慣性力都增大了，沖刷作用就會(huì)揭掉覆蓋層把管線扒出來(lái)，被了，沖刷作用就會(huì)揭掉覆蓋層把管線扒出來(lái)，被掘出的管線可能被折斷或損壞。其后正在衰減的掘出的管線可能被折斷或損壞。其后正在衰減的暴風(fēng)浪可能把管道再次推入管溝并將其重新淹埋暴風(fēng)浪可能把管道再次推入管溝并將其重新淹埋起來(lái)，因此風(fēng)暴過后潛水員

27、在海底不一定能看到起來(lái)，因此風(fēng)暴過后潛水員在海底不一定能看到風(fēng)暴期間管道曾經(jīng)被抬起過或折斷過。對(duì)工程設(shè)風(fēng)暴期間管道曾經(jīng)被抬起過或折斷過。對(duì)工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說最關(guān)心的是在該海域的水動(dòng)力和底質(zhì)計(jì)人員來(lái)說最關(guān)心的是在該海域的水動(dòng)力和底質(zhì)條件下的最大可能沖刷深度。條件下的最大可能沖刷深度。 裸露管線沖刷分析n潮流和潮流和(或或)波浪會(huì)使管線周圍受到?jīng)_刷。若波浪會(huì)使管線周圍受到?jīng)_刷。若管線附近的潮流大到足可以引起沖刷作用，管線附近的潮流大到足可以引起沖刷作用，上面的覆蓋層將按下圖所示的方式漸漸地上面的覆蓋層將按下圖所示的方式漸漸地沖蝕掉，使管線暴露在海底，可能導(dǎo)致管沖蝕掉，使管線暴露在海底，可能導(dǎo)致管線的

28、懸空、位移和破壞。線的懸空、位移和破壞。 n(1).(1).沖刷分析沖刷分析 假定海面下潮流的方向是和管線走向的軸線相假定海面下潮流的方向是和管線走向的軸線相垂直。垂直。 按照二維勢(shì)能理論和按照二維勢(shì)能理論和CHAOCHAO和和HENNSSYHENNSSY提出提出的假設(shè)條件，從沖刷坑陷內(nèi)沖出的物料的假設(shè)條件，從沖刷坑陷內(nèi)沖出的物料q q為為: : 當(dāng)當(dāng) 式中：式中：-管線上方海域平靜的海面流速管線上方海域平靜的海面流速(m/s)(m/s) R- R-管線半徑管線半徑(m)(m) H- H-從管線中心算起的沖刷深度（從管線中心算起的沖刷深度（m m）RH qUHRHR022U0n平均噴入速度平均

29、噴入速度 U Uavgavg為：為： 當(dāng)當(dāng) n當(dāng)沖刷坑陷里的潮流的流速一旦大于外界當(dāng)沖刷坑陷里的潮流的流速一旦大于外界潮流的流速，就有沖蝕現(xiàn)象。潮流的流速，就有沖蝕現(xiàn)象。 由于沖刷由于沖刷段的不斷延擴(kuò)，好象沖刷范圍已到極限，段的不斷延擴(kuò)，好象沖刷范圍已到極限，沿外界段的流速恰好降到該點(diǎn)的剪切力沿外界段的流速恰好降到該點(diǎn)的剪切力b， 等于形成可沖蝕海床沉積物的臨界牽引等于形成可沖蝕海床沉積物的臨界牽引力力,下下表給出所要求表給出所要求e值。值。 RH 13212220RHRHRHRHURHUavg D50（mm）c （磅/英尺2） 4.000.08902.000.05131.000.03160.

30、750.02660.500.02150.250.01720.130.01660.100.01640.080.01620.050.0161中值粒徑與臨界牽引力的關(guān)系n在 已 沖 出 的 溝 內(nèi) ， 邊 界 剪 應(yīng) 力在 已 沖 出 的 溝 內(nèi) ， 邊 界 剪 應(yīng) 力 b b 為為: : b b= = 式中：式中： -海水密度海水密度 ,10kN/m,10kN/m3 3 - -摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)，0.01 0.01 根據(jù)達(dá)到?jīng)_刷平衡時(shí)的條件，利用以上函數(shù)關(guān)系可計(jì)算最大根據(jù)達(dá)到?jīng)_刷平衡時(shí)的條件，利用以上函數(shù)關(guān)系可計(jì)算最大沖刷深度沖刷深度H-R。 fUfavg28ff地基土液化可能性地基土液化可能性

31、飽和的砂土和粉土，在循環(huán)或振動(dòng)荷載（地飽和的砂土和粉土，在循環(huán)或振動(dòng)荷載（地震、波浪）作用下，容易發(fā)生液化，使土的剪震、波浪）作用下，容易發(fā)生液化，使土的剪切強(qiáng)度驟降，承載力近乎喪失，對(duì)管線工程危切強(qiáng)度驟降，承載力近乎喪失，對(duì)管線工程危害嚴(yán)重，因此需對(duì)地基土的液化可能性進(jìn)行評(píng)害嚴(yán)重，因此需對(duì)地基土的液化可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。價(jià)。 一、地震條件下的液化一、地震條件下的液化 可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法（可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法（建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB11-89)GB11-89)、抗液化剪應(yīng)力法、靜力觸探法（、抗液化剪應(yīng)力法、靜力觸探法（工工程地質(zhì)手冊(cè)程地質(zhì)手冊(cè)1992.21992.2）等方法進(jìn)行判別。）等

32、方法進(jìn)行判別。 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ11-89)規(guī)定，對(duì)飽規(guī)定，對(duì)飽和土進(jìn)行液化判別和地基處理，在地震烈度為和土進(jìn)行液化判別和地基處理，在地震烈度為6度度時(shí)一般情況下可不予考慮；當(dāng)?shù)刭|(zhì)年代為時(shí)一般情況下可不予考慮；當(dāng)?shù)刭|(zhì)年代為Q3及其及其以前，或飽和粉土的粘粒以前，或飽和粉土的粘粒(粒徑小于粒徑小于0.005mm的顆的顆粒粒)含量，含量，7度、度、8度和度和9度分別不少于度分別不少于10、13和和16%時(shí)，可判為不液化土層。據(jù)此，可對(duì)地基土?xí)r，可判為不液化土層。據(jù)此，可對(duì)地基土層進(jìn)行液化可能性初步判別，若判為液化土層，層進(jìn)行液化可能性初步判別，若判為液化土層，則需作進(jìn)一步判

33、別則需作進(jìn)一步判別 n1.1.按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別 在地面下在地面下15m15m范圍的粉土，符合下式要求，則認(rèn)為是范圍的粉土，符合下式要求，則認(rèn)為是可液化的。可液化的。N63.5N63.5NcrNcrNcrNcrNo0.9No0.90.1(ds0.1(dsdw)()1/2dw)()1/2式中：式中：N63.5-N63.5-飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值；飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值； Ncr- Ncr-液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；n No- No-液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，地震烈度為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，地震烈度為7 7n 8 8、9 9度

34、時(shí)分別為度時(shí)分別為6 6、1010、1616； ds-ds-飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m) dw(m) dw0 0 c-粘粒含量百分率，當(dāng)小于粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，均采或?yàn)樯巴習(xí)r，均采用用3。 n如果存在液化土層，根據(jù)各液化土層的深度和厚度，按下如果存在液化土層，根據(jù)各液化土層的深度和厚度，按下式計(jì)算液化指數(shù)：式計(jì)算液化指數(shù)：I ILELE d di iW Wi i式中：式中： I ILELE - -液化指數(shù)液化指數(shù) n-15mn-15m范圍內(nèi)每一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)；范圍內(nèi)每一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)； N Ni i、N Ncricri-分別為分別為i i點(diǎn)

35、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值；值；n d di i-i-i點(diǎn)所代表的土層厚度點(diǎn)所代表的土層厚度(m)(m)，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度；上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度； Wi-i土層考慮單位土層厚度的層位影響函數(shù)值（單土層考慮單位土層厚度的層位影響函數(shù)值（單位為位為m-1)，當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于，當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5m時(shí)應(yīng)采用時(shí)應(yīng)采用10, 等于等于15m時(shí)應(yīng)采用零值，時(shí)應(yīng)采用零值，5-15m時(shí)按

36、線性內(nèi)插法取值時(shí)按線性內(nèi)插法取值 nicriiNN11 存在液化土層的地基，存在液化土層的地基，應(yīng)根據(jù)其液化指數(shù)按下表劃分液化等級(jí)：應(yīng)根據(jù)其液化指數(shù)按下表劃分液化等級(jí)： 液化等級(jí)液化等級(jí)液化指數(shù)液化指數(shù)0I0ILELE550I01515液化等級(jí)液化等級(jí)輕輕 微微中中 等等嚴(yán)嚴(yán) 重重n2.2.按抗液化剪應(yīng)力判別按抗液化剪應(yīng)力判別 Seed等人認(rèn)為，地震時(shí)由基巖向土層等人認(rèn)為，地震時(shí)由基巖向土層傳播的剪切波，在土層中產(chǎn)生周期性變化傳播的剪切波，在土層中產(chǎn)生周期性變化的剪應(yīng)力的剪應(yīng)力e。如果在室內(nèi)對(duì)所需判別砂土。如果在室內(nèi)對(duì)所需判別砂土模擬地震時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，通過振動(dòng)三軸試模擬地震時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，通過振

37、動(dòng)三軸試驗(yàn)確定可液化土層的抗液化剪應(yīng)力隨液化驗(yàn)確定可液化土層的抗液化剪應(yīng)力隨液化破壞振次的變化關(guān)系，破壞振次的變化關(guān)系， 即可以得砂土發(fā)即可以得砂土發(fā)生液化時(shí)所需的抗液化剪應(yīng)力生液化時(shí)所需的抗液化剪應(yīng)力d，將其與，將其與地震剪應(yīng)力進(jìn)行比較，如果地震剪應(yīng)力進(jìn)行比較，如果de，砂，砂土可能發(fā)生液化，反之土可能發(fā)生液化，反之de，則不液，則不液化?；?n根據(jù)根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)工程地質(zhì)手冊(cè)(1992.2(1992.2第三版第三版)地震作用地震作用時(shí)等效平均剪應(yīng)力時(shí)等效平均剪應(yīng)力ee和砂土抗液化剪應(yīng)力和砂土抗液化剪應(yīng)力dd可可按下面公式計(jì)算：按下面公式計(jì)算： ee0.65k a0.65k amaxmax

38、 式中：式中：ee地震作用時(shí)的等效平均剪應(yīng)力地震作用時(shí)的等效平均剪應(yīng)力(kPa)(kPa) k k應(yīng)力折減系數(shù)應(yīng)力折減系數(shù)( (表表2)2) a amaxmax地面最大加速度地面最大加速度( (表表3)3) 深度深度dsds以上土層的天然容重以上土層的天然容重(kN/m3)(kN/m3) ds砂土所處的深度砂土所處的深度(m) gdsddCrv( )Crv( )NDrNDr式中：式中： d-d-砂土抗液化剪應(yīng)力砂土抗液化剪應(yīng)力(kPa)(kPa) Cr- Cr-應(yīng)力校正系數(shù)（表應(yīng)力校正系數(shù)（表4 4）；）；n( )( )NDrNDr - -相對(duì)密度為相對(duì)密度為DrDr的砂土在的砂土在等效應(yīng)力循

39、環(huán)次數(shù)等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N作用下室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)作用下室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的液化應(yīng)力比；的液化應(yīng)力比； v-地震前上覆土層自重有效壓力地震前上覆土層自重有效壓力(kPa)。 adc2adc2二、波浪荷載作用下液化二、波浪荷載作用下液化 根據(jù)根據(jù)Kenji IshiharaKenji Ishihara建議的方法進(jìn)行分析，建議的方法進(jìn)行分析，將土層抗液化強(qiáng)度將土層抗液化強(qiáng)度dd與波浪荷載振動(dòng)剪應(yīng)與波浪荷載振動(dòng)剪應(yīng)力力ww進(jìn)行比較，如果進(jìn)行比較，如果dwdw，土層可能，土層可能發(fā)生液化，反之發(fā)生液化，反之ddww，則不液化。，則不液化。n波浪荷載作用下土層的抗液化強(qiáng)度波浪荷載作用下土層的抗液化強(qiáng)度dd按下

40、式計(jì)算：按下式計(jì)算：d= CkCpCr( )d= CkCpCr( )N Nv v 式中：式中：CkCk考慮波浪荷載特點(diǎn)及殘余孔壓影響下考慮波浪荷載特點(diǎn)及殘余孔壓影響下的修正系數(shù)，取的修正系數(shù)，取0.850.85CpCp考慮主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)影響的修正系數(shù)，取考慮主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)影響的修正系數(shù)，取0.7 0.7 Cr Cr試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)，取試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)，取0.60.6( )( )N N試驗(yàn)得到的與一定破壞振次對(duì)應(yīng)的抗試驗(yàn)得到的與一定破壞振次對(duì)應(yīng)的抗液液 化剪應(yīng)力比化剪應(yīng)力比v v液化土層的上覆有效壓力液化土層的上覆有效壓力adc2adc2n波浪荷載在土層中引起的振動(dòng)剪應(yīng)力按下式計(jì)算：波浪荷載在土

41、層中引起的振動(dòng)剪應(yīng)力按下式計(jì)算：wwPoPo 式中式中:Po:Po波壓力波壓力,Po,Po z z土層深度，土層深度，m m L L實(shí)地水深處波浪的波長(zhǎng)，實(shí)地水深處波浪的波長(zhǎng)，m m w w海水密度，海水密度，kN/m3kN/m3 H H波高，波高，m m h h水深，水深，m mLzeLz22LhHw2cosh2海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中應(yīng)注意：海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中應(yīng)注意： 1. 1.當(dāng)高分辨率的工程物探資料揭示有海底滑動(dòng)跡象時(shí)，當(dāng)高分辨率的工程物探資料揭示有海底滑動(dòng)跡象時(shí)，管線應(yīng)盡可能避開海底滑動(dòng)區(qū)。如實(shí)在不可能，要使管線管線應(yīng)盡可能避開海底滑動(dòng)區(qū)。如實(shí)在不可能，要使管線方向與滑動(dòng)方向一致。方向與滑動(dòng)方向一致。 2.2.在極軟粘土質(zhì)土的區(qū)域，即便沒有從工程物探資料中在極軟粘土質(zhì)土的區(qū)域，即便沒有從工程物探資料中發(fā)現(xiàn)海底滑動(dòng)的跡象，也應(yīng)分析海底滑動(dòng)的可能性?；瑒?dòng)發(fā)現(xiàn)海底滑動(dòng)的跡象，也應(yīng)分析海底滑動(dòng)的可能性?；瑒?dòng)驅(qū)動(dòng)力為重力和波浪力，在地震區(qū)域內(nèi)還伴隨地震力。土驅(qū)動(dòng)