力學(xué)大會(huì)2015集海底管道與粘性土體多向耦聯(lián)相互作用模型

，（中國(guó)力學(xué)流固耦合系統(tǒng)力學(xué)，長(zhǎng)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(yīng)力產(chǎn)生的主要原因之一（Hobb,984）過(guò)高的軸向應(yīng)力可導(dǎo)發(fā)進(jìn)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(yīng)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(yīng)變率（Randolphet生“楔形效應(yīng)”導(dǎo)致軸向土阻力的增大（White&Randolph,。針對(duì)單純的側(cè)向管土相互作用，Wagner式認(rèn)為側(cè)向土阻力是庫(kù)侖摩擦阻力和土壓力之和。Gaoet述床面坡度對(duì)土阻力影響的經(jīng)驗(yàn)。Chatterjeeet etal.，圖1整體屈曲時(shí)的管土相互作用示意針對(duì)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(duì)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(jī)理，并對(duì)不同方向上的極限土阻力進(jìn)為研究為向產(chǎn)生較大位移，即管段發(fā)生失穩(wěn)。Han&對(duì)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(biāo)系，土體內(nèi)部的滑移機(jī)構(gòu)如圖2所示。剛塑性破壞準(zhǔn)則，并以粘聚力c作為其抗剪強(qiáng)度。圖2（a）R為管道外半徑；θ為l1BCl2ACl3DClpAD，ζ1ACD，ζ2CAD。滑移面AC始終垂直于床面?；企w的運(yùn)動(dòng)方向在矢量為v1、v2；同時(shí)，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(zhǎng)度土體ABC和ACD的水下重量。在管土界面與土體內(nèi)滑動(dòng)Ni、fi、fiz分別z軸方向上單位長(zhǎng)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(jī)構(gòu)根據(jù)滑移區(qū)深度的不同劃分為如下三類：（1）當(dāng)ε0時(shí)，DC平行于床面方向，稱為淺層滑移（圖3（a））；當(dāng)0εθ時(shí)，DC為管道表面過(guò)D點(diǎn)的切線方向，稱為第I類滑移（圖2（a））；當(dāng)θεπ/2時(shí)，DC平行于管道表面過(guò)E點(diǎn)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(yīng)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向平行反向。滑移面上三向受力與滑移體重力

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(dá)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(biāo)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(gè)，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(shí)的β應(yīng)Np取得最小值，故由dNpdβ0

/：εkθ1kπ/2κ21kθ/π1k 參考Wagneretal.在 k=0.25。模型對(duì)管道承載力的預(yù)測(cè)結(jié)果與軟粘土上的機(jī)械加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照如表2e為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，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(duì)應(yīng)的土阻力合力大小（

fpfpzNp）為

P'Pbed=

對(duì)比式（10）與式（17）PP，則說(shuō)明軸向管土界面滑移先發(fā)生，此時(shí)，以式（17）計(jì)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(wú)量綱時(shí)相應(yīng)的無(wú)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(dǎo)致承載力增大。而在發(fā)生軸向管土界面滑移時(shí)，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(wú)量綱PseccD與管道軸PaxicD的關(guān)系。可見兩個(gè)分量彼此成負(fù)相關(guān)關(guān)系，但軸向土阻力分量對(duì)PseccD的影響較?。é?0o時(shí)Ps最多降低10%）。部分嵌入管道的軸向土阻力上限值較低，導(dǎo)致無(wú)法充分影增強(qiáng)，圖中κ40o對(duì)應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（編號(hào) ）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