波致液化粉质土中管线受力规律试验研究

摘要

在海洋油气资源开发过程中，保障油气输运管线安全是非常重要的。铺设于浅海环境的海底管线，受复杂的波浪、海流等海洋动力联合作用，管线损坏事件时有发生。海底管线主要有埋置和裸置两种布置方式，一般认为在实际工程中裸置管线更易发生失效破坏，因此，目前研究人员更多关注于裸置管线的运营安全。在波浪作用下，由于压力的循环荷载，粉质土底床容易发生液化失稳。处于液化底床中的管线受力可能会远大于底床未液化时的管线受力，从而引起埋置管线的失效破坏。本文基于海底土体液化条件，开展埋置其中的管线受力状况的研究工作。本文采用室内波浪水槽试验方法，由于管线受力的复杂性，本文仅对垂向布设的压力传感器受力进行分析。
　　试验以黄河三角洲粉质土制备的泥浆为试验底床，分别使用PVC管和钢制管模拟海底管线。在管线上、下两点布置压力传感器，测量管线所受的垂直向上、垂直向下以及垂向合力的压力大小。另外在压力传感器上方布设了小型波高仪，以记录该点波浪的实时变化对比传感器受力曲线与水位高度变化曲线的变化关系，并研究上、下两压力传感器的受力是否存在相位差。
　　试验分为底床未液化与底床液化两个阶段。在底床未液化阶段，对底床施加四种不同的波浪，在加波的同时使用采集仪收集相关的管线受力数据。在人为扰动使底床液化后，施加与底床未液化阶段完全相同的波浪，收集压力数据的同时记录传感器所处各点的液化深度。本文利用相关数据研究了同一点管线上、下两压力传感器的实时受力以及管线在各阶段所受的垂直向上、垂直向下以及垂向合力的大小，重点对管线同一点上、下两传感器受力在某种情况下是否存在相位差，以及土体液化对管线受力相位差、土体垂向所受合力大小的影响进行研究。
　　研究显示，在底床未液化阶段，管线同一点上、下两压力传感器受力完不存在相位差。在底床液化阶段，一般情况下两受力也不存在相位差，只有当波浪高度较大、液化深度较深时两受力才出现相位差，在某些工况下相位差大小可达波浪周期的0.4倍。两传感器所测力的方向完全相反，两力的和值即为管线垂向所受合力的大小。随着两受力从无到有出现相位差时，管线垂向受力将有一定幅度的增大。数据显示，同一波高作用下底床液化而没有出现相位差时，其管线垂向受力为底床未液化时的1～2倍。而当底床液化且出现一定相位差时，管线垂向受力达到底床未液化时的4～6倍。
　　由于土体压力测量存在困难，试验结果与实际情况可能存在一定程度上的数值误差，但多次实验结果显示这种变化趋势真实可信。考虑到小模型试验与实际工况存在一定差距，因此下一步需要对概化模型条件下，液化粉质土中埋置管线的受力大小进行研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究对象

1．3 国内外研究现状

1．3．1 波浪荷载作用下海床液化研究

1．3．2 液化后土体状态及埋置物体行为的变化

1．3．3 波浪作用下管线稳定性研究

1．4 本文的研究工作

1．4．1 学术构思及思路

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究方法和技术路线

2 试验方法

2．1 试验仪器

2．1．1 波浪水槽、压力传感器以及数据采集系统

2．1．2 波高仪、搅拌机以及土体取样器

2．1．3 其他试验仪器

2．2 仪器连接及布置

2．2．1 压力传感器的连接布置

2．2．2 波高仪的布置

2．3 试验过程

2．3．1 试验底床的制备

2．3．2 试验参数的测量

2．3．3 试验后传感器完好性检测

2．4 试验现象

3 试验数据处理方法

3．1 数据导出及转换

3．2 管线垂直方向上、下压力传感器受力曲线的图形处理

3．3 管线垂直方向所受合力的数据处理

3．4 压力传感器损坏的相关说明

4 管线上、下两点垂向受力相位差分析

4．1 底床未液化时管线受力相位差

4．2 底床液化时管线受力相位差

4．3 波高、液化深度对相位差的影响

4．4 相位差产生原因分析

5 管线垂向受力分析

5．1 管线垂向受力变幅

5．2 土体状态对管线垂向受力的影响

5．3 受力相位差对管线垂向受力的影响

5．4 管线材质对管线垂向受力的影响

6 结论及有待开展的工作

6．1 结论

6．2 有待开展的工作

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果