管土相互作用

摘要： 针对深海钢悬链线立管系统流线段与土体相互作用问题,采用离心模型试验方法开展管道多次水平向运动循环试验,揭示了考虑淤泥层的管土相互作用机制及破土抗力发挥规律。结果表明:首次推管可以发现,由于软弱淤泥层的存在,土体抗力曲线均随位移呈现硬化型曲线,在滑移距离为0.1 D左右时达到破土状态,安装工况、水压试验工况和操作工况对应的破土抗力分别为3.45 kN、4.28 kN和3.78 kN,在破土抗力后管道持续下扎,土拱不断扩大,破土抗力以后的侧向抗力持续增加,呈现重管特征,当最大位移(X/D=2.5)时对三个工况的侧向抗力分别为9.07 kN、12.07 kN和9.97 kN;随后的往复推管过程中可以发现,随着首次推管淤泥层消散,管道接触土体强度增强,管土作用曲线呈轻管特征,在滑移距离为(0.7~1)D时出现峰值抗力,随着往复推管次数的增加,由于土拱范围的累积增大,峰值土体抗力逐渐增加,平均增长幅度不超过25%。

摘要： 基于兰贝格材料模型,考虑管土相互作用,建立海管非线性有限元模型,在多次开工、停工的工况下,研究横向约束长度和摩擦系数对横向屈曲的影响。结果表明:多工况下,横向摩擦系数在0.2~0.5时,横向屈曲随横向摩擦系数的增大而增大;横向摩擦系数在0.5~0.9时,横向屈曲随横向摩擦系数的增大而减小;轴向摩擦系数的改变对横向屈曲影响较小;多次开工加热、停工冷却可以缓解海管横向屈曲。

摘要： 为解决由于高钢级X80管道因地面占压而带来的安全运行问题,以实际地质参数为基础,基于ABAQUS有限元软件建立了占压工况下埋地管道三维模型。研究了管土切向摩擦因数、堆载位置、占压区尺寸(占压区域长度和占压区域宽度)等几个关键因素对占压区域下埋地管道应力的影响规律。结果表明:管道最大Von Mises应力随管土切向摩擦因数的增大线性增长;堆载距管道轴线的距离直接决定了管道应力分布;在载荷一定或合力一定时,都可以通过改变占压区域面积来降低管道应力,在载荷一定时,改变占压区长度对其应力分布影响更明显,在合力一定时,改变占压区宽度对其影响更明显。

摘要： 深水海底浅层土壤是影响水下井口系统动态响应的重要因素,对井口系统的疲劳评估至关重要。目前水下井口动态分析时常采用API推荐的p-y模型模拟导管—土壤相互作用,但该模型没有考虑水下防喷器组(Blowout Preventors,简称BOPs)竖向重载对管土交互的影响,导致水下井口动态分析存在较大计算误差。为此,首先根据常规和新型p-y曲线的理论模型进行数值计算,然后采用ABAQUS软件建立实尺寸水下井口管土相互作用模型,加载计算得到BOPs重载下导管变形—土壤抗力仿真结果并与理论模型进行对比,最后采用缩尺土箱实验验证新型p-y模型在水下井口动态响应分析的正确性。研究结果表明:①采用新型p-y模型得到的导管弯矩、土抗力等数值计算结果与ABAQUS仿真和缩尺实验均吻合良好;②相对于常规管土模型,采用新p-y模型得到的水下井口弯矩、位移响应幅值等降低15%左右,得到的导管弯矩、位移响应幅值等降低幅度介于25%~30%;③新型砂土p-y模型充分考虑了BOPs竖向重载对管土相互作用的影响,在隔水管—水下井口系统力学分析中具有更好的适用性。结论认为,考虑到BOPs竖向重载对管土交互的影响,通过数值模拟及缩尺试验研究了新型p-y模型,并验证了其适应性,新模型有效提高了水下井口疲劳载荷计算的准确性,为水下井口系统疲劳评估提供了理论计算依据,为深海油气的开发提供了保障。

摘要： 浮体运动是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)动态响应和疲劳损伤的关键因素,目前研究SCR问题时,为简化计算往往仅考虑平台一阶运动,忽略二阶运动影响。而实际上不同浮体结构的二阶运动响应特征明显,拟以SCR服役张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)为例,探讨浮体二阶运动对SCR触地区动态响应的影响。建立考虑海床刚度退化的管土作用模型以改进现有的CABLE3D RSI程序,通过编写程序接口,将有限元分析得到的平台实际运动响应导入,研究平台不同运动作用下SCR触地区的位移、动力响应及疲劳分布情况。根据波流作用方向将TLP二阶慢漂运动分为近端和远端漂移两种工况,发现二阶运动下立管与海床的作用范围会增大,且触地区不仅发生高频小幅振荡运动,同时伴随低频大幅运动响应;平台远端漂移时,管内张力敏感程度高,而近端漂移时触地区的弯矩显著增大,都会不同程度提高触地区的疲劳损伤率。研究可为服役不同浮体的SCR响应预测与疲劳分析提供参考和借鉴。

摘要： 合理管节长度的确定是大型倒虹吸结构设计、施工与运营的关键问题之一.以某区待建大型倒虹吸为研究对象,考虑管-土相互作用、回填材料固结、地基基础变形等因素的影响,分别建立了15、20 m和25 m共3种管节长度倒虹吸的三维有限元模型,考虑运营期的荷载工况组合,开展了非线性力学分析.对比分析了3种管节长度倒虹吸的整体沉降,管体竖向变形、应力及管节张开量,在此基础上给出了合理管节长度的建议.同时,以建议的管节长度开展了应力分析,指出了其易发生破坏的位置并提出相应的技术措施,为待建倒虹吸的设计与施工以及同类工程实践提供参考.

摘要： 针对沙波区管道多跨稳定性问题,基于DNVGL-RP-F109规范对海底管道稳定性设计方法进行系统介绍并展开理论叙述,然后以南海某油气田开发项目为例,利用有限元计算软件Orcaflex对一个典型沙波区域的海底管道稳定性进行分析,模拟不同工况条件下海底管道在位场景,结果表明,相比于平坦海床,沙波区海底管道多跨稳定性增强,验证了悬跨有利于管道稳定性的理论分析.

摘要： 针对输油管道经过地质灾害区域时,受地表沉陷作用力影响容易发生裂缝、拉断的问题开展输油管道力学响应分析.用ABAQUS软件对数学模型进行构建,并针对地表沉陷的应力作用下,管道受作用力影响出现变形的特征进行分析.通过对管道轴向应力应变、最大Mises应力总应变的应力及应变最大值分析,确定管道最危险的区域在沉陷区与非沉陷区交界左右各5 m范围内.最后通过对基于应力和应变的失效准则特点的分析,选择适合的失效判定准则对地质灾害区域沉陷作用下的输油管道进行失效判定.

摘要： 在温度和压力荷载作用下,裸置海洋管道产生的高压缩轴向力容易引发管道的侧向屈曲,造成管道结构失效破坏.针对裸置海洋管道侧向屈曲可能性评估问题,研究了管道侧向屈曲分析中重要的管-土相互作用评估方法,分析了Hobbs(1984)管道侧向屈曲分析理论,并结合工程算例总结了裸置海洋管道侧向屈曲可能性的评估计算方法,结果可为实际工程项目提供参考.

摘要： 由于管道与土体的刚度相差较大,在振动荷载下,两者的运动不能相互协调,致使在研究管道破坏方面,管土之间的变形传递是一个极其重要的研究方向。目前学者对弯管的管土变形传递研究做得较少。本文通过弯管与土体的缩尺振动台试验及三维有限元模型,得出了地震作用下埋地弯管的变形传递系数的拟合公式。然后将试验结果与拟合公式的计算结果和有限元的模拟结果进行对比,证实了拟合公式的合理性,并分析了管道弯头处变形传递系数的变化规律,包括对不同管径、埋深、壁厚、土性和弯头角度的分析,证实了这些因素对管土之间的变形传递影响都很大,说明弯头处变形传递系数拟合公式对管道的抗震具有重大意义。

摘要： 随着给排水管道埋深的增加,土压力对管道受力状态的影响也越加显著.这要求设计和施工人员对管土相互作用有更深入的认识,并能准确的计算作用在管道上土压力的标准值.埋地管道管周土压力分布规律、管道内部应力特征、管道破坏机理以及填土对管道受力状态的影响这些问题是影响管道设计和施工的主要因素.土箱模型实验可用于研究和解决上述问题,因此介绍并分析了管土相互作用土箱试验系统设计原理.土箱模型实验的设计包括管土受力模型的简化,土箱尺寸的设计,土箱加载方式的选择,土箱侧壁摩擦阻力和箱壁变形的评价,物理量的量测以及实验土体的选择与填筑等.土箱模型实验设计的关键是要保证设计出来的土箱中的管土单元的受力状态仍然是简单的三向受力状态.

摘要： 由于钢悬链线立管(SCR)触地区管土相互作用是目前理论计算与数值分析的难点,因此国外相继开展不同条件下的管土相互作用模型试验,以试验促进理论和数值研究并指导实际工程设计.总结国外SCR触地区管土相互作用试验研究进展情况,主要包括垂向与侧向两类试验,评述每个试验的研究成果以及需要进一步解决的问题,对后续设计并开展相关试验,完善管土相互作用模型具有重要意义.我国目前的深水油气田开发尚未有SCR投入使用，缺乏相应技术的系统研究和积累，也没有开展大规模的试验研究，但随着荔湾3-1气田工程的实施，对南海深水油气资源的开发将进入实质性阶段，SCR立管将会成为我国深海工程领域研究的重点。

摘要： 为分析冲击载荷对附近埋地聚乙烯燃气管道安全运行的影响,运用ABAQUS有限元分析软件,构建冲击作用下管土相互作用有限元分析模型,分析聚乙烯管道的应力变化,研究聚乙烯管材料模型、土体性能、冲击速度对聚乙烯管应力及变形的影响规律.结果表明:由于冲击作用时间较短,冲击速度对聚乙烯管道没有明显影响;管道覆土的性质及埋深,对管道有明显的保护作用.聚乙烯管道最大应力随着聚乙烯管道内压的增大而增大,近似成线性关系;冲击载荷作用下,距离冲击区域越近的聚乙烯管道越容易达到强度失效极限.研究结果可以为埋地聚乙烯燃气管道的安全运行及第三方施工活动提供技术支持.

摘要： 埋地柔性输水管道的正常工作性态与管土相互作用有关,管侧回填土分层压实度不足会造成管道长期变形较大,严重时会导致管道结构破坏.然而,目前国内外缺少对于大型压力输水柔性管道进行结构检测和安全评估的方法和标准,给实际管道工程运行带来困难.本文结合某引水工程实例,应用断面激光扫描+分段椭圆曲线拟合方法,实际测量管道在放空时的变形状态,总结了柔性管道的变形模式,并通过弹性波检测方法和管材检测结果对管道变形模式分析结果进行了验证;进而依据实测变形结果,反演计算管道结构的内力和可靠性指标,从而对管道的安全状态进行评估,以指导管道结构的更换和修补加固.

摘要： 埋地柔性输水管道的正常工作性态与管土相互作用有关,管侧回填土分层压实度不足会造成管道长期变形较大,严重时会导致管道结构破坏.然而,目前国内外缺少对于大型压力输水柔性管道进行结构检测和安全评估的方法和标准,给实际管道工程运行带来困难.本文结合某引水工程实例,应用断面激光扫描十分段椭圆曲线拟合方法,实际测量管道在放空时的变形状态,总结了柔性管道的变形模式,并通过弹性波检测方法和管材检测结果对管道变形模式分析结果进行了验证;进而依据实测变形结果,反演计算管道结构的内力和可靠性指标,从而对管道的安全状态进行评估,以指导管道结构的更换和修补加固.

摘要： 基于钢悬链式立管(SCR)动力分析程序CABLE3D,采用大挠度柔性梁理论建立SCR的运动方程,将线性海床模型扩展为考虑管土非线性相互作用的非线性海床模型,并考虑海床土吸力的影响,采用非线性有限元方法对控制方程进行离散,时域内积分采用Newmark-β法,开发出新的管土相互作用分析程序.SCR在触地点区域与海床土相互作用非常复杂,对立管动力响应和疲劳寿命有较大影响,本文通过算例分析上部浮体垂荡运动幅值、海床土剪切强度、海床土剪切强度梯度对SCR触地点区域动力响应和疲劳损伤的影响.分析结果表明:SCR触地点区域动力响应和疲劳损伤对上部浮体垂荡运动幅值和海床土剪切强度的变化较为敏感,海床土剪切强度梯度的变化对SCR触地点区域动力响应和疲劳损伤影响不大.

摘要： 本文介绍了一种由I.R.Soedigdoetal提出的计算波浪作用下海底管道受力的WakeⅡ模型.计算表明,WakeⅡ模型是对传统Morison方程的改进.

摘要： 我国濒临环太平洋地震带,海底管道的建设不可避免地会受到地震或断层的影响,但是迄今为止国内外还没有形成专门用于海底管道的抗震设计规范.为此,以半无限空间线弹性理论为基础,利用有限元软件ABAQUS建立了海底管道穿越断层的非线性有限元模型,充分考虑了海底管道的材料非线性和几何非线性的影响,通过建立管道—土体单元之间的接触对,模拟了管道—土体之间的相互作用,研究了平移断层作用下管道不同穿越角度的力学性能,得到了管道名义应变沿管长的变化规律,同时对海底管道的设计施工提出了相关建议.

摘要： 我国濒临环太平洋地震带,海底管道的建设不可避免地会受到地震或断层的影响,但是迄今为止国内外还没有形成专门用于海底管道的抗震设计规范.为此,以半无限空间线弹性理论为基础,利用有限元软件ABAQUS建立了海底管道穿越断层的非线性有限元模型,充分考虑了海底管道的材料非线性和几何非线性的影响,通过建立管道—土体单元之间的接触对,模拟了管道—土体之间的相互作用,研究了平移断层作用下管道不同穿越角度的力学性能,得到了管道名义应变沿管长的变化规律,同时对海底管道的设计施工提出了相关建议.

摘要： 我国濒临环太平洋地震带,海底管道的建设不可避免地会受到地震或断层的影响,但是迄今为止国内外还没有形成专门用于海底管道的抗震设计规范.为此,以半无限空间线弹性理论为基础,利用有限元软件ABAQUS建立了海底管道穿越断层的非线性有限元模型,充分考虑了海底管道的材料非线性和几何非线性的影响,通过建立管道—土体单元之间的接触对,模拟了管道—土体之间的相互作用,研究了平移断层作用下管道不同穿越角度的力学性能,得到了管道名义应变沿管长的变化规律,同时对海底管道的设计施工提出了相关建议.

摘要： 本发明公开了一种基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法,基于泡沫改良土中泡沫与土颗粒的相互作用(即土颗粒对于泡沫有效渗流通道数量的影响)，利用纯泡沫渗流理论，并将流体在泡沫改良土孔道中渗流的考虑为泊肃叶流动，建立了一种泡沫改良土充分改良条件下的渗透系数预测方法。由于土和泡沫均为粒径高度不均一的颗粒集合体，选取其各自的有效粒径d10作为其在渗透系数计算过程中的有效粒径。本专利可为盾构隧道施工过程中泡沫改良砂性渣土渗透性的预测提供科学方法，同时对不同级配砂性地层的泡沫改良参数选取提供指导，从而有效规避盾构在富水地层中掘进喷涌的风险。

摘要： 本发明提出了桩土相互作用及桩端土本构模型，并发明了该模型的参数确定方法；对基桩计算提出了力法和位移法。桩身本构模型采用现行线性或弹塑性模型，采用本发明提出的模型可以模拟在粘土区增加桩长桩顶承载力提高不大和各种地质条件下基桩的承载力特征，确定桩身断裂位置和优化基桩设计等各种特征，有利于设计、施工等的发展。

摘要： 本发明涉及一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置，属于桩土测试实验技术领域。本实验装置，包括：桩体、加载装置、透明模型箱、用于监测桩体受力情况的传感系统和PIV观测系统；透明模型箱内设有非饱和土地基，桩体竖直设置，桩体的下端插设在非饱和土地基中，加载装置安装在透明模型箱上，加载装置的输出端与桩体的上端和非饱和土地基连接，传感系统的输入端设在桩体上和非饱和土地基中，PIV观测系统的输出端朝向透明模型箱。本实验装置能够观测并记录竖向荷载与循环竖向荷载作用等条件下桩周土的位移形变与桩身的相关各类参数变化情况，利于评估非饱和土的桩土相互作用。

摘要： 本发明公开了一种基于泡沫与土颗粒相互作用的泡沫改良土渗透性预测方法,基于泡沫改良土中泡沫与土颗粒的相互作用(即土颗粒对于泡沫有效渗流通道数量的影响)，利用纯泡沫渗流理论，并将流体在泡沫改良土孔道中渗流的考虑为泊肃叶流动，建立了一种泡沫改良土充分改良条件下的渗透系数预测方法。由于土和泡沫均为粒径高度不均一的颗粒集合体，选取其各自的有效粒径d

摘要： 本发明提出了桩土相互作用及桩端土本构模型，并发明了该模型的参数确定方法；对基桩计算提出了力法和位移法。桩身本构模型采用现行线性或弹塑性模型，采用本发明提出的模型可以模拟在粘土区增加桩长桩顶承载力提高不大和各种地质条件下基桩的承载力特征，确定桩身断裂位置和优化基桩设计等各种特征，有利于设计、施工等的发展。

摘要： 本发明公开了一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置，包括反力系统和模型箱，所述模型箱内装填有土体和土体物理力学参数采集元件，所述反力系统上设置有加载系统，所述加载系统位于模型箱上方并与之对应，所述模型箱朝向加载系统的端面为开口端，模型桩一端部安装与加载系统上，所述模型桩插入土体并置于模型箱内，所述模型桩的桩身内部设有若干物理力学状态采集元件，所述模型桩顶部设置有水平位移计，所述加载系统包括土体上覆压力加载系统、水平加载系统和桩竖向荷载加载系统，所述水平加载系统具备水平循环力加载和持续力加载功能，所述桩竖向荷载加载系统具备对模型桩施加竖向荷载功能。该试验装置能够展现水平循环和竖向荷载共同作用下桩和土体的响应以及相互之间的作用规律，能够开展不同初始应力状态的土性（包括砂土和黏土），不同桩基础形式在不同组合荷载下的桩土相互作用试验，从而探明桩的承载性能和土体的响应规律等，亦可直观的记录试验过程中桩和土体的变形特征。

摘要： 本发明公开了一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置。本发明由一个钢化玻璃箱体、箱体支撑架、进水系统、模型半仓和非接触式视频测量系统组成。所述钢化玻璃箱体嵌入在箱体支撑钢架的内腔中。该装置通过非接触式视频测量系统，实现了在地下水作用下对仓土相互作用全过程的位移、应力、应变等土体内部的细观规律的研究。本发明结构简单、操作简便、实用性强，可模拟多种试验工况研究。

摘要： 本实用新型涉及一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置，属于桩土测试实验技术领域。本实验装置，包括：桩体、加载装置、透明模型箱、用于监测桩体受力情况的传感系统和PIV观测系统；透明模型箱内设有非饱和土地基，桩体竖直设置，桩体的下端插设在非饱和土地基中，加载装置安装在透明模型箱上，加载装置的输出端与桩体的上端和非饱和土地基连接，传感系统的输入端设在桩体上和非饱和土地基中，PIV观测系统的输出端朝向透明模型箱。本实验装置能够观测并记录竖向荷载与循环竖向荷载作用等条件下桩周土的位移形变与桩身的相关各类参数变化情况，利于评估非饱和土的桩土相互作用。

摘要： 本发明公开了一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置。本发明由一个钢化玻璃箱体、箱体支撑架、进水系统、模型半仓和非接触式视频测量系统组成。所述钢化玻璃箱体嵌入在箱体支撑钢架的内腔中。该装置通过非接触式视频测量系统，实现了在地下水作用下对仓土相互作用全过程的位移、应力、应变等土体内部的细观规律的研究。本发明结构简单、操作简便、实用性强，可模拟多种试验工况研究。

摘要： 本实用新型公开了一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置，包括反力系统和模拟箱，所述模拟箱内装填有土体和土体物理力学参数采集元件，所述反力系统上设置有加载系统，所述加载系统位于模拟箱上方并与之对应，所述模拟箱朝向加载系统的端面为开口端，模拟桩一端部安装与加载系统上，所述模拟桩插入土体并置于模拟箱内，所述模拟桩的桩身内部设有若干物理力学状态采集元件，所述模拟桩顶部设置有水平位移计，所述加载系统包括土体上覆压力加载系统、水平加载系统和桩竖向荷载加载系统。该试验装置能够展现水平循环和竖向荷载共同作用下桩和土体的响应以及相互之间的作用规律。