考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析

输水管道受滑坡、地震、断层活动等影响将产生横向运动,埋地管道的管-土相互作用问题可归结于管-土接触界面的接触压力研究。基于Abaqus有限元模拟及其二次开发功能,通过土体强度参数随机场模拟土体非均质性,研究受横向荷载的埋地管道与土体之间相互作用,并对3种变异系数工况进行模拟;将模拟结果与均质土条件的确定性结果进行对比,对随机分析模拟结果进行参数分析及概率研究。研究表明:所提方法可以较好地模拟横向荷载条件下管-土相互作用;土体抗剪强度空间变异条件下的管-土结构承载力小于确定性分析结果,土体非均质性对横向荷载作用下浅埋管道破坏机制的影响表现为土体破坏沿强度薄弱的区域发展;土体不排水抗剪强度随机参数水平相关距离对管-土结构承载力影响显著;管道达预设位移时管-土结构承载力服从对数正态分布;考虑工程容许荷载设计,随着安全系数的增大,管-土结构失效概率显著减小,当安全系数取2.5时失效概率小于1%,达到工程可靠水平。

密砂中刚性管-土相互作用的多尺度模拟

实际工程中,埋地管道和周围土体间的相对运动会对其结构完整性和服役性能产生重大不利影响。目前学者对竖直向下运动的管-土作用研究很少。为加深对管道相对土体向下运动时管土相互作用问题的理解,文中基于耦合有限元法和离散元法的多尺度方法,研究了刚性管道相对于砂土发生竖直向下运动时的土体力学响应和破坏模式。分析结果表明,土体承载力和破坏模式受管道埋深影响明显,当管道埋深较浅时,土体表现出整体破坏特征,而当埋深较深时,则出现局部破坏现象。研究结论可为工程中评估穿越地质灾害地区埋地刚性管道的服役性能提供借鉴意义。

深海管道水平向管-土相互作用大变形连续极限分析

管道被广泛应用于油气产业,其中管-土相互作用机制是管道可控屈曲设计的关键。采用新开发的连续极限分析(SLA)方法对深海管道与软土水平大变形相互作用进行了研究。该方法基于极限分析对变形体进行一系列求解与更新模型,能够考虑模型的极端几何变形和材料的应变软化与率效应。该研究对固定管道竖向位移条件下水平加载这一工况进行了探讨,分析了不同初始埋深的管道在位移过程中所受竖向及水平向反力(V、H)的发展。通过与多组离心机试验数据对比,验证了SLA对管-土水平大变形相互作用研究的有效性和高计算效率。主要成果有:提取了管道在不同位置的V-H屈服包络面以考虑加载路径变化对管道受力行为的影响,发现了管道的等效摩擦系数H/V随水平位移的线性增加规律。该研究以期为深海管道的可控屈曲设计提供参考,并推广SLA法在大变形土结相互作用问题中的应用。

管-土相互作用模型试验的尺寸效应及可靠性分析

为了分析北京地区粉质黏土场地中管-土相互作用土弹簧模型参数,进行了一系列管土相互作用试验。由于人力、经费、场地等原因,模型箱尺寸无法取到无限大,模型箱的尺寸效应有可能使试验数据出现一定偏差。为了检验已开展模型试验结果的可靠性,基于ABAQUS有限元软件进行了数值仿真,探讨了土体的破坏模式,研究了管-土相互作用试验的尺寸效应,并得到如下结论:土体破坏模式可分为深埋和浅埋两种破坏模式;模型箱下方和后方边界对试验结果影响较小,当深径比大于6时,前方边界开始对试验结果产生影响。最后,分析和修正了试验结果并对类似试验中的模型箱尺寸选取给出了建议。

钢悬链线立管触地区管-土相互作用试验研究

为研究浮体运动、海床刚度对立管顶端张力和触地区动力响应的影响,开发了一套小比尺钢悬链线立管(Steel Catenary Riser,SCR)整体分析试验装置。以实际工作水深为900m的一根SCR为研究对象,模型缩尺为1:435。用异步电机在水平、竖向和转动方向施加位移,幅值为?50mm;模型管材料为硅胶,其顶端自由悬挂在位移施加端,相当于铰接;在触地区选择不同刚度的湿泡沫、干泡沫和玻璃模拟海床。通过试验得到立管触地区的运动响应和顶端张力的时程曲线。与Orcaflex的计算结果进行比较,吻合得较好。结果表明:激励运动的方向对立管触地区的运动幅值和顶张力的影响不大,而运动频率与海床刚度对它们的影响较大。

润滑剂摩擦特性及其对顶管推力和管-土相互作用的影响

润滑剂普遍应用于项管工程中，尤其是在复杂地质条件和长距离顶管中。使用润滑剂的主要目的是减小管土之间的摩擦力，但是定量地确定这两者之间的真实接触情况是十分困难的。测量管-土相互作用的新型技术目前仍然很少并有待进一步发展，所以只能利用间接手段测定管土之间的相互作用，并且这些测量方法的应用基于对工程的定性评价。本研究应用一种简单的试验方法来测定台湾地区最常用的润滑剂的摩擦特性，这些摩擦特性可以用于顶力的估算和直线与曲线顶管中管-土相互作用的数值分析。对顶力的分析结果表明顶力的减小与摩擦系数的减小密切相关，并且润滑剂在曲线顶管中的作用比在直线顶管中略大。此外，对台中科技园中400m长直线顶管工程的研究显示由经验公式得到的顶力估算值比实际要大，这表明由超挖造成的管土之间接触面积的减小对砂砾石地层中顶管施工的影响是非常显著的。

地震激励下管-土动力相互作用试验研究

海底管道的建设往往要考虑地震的影响,而管-土相互作用机理则是进行埋地管道抗震分析的基础。基于Cauchy原理和Buckinghamπ定理进行了试验相似比设计,以保证模型与原型相似,研制了叠层剪切箱来模拟地基边界效应,探讨了管-土间相对位移的试验量测方法,考察了管道埋深、地震动峰值、远近场地震动类型等因素对埋地管道抗震性能的影响,获得了管-土接触面相对位移、管道应变分布等试验数据,分析了管道应变与土体位移的关系。试验发现:管道与土体间的相对位移是管道结构产生应变的主要原因,土体本身以及管-土接触面的非线性发展是影响管-土相互作用程度的决定因素。

埋地管线-土横向动力相互作用等效弹簧系数解析解

基于一维柱面弹性波动理论,推导了埋地管线-土横向动力相互作用等效弹簧系数解析表达式,并对该表达式的影响因素,诸如频率(ω)、管线埋深(d)、管线半径(b)、场地波速(VP)、泊松比(μ)的影响程度进行了分析。分析结果表明,无量纲频率bω/VP取较小值时(<0.1),弹簧系数取值随着管线埋深与管线半径之比γ的增加而增大,但总是限制在2.0G～4.0G(G为土体剪切模量)之间,且泊松比对其影响很小,对于工程实际情况,弹簧系数可在该范围内取值。

管-土轴向动力相互作用等效弹簧系数取值

通过解析法和振动台试验数据对埋地管线管-土轴向动力相互作用等效弹簧系数取值进行研究.从一维柱面SH波波动方程出发,重新阐释Matsubara和Hoshiya推导的管-土轴向动力相互作用等效弹簧系数解析表达式,并对主要影响参数进行分析;利用埋地管线振动台试验结果对小震时(0.1g)管-土轴向动力相互作用进行分析,给出等效弹簧系数,并与解析解进行对比.分析结果表明,对于本试验条件,采用解析法计算的等效弹簧系数和试验分析结果较为接近,相对偏差约为7.4%,在一定程度上验证了解析方法的合理性,并根据工程需要,给出管和土未发生相对大位移时的等效弹簧系数取值范围:0.6G～2.0G(G为土体剪切模量).

微型顶管中管-土间相互作用的分析

采用物理模型试验和数值模拟的方法对顶管过程中的管一土相互作用进行了分析。在将数值分析与模型试验的结果进行比对校准之后，运用有限元分析程序ABAQUS对顶管过程中的地表沉降、破坏机制和管-土相互作用等问题进行了研究。分析结果表明作用于开挖面上的推力对于顶管是至关重要的：推力过小是造成地表沉降的主要原因；而推力过大则会引成地表隆起。此外，研究结果还表明管道的埋深对于选取合理的推力以及确保开挖面的稳定是十分关键的。

考虑热渗效应的高温管道-饱和地基相互作用研究

高温管道运输是海洋油气输送最常采用的方式之一,其中高温管道-地基相互作用机制是热屈曲可控设计的关键。管道温度变化不仅引起周围海床地基强烈的热水力耦合作用,还诱发孔隙水在温度梯度下发生迁移,表现出显著的热渗效应。基于OpenGeoSys有限元分析平台对高温管道与考虑热渗效应的饱和地基相互作用问题进行研究。基于质量方程和能量方程,推导了热渗效应影响因子理论表达式并提出了临界影响因子,界定了常见土-水参数下热渗系数临界值;通过OpenGeoSys分析平台二次开发嵌入热渗效应,建立了高温管道-饱和土相互作用模型,能够考虑管-土间的水热耦合作用和土体的热渗效应。通过与解析理论对比验证了所建模型的有效性,随后基于热渗影响因子和数值分析,探讨了热渗效应对管-土相互作用的影响程度,并详细分析了不同输油温度、不同初始埋深管道在运行期管周海床孔压和竖向位移的发展。结果表明:土体临界热渗系数为4.3×10^(-12)m^(2)/(s·K),为实际工程中是否考虑热渗效应提供了评估依据;热渗效应对土体孔压峰值影响甚微但会引起显著的稳态负孔压,提出的热渗效应影响因子确定了该负孔压幅值与峰值的比例关系;管道运行中温度往往诱发土体弱化和负孔压对管道稳定产生不利影响,并随输油温度、3 D埋深内的增加而加强(D为管道直径),3 D以上埋深热渗效应的影响差异不显著。

海底管道与海床相互作用研究综述

随着海上油气田的快速发展,目前我国已建海底管道超过6 000 km。近年来,管道事故时有发生,管道工程的安全性和管道的稳定性问题得到越来越多研究学者的重视。鉴于海底管道与海床的相互作用是研究管道稳定性问题的关键,阐述了海底管道在波浪作用下与海床间相互作用的试验研究现状,包括机械加载式试验、水槽模型试验、离心模型试验等;以及理论研究现状,包括解析方法和数值方法等。最后对波浪作用下海底管道和海床相互作用尚待研究的问题进行了展望,研究分析认为正确建立管道与海床本构模型等问题是未来研究海底管道稳定性的重要方向。

承插式水泥管-土非一致激励模拟试验研究

文中基于通用有限元软件ABAQUS,对承插式水泥管-土地震非一致激励试验进行数值模拟。论文根据试验情况,确定了主要的数值建模方法并进行了试验数值模拟,包括:管-土接触面模拟、和层间剪切箱模拟。对比承插式水泥管接头的数值结果和实测结果表明:文中的数值建模方法能较好地模拟试验情况,为后续进一步研究打下良好的基础。

管土耦合作用下长输直埋管道沉降分析

为保障管道输送的安全运行,对长输直埋管道的沉降问题展开研究。考虑直埋管道周边土体特征的影响,分析管-土之间的相互作用关系,建立了基于Drucker-Prager弹塑性准则的管土相互作用模型。应用有限单元法建立管土接触三维有限元模型,管道与周边土体采用三维实体单元进行离散,管土相互作用面采用非线性接触单元进行模拟。以某直埋管道为例,分别对管土同步沉降初期和管道局部悬空沉降进行了数值模拟和分析,悬空沉降分析中考虑了管-土初始应力和初始位移的影响,得到管道在不同沉降阶段的应力结果和力学特征;通过模拟不同土体弹性模量,得到了敷设土体特征对管道变形的影响规律。直埋管道有限元模型的建立可实现对长输直埋管道沉降变形研究,为管道的安全性分析提供了参考。

考虑土体非线性特性的直埋管道-土体系统的动力反应分析

本文采用二维有限元方法对连续直埋管道在动力荷载作用下的反应进行分析。管道周围土体采用等效线性粘弹性模型 ;为反映管 -土间的相对滑移 ,在管单元与土单元间加入无厚度Goodman接触单元 ;并利用 Wilson- θ法对管 -土系统进行动力时程反应分析。本文研究了输入波频率 ,输入波幅值 ,管道埋深 ,土体类别和管 -土间摩擦系数等因素对埋管动力反应的影响。

浅埋管道水平横向作用下砂土极限承载力研究

断层、滑坡、液化等地质灾害引起的场地大变形对埋地管道结构安全产生严重的威胁。开展了中密砂中埋地管道-砂土水平横向相互作用的系列三维数值模拟,根据数值模拟的结果探讨了不同深径比下管-砂土横向相互作用时土体的破坏模式,研究了深径比对砂土极限承载力的影响。基于管周土体的破坏模式建立了简化计算模型,根据极限平衡理论推导了管道水平横向运动时砂土极限承载力计算公式。研究结果表明:极限状态下,浅埋管道周围土体形成延伸到地表的破裂面,轮廓线近似对数螺线;砂土的极限承载力随着深径比增加,最终在临界深径比处达到稳定;随着深径比的增加,土体发生剪切滑动破坏所需的管道位移也逐渐增大;由于横向承载力系数取值依据不同,国内外规范计算所得土体极限承载力差异较大;得到的解析解能够较好地预测中密砂土中浅埋管道水平横向运动时土体的极限承载力。

滑坡作用下埋地管道的弹塑性地基反力解析法

目前关于弹塑性地基中滑坡段埋地管道的解析计算研究较少,计算结果不够精确。为探讨滑坡段埋地管道与土体接触的非线性特征,基于地基反力法,采用简化的弹塑性本构模型来模拟非线性管-土的相互作用,提出了埋地管道与土体相互作用的弹塑性地基反力解析法控制方程组,根据管道变形的连续性条件及边界条件求得管道挠度和内力的解析解,对管道变形和内力进行计算。结合算例进行分析,选取不同参数,探讨了地基反力系数k 0对管道变形和内力的影响。研究结果表明:随地基反力系数的增大,管道最大挠度、滑体中部管道弯矩及Mises应力逐渐减小,滑坡周界处管道弯矩及Mises应力逐渐增大;地基反力系数增大,土体对管道约束作用加强,从而引起管道挠度和内力的变化。与Winkler地基反力法相比,基于弹塑性地基反力法的滑坡作用下管道力学分析理论上更为严谨,有效地提高了计算精度。

穿越施工中管线与土层共同变形规律分析

研究目的:为了解穿越工程中管线与土层的共同变形规律,建立管-土相互作用三维有限元模型,分析土体及管线刚度、新建隧道直径、管线与隧道净距对管线沉降和内力的影响。研究管线沉降和弯矩随管土刚度系数K的变化规律,提出柔性管线、弹性管线和刚性管线的管土刚度系数K判定值,给出管线最大弯矩和最大沉降的简便计算公式。进行室内离心模型试验及现场实测,将管线监测数据与数值模拟进行对比研究。研究结论:(1)管线沉降和弯矩均随管土刚度系数K的增大而减小;(2)当K<0.1时,管线为柔性管线,管线与土层能够协同变形不产生脱空,此情况下可把土层沉降当作管线沉降来计算管线内力;(3)当K>100时,管线为刚性管线,管线很容易与土层产生脱空,可采用土层反力作为荷载来计算管线内力;(4)当0.1≤K≤100时,管线为弹性管线,可能与土层产生脱空,宜通过考虑管土分离的有限元模型进行其受力分析;(5)本研究成果可为隧道施工中既有管线的安全评价提供理论依据。

土体沉陷中埋地管道与管周土的相互作用试验研究

为分析埋地管道沿线土体沉陷发展过程中管-土变形及土压力分布特征,设计并研制了土体沉陷过程中管-土相互作用试验研究的系统,得到了沉陷过程中管-土下沉变形、管周土体变形及管周土压力的分布规律。试验结果表明:土体沉陷过程中,管道与管周土经历了协同和非协同下沉变形;随着沉陷的加剧,沉陷区中部管-土非协同变形量增大,管道上侧附加土压力随着土体沉降的增大而增大,并逐渐达到最大值;管顶土体开始形成由管顶向两侧扩张的破裂面,此时管顶附加土压力随着土体沉降的增大而减小;沉陷区管道底部出现压力降低的现象,支承压力将向沉陷区的边缘转移,沉陷区边缘管道下侧的支承力增大;管道上侧压缩土体内产生增压作用,压缩土体下方出现压力降低的现象,压缩土体变形范围仅限于管道顶部一定高度土体中,即管道上部土层存在一个等沉面;基于管顶土体的变形特征及等沉面发展过程,分析得到了管顶土压力的简化计算式。

落石冲击作用下埋地管道力学响应

在丘陵或多山地区,频繁发生的滑坡灾害严重威胁埋地管道的安全,势必需要提高埋地管道设计标准,提出合理预防措施。在建立管-土非线性接触力学模型基础上,分析了滑坡落石冲击作用下大孔径薄壁管道的动态响应。在此基础上,研究了落石冲击速度、管道埋深、管道径厚比、管沟填充土类型等工程因素对埋地管道力学响应的影响规律。结果表明:相同体积下,椭球形落石产生冲击力大于球形落石;相同形状的落石,体积越大,管道产生变形越大;管道破坏为局部失效,失效区域约占管道截面的1/6。根据分析结果,提出了具有工程应用价值的建议。