WAVE-SOIL-PIPE COUPLING EFFECT ON SUBMARINE PIPELINE ON-BOTTOM STABILITY

Wave-soil-pipe coupling effect on the untrenched pipeline stability on sands is for the first time investigated experimentally. Tests are conducted in the U-shaped water tunnel, which generates an oscillatory how, simulating the water particle movements with periodically changing direction under the wave action. Characteristic times and phases during the instability process are revealed. Linear relationship between Froude number and non-dimensional pipe weight is obtained. Effects of initial embedment and loading history are observed. Test results between the wavesoil-pipe interaction and pipe-soil interaction under cyclic mechanical loading are compared. The mechanism is briefly discussed. For applying in the practical design, more extensive and systematic investigations are needed.

基于单元生死技术的埋地管道塌陷过程力学分析

为解决埋地管道塌陷发育过程中管周土动态流失的非线性问题,首先,采用数值分析方法构建穿越塌陷区的管-土非线性耦合模型,并应用单元生死技术模拟土体流失过程;其次,依托试验实测数据及规范验证模型,分析不同塌陷阶段埋地管道的应力变形特征;然后,研究埋地管道遭受土体塌陷作用下的破坏机制,确定埋地管道的控制应力及危险截面;最后,通过分析管土接触,探讨管土相互作用揭示埋地管道塌陷动态演化过程及力学特征。结果表明:轴向应力为控制应力,跨中管底为控制点,跨中截面为危险截面,过度的拉应力是埋地管道失效的主要原因;证实管土分离现象的存在,且在塌陷深度达到48 mm时管土分离;随着塌陷过程的进展,管-土结构从开始变形到埋地管道受拉破坏的全过程分为3个阶段,即顶部受压阶段、过渡阶段和底部受拉阶段,塌陷深度80与160 mm为分界点;塌陷深度达到59 mm时,管顶应力在跨中位置处实现谷值到峰值的转变;塌陷深度达到80 mm时,摩擦应力出现。

骨架颗粒组成对散粒土管涌规律影响的试验研究

利用改进的渗透装置试验研究了细颗粒(0.075~1 mm)含量相同时骨架颗粒组成含量不同对散粒土的管涌发生临界条件以及颗粒侵蚀流失规律的影响,结果表明:不同颗粒级配的试样在管涌发生前,水力梯度与渗流速度呈线性关系,基本符合达西定律;骨架颗粒1~2、2~3、3~5 mm 3个粒径段对管涌发展起到了阻碍作用,其中1~2 mm粒径段颗粒对管涌孔隙的堵塞作用强于另外两个粒径段颗粒;对于不同级配的骨架颗粒,其不均匀系数越大,试样的下限临界水力梯度值就越大,细颗粒越不易起动,发生管涌的时间越晚,而不同级配的骨架颗粒对试样的上限临界水力梯度影响较小。

间断级配散粒土侵蚀过程及强度演变机理研究

旨在探究相同应力条件下不同密实度间断级配散粒土管涌侵蚀机理及其侵蚀后强度变化特性,制备干密度为1.80,1.84,1.88 g/cm^(3)的3种土体试样,通过管涌三轴试验深入地探讨了干密度对其破坏临界水力梯度、累计涌砂量、体积变化量及侵蚀后强度变化的影响规律。研究表明:试样破坏临界水力梯度随其干密度增大而增大,且利用Terzaghi公式(F1)、毛昶熙公式(F2)及水利水电科学研究院公式(F3)对其渗流临界水力梯度进行分析,发现在该应力环境下各公式计算结果与试验结果均较接近(优劣度为F2>F3>F1)。试样累计涌砂量与体积变化量均与其干密度呈负相关性变化趋势,其涌砂速率随管涌侵蚀不断发展而逐渐衰减;土的强度受干密度与侵蚀率二者影响,表现为侵蚀后土体强度折减程度随侵蚀进行而逐渐增加,随干密度增大而减小。

岩土热物性对深埋管换热性能的影响

建立深度为2500m的地埋管-岩土耦合换热模型,对地埋管换热进行2880h(4个月)模拟计算,分析岩土导热系数和地温梯度对地埋管换热特性和岩土温度的影响,探究地埋管累计换热量与影响半径的关系。结果表明:岩土导热系数的增大会提升地埋管的换热能力,但随着导热系数的增大提升速率减缓,导热系数为1 W/(m·K)和4 W/(m·K)时,地埋管在2880h内的平均换热量分别为216.17kW和495.92kW;地温梯度增大同样可以提升地埋管换热能力,且提升速率基本不变,地温梯度为20℃/km和35℃/km时,地埋管在2880h内的平均换热量分别为310.15kW和485.55kW;在换热条件确定时,地埋管累计换热量与受到影响的岩土体积线性相关。

玄武岩纤维遏制作用下的砾类土管涌试验研究

管涌如果无法及时得到遏制,会导致大量土体流失以致堤防溃决。为研究管涌发生环节时使用玄武岩纤维的遏制作用,拟通过室内管涌试验,从孔压、水力梯度、渗透系数、流速、颗粒流失等方面,研究不同纤维含量和纤维长度的玄武岩纤维对管涌发生发展的遏制效应。结果表明,玄武岩纤维的加入使得缺级配砾类土体的迁移通道变得更加曲折和狭窄,从而遏制整个土体的管涌发展。同等玄武岩纤维含量下玄武岩纤维缺级配砾类土存在最佳的纤维长度遏制管涌发展。纤维长度过长,增大了土体的迁移路径同时也使迁移通道相对变宽;纤维长度越短使得细颗粒的迁移通道变得更加狭窄,更加容易造成局部堵塞,进一步使得管涌继续从其他方向发展,造成颗粒的进一步流失。

深基坑斜直交替钢管桩复合土钉墙数值模拟分析

依托福建某医院的基坑工程实例,采用数值模拟方法,研究斜直交替钢管桩复合土钉墙支护结构的变形特征及其稳定性。结果表明:坡面水平位移最大变形出现在基坑“腰部”,设计时应适当加强此位置的变形控制;斜直交替钢管桩复合土钉墙支护体系安全可行,其较双排直立钢管桩复合土钉墙及单一土钉墙有更好的变形控制能力和更高的稳定性。

软土地层双洞口顶管接收井下沉力学特性研究

相较于常规沉井,顶管接收井几何形式的差异对结构受力、变形的影响规律尚不明确,亟待对此展开深入研究。以武汉市某排水顶管工程矩形接收井为依托,对沉井结构受力及下沉姿态开展现场监测,并利用数值模拟进行了对比验证和拓展研究。结果表明:预设顶管接收洞口引起的结构局部刚度降低,会导致结构在初沉阶段受弯效应增强,从而使接收洞口附近的内层钢筋压应力减小并使钢筋转向受拉状态,并且在下沉后期加剧该处钢筋应力变化幅度;因沉井外壁摩阻力增大而产生的附加应力叠加弯矩作用,使结构内、外层纵向钢筋沿井壁厚度方向的内力分布不均。对软土地层进行土体加固,有利于提高顶管接收井结构稳定性和顶管机头接收精度。

考虑土体空间变异性的液化区埋地管道上浮反应与易损性分析

为分析可液化场地土体空间变异性对管道上浮反应的影响,以土体相对密度Dr为随机场变量,采用基于乔列斯基分解的中点法生成随机场,基于OpenSees软件进行埋地管道二维随机有限元计算,分析了土体空间变异性对管道上浮位移的随机统计特征以及管道上浮易损性的影响。结果表明:当管道上浮位移较大时,土体空间变异性条件下管道上浮位移均值小于确定性分析结果,且差距随空间变异性增强而更为显著;局部致密区间的存在一定程度上限制了管道上浮行为的发展;累积绝对速度CAV可较好表征地震动强度对管道上浮位移的影响;易损性函数的离差随土体空间变异性增强而不断增加,且均大于所对应的确定性离差,导致易损性曲线更为平缓;随机变量模型不能合理表征空间变异性对管道上浮反应的影响。

基坑开挖对管桩竖向承载性状影响研究

针对基坑开挖引起管桩挤土效应的弱化,以及挤土效应弱化对管桩承载性质影响问题,开展了室内模型试验,并通过对模型试验进行数值建模,验证了数值模型的可靠性。在此基础上,从桩长、桩间距、桩侧摩阻力系数对开挖卸荷影响下管桩基础承载性状的影响展开研究。结果表明:开挖卸荷对管桩承载特性造成较大影响,极限承载力对应桩顶沉降量提高54.5%;数值计算发现,卸载前后极限荷载所对应最大沉降差率为9.52%,满足工程精度要求,验证了所提数值模型的可靠性;数值计算结果表明,随桩长提高,最大桩身轴力位置不断上升,而中性点位置却不断下降;桩间距越小,开挖卸荷对桩身轴力影响越大,而对负摩阻力影响越小;摩阻力系数为0.3时,摩阻力系数对桩身轴力及桩侧摩阻力发挥敏感度最高。

不同土质条件下土壤蓄热特性的数值模拟研究

选取严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区典型地源热泵作为研究对象,建立地埋管及周围土壤的物理模型,根据不同地域的地质条件,为土壤区域设置不同的热物性参数及分层数,对整个蓄热季的地埋管及周围土壤的换热情况进行数值模拟,探究地质条件对地源热泵换热特性及土壤蓄热量的影响。结果表明,由于所选各地区土壤热物性参数及分层数不同,整个蓄热季后土壤蓄热量差异较大,严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区土壤蓄热量分别为949.251 MJ、1 031.122 MJ和709.225 MJ。受土壤各层热物性参数差异影响,同一地区各层土壤的热量传递半径及升温速率也存在较大不同。粉质粘土层热量传递半径大,中粗砂与淤泥质粘土层温度提升快。此外,在整个蓄热季中,受土壤热容增大影响,蓄热效率呈现出下降趋势,在实际运行过程中应采用间歇蓄热,提升蓄热效率。

新工科背景下管土作用创新实验教学平台设计

为推动深水复合柔性管道的设计和研究,依托重点科研项目成果,建立了管土作用创新实验教学平台。突出学生主体地位,通过文献调研、实验设计、实践操作和数值模拟,开展模块化实践教学,激发创新思维,塑造工程素养,促进对管土作用机理的探索与研究。创新实验教学平台的搭建,实现了理论实践、学科交叉及工程应用的有机结合,凸显了实验教学的工程性、实践性和探究性。

基于土壤分层的双U型地埋管出口温度及土壤温度场研究

目的 探究在土壤分层和地下水渗流条件下地埋管的出口温度以及传热规律。方法 基于多孔介质理论建立分层岩土体瞬态三维模型,分析土壤的初始温度、地下水渗流、回填材料种类对地埋管出口温度及土壤温度场的影响。结果 土壤初始温度为290.15 K时,热泵运行30 d后地埋管的出口温度最高,达到280.43 K;三种常用的回填材料中沙土的换热效果最好,黏土作为回填材料时,地埋管附近出现明显的冷量堆积;地下水渗流速度达到200 m/a时,地埋管出口温度为280.85 K,相较于不存在地下水渗流时的出口温度增加了0.51 K。结论 土壤初始温度、地下水渗流速度均与地埋管出口温度呈正相关;土壤温度场的变化在一定程度上取决于回填材料的种类及热物性;地下水渗流的存在能够消除土壤冷量的堆积,在地埋管敷设时应适当增加沿着渗流方向管间距离。

埋地管线数值模拟中土体计算区域的选取问题研究

详细论述了动力无限元基本理论,提出了一种在非一致激励时无限元边界面上地震动的输入方法。在此基础上,考虑管线-土体之间的黏结滑移效应,采用动力无限元边界,建立了埋地管线的三维有限元-无限元耦合的精细化模型,对非一致地震波激励下埋地管线的动力响应进行了数值分析,对管线周围的土体计算范围的取值进行了系统研究,给出了管线周围土体的有效计算宽度W、有效计算长度L和有效计算深度H的取值范围。结果表明:W的取值与管径D紧密相关,H可取30~60 m,L应至少包含一个地震动的卓越周期段的波长,此分析结果可满足大多数工程需求。

基于力学仿真分析的PCCP断丝预警及报警阈值评估方法

分析了钢丝的预应力作用机理和管道的破坏过程,提出了一种基于力学仿真分析的PCCP断丝预警与报警阈值评估方法。通过ABAQUS程序建立了PCCP有限元模型,模拟了包括铺设垫层、安装管道、分步回填在内的完整施工过程,计算了不同埋深、不同设计工作压力近百种工况下管道预应力钢丝、钢筒和管芯混凝土的应力状态,提出将管芯混凝土在水锤作用下起裂的最大允许断丝数作为爆管预警阈值,将管道埋地承载力极限状态的最大允许断丝数作为爆管报警阈值,并分析了不同工作内压和埋深条件下PCCP断丝预警与报警阈值之间的关系。

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。

预制地下管廊内连续管道的纵向抗震分析

本文为研究预制地下管廊内连续管道的纵向抗震性能,在ABAQUS有限元平台构建了地基土-管廊-管道系统的精细化抗震分析模型,分析不同地震波入射角度下管廊-焊接钢管体系的地震响应。研究表明,随着地震波入射角度的增大,廊内焊接钢管的轴力逐渐增大,在入射角60°时达到峰值;剪力峰值随入射角增大呈现出先减小后增大的趋势,在入射角45°时最小,入射角0°时达到峰值;管道的弯矩峰值随地震波入射角增大逐渐减小,在入射角0°时达到峰值。

典型软土地层不同端头形式管廊基坑的变形规律

为研究软土区不同端头形式管廊基坑的变形规律,以典型软土区中山科学城管廊深基坑工程为背景,分析基坑围护结构的水平位移和地表沉降的变化规律。研究表明:围护结构的水平位移自坑角起逐渐增大,最终趋于稳定。基坑周围存在易塌陷区域,地表沉降自坑角起先增大后减小,最终趋于稳定。90°对称端头、120°非对称端头和150°非对称端头形式管廊基坑围护结构的水平位移均自坑角起逐渐增大,分别在距坑角5.4H_(e)(H_(e)为基坑开挖深度)、8H_(e)、5.3H_(e)处趋于稳定,地表沉降分别在距坑角6H_(e)、8.3H_(e)、5.7H_(e)处趋于稳定,易塌陷区域分别为距坑角1.0H_(e)~6.0H_(e)、3.57H_(e)~7.57H_(e)、2.14H_(e)~5.14H_(e)处,研究结果为软土区管廊基坑施工过程中控制基坑变形提供参考。

荷载作用下砂土边坡-管道相互作用试验研究

随着我国西气东输、南水北调等重大工程的快速推进,埋地管道不可避免地会穿越高陡山区,并受到区域地形地貌的影响,而关于边坡-管道相互作用机制的认识还相对滞后,相关研究亟需加强。基于分布式光纤应变传感(distributed strain sensing,简称DSS)、粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术,开展加载工况下砂土边坡-管道相互作用的室内模型试验,探究了临坡地基极限承载力的影响因素,并研究了不同坡角下边坡土体变形破坏机制及埋地管道的结构响应特征。研究结果表明:(1)临坡地基经历了弹性压密、局部剪切和整体破坏3个阶段,并呈现不对称楔形破坏模式;(2)临坡地基极限承载力随着坡角的增大呈减小趋势,同一坡角下埋地管道的存在会降低临坡地基极限承载力;(3)管道对边坡滑裂面形成路径的影响程度随着坡角的增大而变大;(4)在荷载作用下埋地管道横截面环向应变呈“椭圆化”分布,据此提出了管周界面土抗力的简化计算模型与椭圆度计算式。相关结论对边坡-管道系统的变形控制与结构设计有一定的参考和借鉴意义。

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明:海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。