砂质海床上海底管线稳定性的数值分析

发布时间：2020-10-10 16:38

　　 海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施,在海洋石油工程中应用非常广泛。海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。波浪在传播过程中,会在海床表面引起周期性的波压力。这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静孔隙水压力及附加有效应力,改变了海床中的应力分布。海床上放置的管线亦会对其附近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响,使海床中的应力分布更加复杂,最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象,导致海床的失稳破坏。因此,研究波浪-管线-土体的相互耦合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 本文通过非线性有限元计算软件ABAQUS,对砂质海床上的裸置管线进行有限元分析,研究在环境荷载及管线荷载作用下,海床中的应力发展情况,进而对管线附近的海床土体的液化做出判断,为海底管线的稳定性设计提供理论依据。 文中首先将海床视为多孔弹性介质,对波浪-管线-土体进行了耦合分析,得到了在波浪荷载及管线荷载的共同作用下,海床中的超静孔隙水压力及险加直效应力的分布情况。探讨了不同的渗透系数、海水深度、波浪高度、波浪周期、波浪理论、管线参数及土体变形模量等因素对海床中的超静孔隙水压力及z方向有效正应力分布的影响。 随后,为更加接近实际情况,本文将海床视为非均质的Gibson土进行研究,分别考虑了单独变化渗透系数、单独变化剪切模量及同时变化渗透系数与剪切模量等情况,得到了作为Gibson土考虑时,海床中的超静孔隙水压力及z方向有效正应力的分布情况。 最后,考虑土体的自重荷载,使用Python语言对ABAQUS的计算结果进行二次开发。使用了Zen和Yamazaki的液化判断准则,得到了在波浪荷载及管线荷载共同作用下,海底管线周围砂质海床的瞬时液化结果,并对结果进行分析。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2008
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

砂质海床上海底管线稳定性的数值分析图3Fig.3.2波峰作用时，粗砂海床在波浪作用下的超静孔隙水压力响应云图，其中(a)为自由海床，伪)为置管海床 Contourofexcessp眼芦es~distr币诵。 ninaseabedofcoarsesandunderwavecrestloading，(a)五七 eseabed，伪 )pipelaidseabed图3.3波峰作用时，细砂海床在波浪作用下的超静孔隙水压力响应云图，其中(a)为自由海床，伪)为置管海床 Fig.3.3ContourofexcessPorePressU比edistributioninaseabedof五nesandunder、vav’ ecrestloading，(a)加 eseabed

分别取渗透系数为10-:m/s的粗砂海床和渗透系数为10一m/s的细砂海床进行模拟，并与前人工作进行了对比。图3.2及图3.3分别给出了波峰经过时，粗砂海床及细砂海床在波浪作用下的超静孔隙水压力云图。由图可以观察到整个海床中波峰作用下所产生的超静孔隙水压力分布情况。由于海床尺寸限制，图3.2及图3.3只能观察到半个周期的超静孔隙水压力分布，但由于波浪的波峰与波谷是交替对称作用的，因此，当时间作用满一个周期时，即可以观察到海床中完整的超静孔隙水压力分布情况。

Gibson土是指土体的剪切模量及渗透系数随深度变化的非均质弹性半空间土体模型。本文所假定的剪切模量和渗透系数的变化函数与Jeng(1999)[30〕等所取的相同，变化曲线如图4.1所示，变化函数如下:K=凡 exp(4.69xz/h)(4.1)G=G00一15z/h)(4·2)式中，z为以海床表面中点为坐标原点的竖向坐标;h为海床土体深度;K。为海床表面处的渗透系数;民为海床表面处的剪切模量。本章将考虑四种不同情况分别对波浪作用下的自由海床及置管海床响应进行研究。这四种情况分别是:渗透系数与剪切模量均不变化仍，ell)，即第三章中所计算的均质多孔弹性模型;渗透系数随海床深度变化(t即e21);剪切模量随海床深度变化(加el2);渗透系数与剪切模量同时随海床深度变化(加e22)。
【引证文献】

相关硕士学位论文 前3条

1 郭喜亮;海底管道与海床土相互作用的有限元分析[D];大连理工大学;2011年

2 余攀登;海底悬跨管道的力学分析以及其引发的海床液化研究[D];西南石油大学;2012年

3 于志猛;非金属海底管道在位稳定性研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

本文编号：2835319