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波流作用下海底管土相互作用研究综述


第2卷

第4 期



国 海

洋 平



2    3

文章编号 :0 1 50 20 )4 0 3 10 一40 (0 70 一0 2 一9

波 作 下 底 一相 作 研 综 流 用 海 管土 互 用 究


李明高, 李听, 冯新, 周晶
( 大连理工大学, 大连 16 2 ) 10 3
摘 要:      回顾 了处于各种运行状 态下海底管道在波浪和海流作用下的模型试验结果和理论

计算方法, 包括常规重力场下的试验(9 1 试验) 离心试验; 和 解析方法和数值方法等。最后对海 底管一 土相互作用的进一步研究进行 了展望。 关键词:      海底管道; 波浪; 海流; 土作用 管一
中图分类号 P 5      : 7 6 文献标识码 : A

1 引言
海底管线是海洋油气开发工程的重要组成部分,      按其使用 目的可分为外输管线、 油田内部转运管线 、 平 台与外输管的连接管线、 水或化学品运输管线等类别。海底管道的铺设状态包括平铺在海床上的管道 、 挖沟 不埋管道和挖沟浅埋管道等 3 种形式。海底管道的运行状态除包括上述的铺设状态外, 还包括因地形或波

浪、 海流的淘蚀和冲刷作用导致的悬空状态。在位稳定性是海底管道设计的关键问题之一。海底管道的 4 种运行状态表明, 海床作为支持管线的地基必需提供足够的支撑作用才能保证管线的稳定性 。因土体引起 海底管道失稳的原因主要包括 4 即因海床滑坡或沉降导致管道失稳 ; 种, 因土体液化导致管道失稳; 因管道 覆盖层厚度不足引起管道隆起; 因波浪和海流的作用引起管道横向变形。因此, 在外部荷载作用下管道一 土 体的相互作用研究是解决管道稳定性问题的核心。 目      前国内外普遍采用挪威船级社推荐的 D VR E 5 n P 3 管道稳定性设计规范川。在机械加载试验基础 0 上, 该规范将管道所受波浪力和土体阻力分开考虑, 土体对管道的阻力依据试验得到的管一 土相互作用模 型川计算。这一推荐作法概括了海底管道在位稳定性遇到的基本问题, 提供了铺设在海床面上的管道在整 个寿命期的设计方法。另外, 美国天然气协会( G ) A A 也进行了海底管道在位稳定性方面的研究川, 推出了 设计计算软件及相应的用户指南 , 设计者可以利用该软件直接进行稳定性分析。 目前研究海底管线的方法主要有模型试验、      理论分析方法两类。物理试验和理论计算相结合 , 可以建立 合理的海底管道的外荷载加载模型、 浅层海床土的本构模型、 管材的本构模型、 管道和土体的接触模型等。 本文将就海底管道和支撑土体间相互作用的理论分析和试验模拟的研究现状进行总结, 提出进一步研究的
方向。

2 管一 土相互作用试验研究
海底管一      土相互作用试验, 考虑到土体性质的特点, 模型试验按照重力场的作用情况可以分为常规重力 场下的试验和离心试验。国外许多规范规定, 当理论工作还不成熟时, 必须进行模型试验闭。对于管一 土相 互作用, 至今尚未透彻了解其物理机制, 已有的分析模型大多建立在纯粹试验经验基础之上比5〕 , 。因此, 6 模 型试验成为必需的手段, 并依据试验结果验证和修改数值计算。常规重力场下的试验(9 1 试验)按照管道 ,
的铺设状态又可分为完全裸露管道试验、 部分埋设管道试验、 埋地管道试验; 离心试验是利用离心机产生的 离心力场提高模型的体积力, 形成人工重力, 在保证原型与模型几何相似的前提下, 可保持土体的力学特性 相似 , 应力应变相同, 破坏机理相同, 变形相似。
收稿 日期 :0 61一5 20一22 基金项目: 自 国家 然科学基金重点项 目(O300 5491 ) 作者简介: 李明高(93)男, 18一, 博士研究生, 从事海底管线破坏机理研究。

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李明高等

波流作用下海底管一上相互作用研究综述

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2 1 常规重力场下的试验 .

211 完全裸露管道试验 ., 海底完全裸露管道主要受到波浪、      海流的作用, 可能包括地震及海底地质迁移等其它地质变化的影 还 响。对于这类管道试验 , 主要有直接平铺在海床 卜 的管道试验和挖沟不埋管道试验。试验的主要 口的是研 究管道受到的水动力以及土体提供给管道的阻力, 据此分析管道的稳定性 。

L n川利用机械加载模型试验方法,      o ys 分别进行了管道位于砂土中的大比尺和小比尺试验, 以及管道位
于软赫土中的大比尺试验。试验结果表明: 库仑摩擦理论适用于砂土中管道的侧向滑动分析, 而不适用于软 勃士的管道侧向滑动分析; 对于砂土, 摩擦系数与管道重量无关, 而对干软豁土, 摩擦系数与管径、 管重和管
表面的粗糙程度有关 。

K r川根据塑性理论提出了极限分析方法,      al e 首先计算在自重作用下管道的初始沉降, 然后确定土体提
供的侧向滑动阻力。认为土体( 包括砂土和赫土) 对管道的侧向阻力系数应是土体特性、 水动力特性和管道 参数的函数 , 但是没有进行完整的参数研究, 只是给出各个参数的相对重要性。 针对海底管道稳定性问题 ,      各研究机构进行了大量的物理模型试验研究。其中代表性的有三大研究项

目, IE T B 川、 G 即PP s A 项目 A A项目 川和D 工 H 项郎,。不同于机械静力加载模型试验, 。 」 这些试验对放置在
海床上的管道施加往复水平载荷, 用以模拟波浪作用在管道上的拖曳力和惯性力, 同时施加一定比例的、 垂 直向上的荷载以模拟波浪作用在管道上引起的升力 , 并且提出了不同的预测模型。 18 至 1 7 挪威 I T F      8 年, SN E 研究所在Es 和 Sa i 93 9 s o t t 等石油公司的资助下完成了大型管道稳定性 o l

课题PP S A 。在对海洋实际土体进行大量试验的基础上, gnr I ET B wae 等田提出了管一 土作用模型, 见图1 。
并建议将摩擦力与被动土压力分开来考虑:
F = F +F                            l F R

日 一

式中: 。 F 为总的上体侧向阻力;F ( 一F) F =产w。 I为摩擦力,为 产
摩擦系数, 为单位管道水下重力,: W、 F 为升力;,为被动土压 F 力。利用该模型得到的土侧向阻力要比用库仑摩擦理论预测的大 得多, 与实际情况相符 , 体现了模型的合理性。

丁 1川 ! | 川川 甲
N F : 汁F

rno d Bende 等「提出了以能量耗散为基础的管一     n 习 土作用模
型。采用的土阻力模型与文献[] 2相似, 将总的土体阻力分为滑动 阻力 F 和与沉降相关的土阻力 F 。 H 、研究认为在往复荷载作用下, 随着管道振动产生能量耗散, 管道出现沉降, 计算 F 建议的模型 R
为:
F 一于
 一 R  卜

图 1 管一 土相互相互作用小意图

 仪 一  洲

一 1 ,+ “ 音‘ 1 (2

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其中: R二为由振动所产生的峰值土体侧向阻力; R: F, 5 F . 为在静力作用下所产生的峰值土体侧向阻力: : Kl 为与土的密度 、 管重以及管径相关的经验无量纲数; 为管道的沉降量; 2 D为管道外径; 为经验系数。壳牌 k : 石油开发公司、 布朗洛特公司和丹麦水力研究院联合开展 了 美国天然气协会( G ) “ A A 关于海底管道在位稳 定性的研究” 推出了设计计算软件及相应的用户指南, 困, 设计者可以利用该软件直接进行稳定性分析。 a m r 1 也利用机械加载方式研究管一 Pl e 等F」 0 土作用( HI D 项目)给出了静力条件下管一 , 土作用的经验公式:

( 0: . 十。2+2。                               三) 一。6 ,二 2/ D 2 ()

式 : 了DZ’ 一 , 管 所- 一 平 阻-R- 对 道一 力D 管 外 ; . 管 中: 息 , 了Dz5 一一‘’ 的 ‘土 力 为 --一的 ;为 道 径( 。 道 一 : 粤 ’ 为 道 受 水 一 一- , 土 管 反 扣。 为 一 ”” 一 -一 一- 一
位移为0S .D时的 上值; 为 二 管道的 。 初始沉降 文中 量。 指出由 在循环荷载作 于 川下管道的 饥降量增加, 管道
r                                       

所受的土阻力也大大增加 , 但是没有给出循环荷载作用下的预测模型。

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各国学者不仅进行了定性和定量的海底管道稳定性的试验,      建立了相应的经验公式 ; 还进行了旨在研究 管道的存在对流场的影响, 以及管道所受流场力的水力学模型试验。

高福平等[ 利用      口 U型振荡流水槽产生的振荡流来模拟水动力试验, l 研究海底管道的在位稳定性。试
验反映了波浪、 管道、 海床之间的藕合效应。说明了管道失稳一般经历 3 个阶段 : 管道两侧砂粒起动 , ) 1 砂床 在水动力作用下遭到冲蚀 ; 当振荡流幅值增大到一定数值时, ) 2 管道发生轻微晃动, 此时管道底部未脱离砂 层, 管道晃动的频率与振荡流的频率一致; 轻微晃动一段时间后 , ) 3 管道和砂床脱离 , 失去稳定。同时, 改变 管道水下质量、 管径和加载历史等, 研究了管道失稳的条件。在试验的基础上 , 初步得到了管道失稳的临界 傅汝德数 F 。与管重无量纲参数之间的关系, rr 并发现不同的加载历史对管道稳定性的影响程度不同。
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式中: , G 为单位长度管道水下质量;a s 为饱和砂土重度; y, D为管道外径; C r 为临界傅汝德数。 Fr
高福平等在文献[2 中进一步分析了管道在 自由和防滚两种约束条件下管道失稳的三个阶段。但在两      1] 种情况下第二、 三阶段管道的运动形态不同。最后, 给出了考虑波一 土藕合作用的管道在位稳定性分析方 管一 法〔」 ‘ 。但是, 3 高福平等的研究仅考虑了波浪为主的环境载荷作用下水平砂质海床上管道的在位稳定性, 没 有综合考虑海流、 其它土质等因素的影响。在 U型振荡流水槽试验中管道两侧产生对称的土体堆积 , 这与 实际海洋环境作用下管线两侧的土体状态是不相符的。

李玉成等仁     “通过物理试验研究海底管线在波浪作用下的受力情况, 〕 分析了波浪场中管线周围流场的特
性及其对管线的影响。用数值方法模拟管道受力 , 与试验结果 比较, 验证了数值模拟方法的可靠性。进一步 指出应以海底管线周围流场的变化规律为重点来准确把握海底管线受力的规律。 文献[]      3对浅沟内的管道进行了试验。采用折减系数对水动力系数进行折减以说明浅沟内管道存在着

掩护效应。 邢至庄等比 基于水力模型试验, 〕 引人相对沟形系数 a, r 获得了以a为表征的相对水动力系数与 r
K C数的关系。 根据所设计沟形的 a 值和所选定的 K r C值 , 可以判断管道受力折减程度和掩护效果 。得出 a r

对水动力系数影响程度的从大到小依次为: 沟深、 沟边坡、 沟宽。张 日向和马良 哪 阐述了沟槽内管道在波 〕
和流等水动力作用下受到的掩护效应直接与沟槽深度、 边坡和底宽有关。当沟槽深度 H 大于 2 倍管径 D 时, 其掩护效应与 H/ D=15 . 时相仿 , 不再因沟深加大而加大; 当沟槽边坡倾斜较缓( 5 , ) 这类 1, 一1 7 时, 沟槽尚能起到若干掩护作用 , 而边坡继续变缓( 1 7 比 , 更缓) 此类沟槽如同无沟平坦海床裸置管道一样 时, 不再受到掩护。

o ’ J 等巨 对位于各种截面沟槽中的单根管道和双根管道的稳定性问题进行了试验研究,      7 〕 并进行了数值模
拟。分析了不同沟槽坡度和深度对管道所受水动力的影响。试验采用 PV技术对管道周围流场进行测试, I 包括流态、 拖曳力系数和升力系数, 并将这些结果和数值结果进行比较。同样采用折减系数说明位于沟槽内 管道受力大大地减小了。文中阐明沟槽深度对于间距为管径的双根管道的影响不是很明显, 相反当流体速 度增加时, 加大沟槽深度可导致管道下游拖曳力的增加。

212 部分埋设管道试验 ..
海底管道部分埋人海床的原因,      一是由于铺管作业时管道与海床土的直接作用和管道 自重作用的结果。 再者是在波浪、 海流等环境因素作用下 , 被埋管道周围遭到冲刷或淘蚀形成的。总之, 海底环境、 管体 自重和 海底土质是造成部分埋设管道的主要原因。 部分埋人管道可定义为管道沿线横截面部分被埋人海底的管道。管道沿线暴露面积有不同程度 的减      小, 见图 2 所示。

F a8      d1 等通过试验, o[ 〕 研究了半埋管道在波浪作用下失稳的物理过程。测量了管道上表面( 露出部分) 受
到的作用力和管道下表面( 埋人部分) 的孔压分布, 并且利用简单的理论模型描述管一 土分界面上的孔压阻
力。

L w和 F a洲      d ‘在假定多孔刚性海床的基础上, a o[ 提出了半埋管道失稳的不对称缺口模型, 该数学模型比

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先前的均匀上升模型更能够反映管道的物理状态, 并且指出初 始的缺 口对管道的失稳过程产生重要影响。

/ = aD 埋入度

闰澎旺吻     对半埋管道进行了模型试验, 〕 首先进行了管道静
置沉降试验, 然后进行了往复荷载作用下管道侧向阻力及沉降 试验。给出了土体侧 向阻力的表达式。 s i‘ I a 2等认为部分埋设管道的拖曳力系数、      ml 〕 [ 惯性系数和
图 2 部分埋设管道示意图

升力系数大致与管道的暴露面积有关。对于半埋人管道, C数在 。 0 范围内, K 一7 拖曳力系数是裸置管道拖

曳力系数的一半。A e 等川在水槽中对部分埋设管道进行了附加试验, Hn 结果表明: 由于部分埋设管道暴露
面积的减少 , 管道所受水平力比完全暴露的管道减少 4 %一6 %, 0 0 而升力系数变化较小, 这是因为升力的减 小只是因流速减小引起的, 在半埋时升力作用面积并没有变化。

Jcbe 在研究中考虑规则波加稳定流、      二 a s o 价2 不规则波加稳定流情况下部分埋设管道的掩护效应。马良 和张日向卿 也进行了部分埋设管道水动力作用下的模型试验。同样表明部分埋设管道由于减少管道的暴 】
露面积, 拖曳力和惯性力有很大程度的减小 , 但升力减小并不明显。 2 13 埋地管道试验 .. 管道埋设在海床土中,      一方面可以避免波浪、 海流的直接作用 , 减小水动力荷载的作用; 另一方面可以有

效地防止船舶锚具及其它重物对管道造成的破坏。间澎旺卿 用模型对埋地管道进行了轴向摩阻力试验, 〕 并
将试验结果与多种计算方法进行了比较。发现已有的经验公式计算的砂土对管道轴向极限摩阻力与实测结 果基本一致 , 因此可用于实际工程的设计计算。

闺澎旺等卿 及朱继伟等必 分别利用振动台对海底管道进行模型试验。闻澎旺等通过对软化土中管道      〕 习
的稳定性研究 , 分别得到静载作用下和循环荷载作用下判断管道稳定性的图表, 用作判定海底管道稳定性的 依据。朱继伟等将液化土体描述为宾汉体, 建立管道在宾汉体中的运动方程, 并利用模型试验确定的参数可 以确定圆管不同时刻的位置, 进而可以计算管道上的拖曳力, 分析管道应力状态的改变。

S hn      〕 d ua 等哪 通过模型试验研究了波浪引起的管周孔隙水压力和管道受到的水平和竖向作用力。试验
中定义了散射参数 k , a 以表明波浪周期对波浪引起压力的显著影响。试验中还通过改变埋置深度和波高来 分析管周压力和管体的变化。但是没有考虑土体有效应力 、 位移等的影响。

Kmr      2通过物理模型对在规则波和随机波作用下, u a等卿,习 8 不同铺设状态( 平铺、 半埋和全埋) 的海底管
线受波浪引起的水压力和升力以及冲刷情况进行了广泛的研究。 22 离心试验 .

Ma 和wi 卿 主要通过小比尺离心模型试验,      l m 〕 j d i a i 研究埋地和非埋地管线“ 隆起屈曲” 现象。采用18 .
m长的管段进行试验, 试验中热水在管中流动, 并通过提高水温来增加轴向荷载直至管段发生屈曲现象。

当加速度是 2.9 试验结果发现埋地管线屈曲荷载( 1 1 时, 管道发生屈曲时施加的最大轴向压荷载) 是非埋地 管道的 17 , . 倍 埋地管道抗屈曲能力明显优于非埋地管道。结果表明试验结果和理论模型吻合得较好。最 后指出利用离心机产生更高的加速度来研究更大的原型管道有广阔的前景。 Z n 进行了三种类型离心试验:      a h g 竖向加载试验、 管道横向运动时竖向位置保持不变的侧向变形试验和 管道横向运动时竖向荷载保持不变的探测试验。在试验的基础上分别提出了三个预测管道和土体受力及位

移的 一 作用模型, 管土 分别是: 弹塑性模型(ao lt md )〕 es 一psc oe[ 、 lt ai l3 边界面 。 模型(oni s fe o- budg ua md n rc
e 仁 和随动强化模型(i m t hrei m dl3。由于模型假定管线为刚性体, l3 )‘ 习 k e aC a n g oe [ n i d n )2 〕 所以无法确定管线的
结构行为, 如变形、 应力分布等。

3 管一 土相互作用的理论方法
研究管一      土相互作用问题初期 , 一些学者主要用解析的方法 , 提出了一些求解埋地管道渗流力和非埋地 管道动水作用力的解析解。随后, 由于计算机技术的高速发展, 使得具有数学过程简单、 物理概念清楚等优

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点的数值方法成为研究管一 土相互作用不可或缺的有效手段。 3 1 解析方法 . 311 裸露海底管道的动水作用力分析 .. 对于海底平铺管线受力计算 ,      传统方法是利用半经验、 半理论的 Moi n r S 方程 , 0 其基本假定是柱体的存 在不影响波浪的运动。应用 Moi n r s 方程计算海底管道的受力可能偏于保守, o 但由于简单实用, 所以一直在

实际工程中普遍采用并为工程界接受。Lm r o 等川 考虑了管线后面的尾流效应以及与时间相关的水 a b k5 习 a 动力系数, 提出了计算管线受力的Wae 模型。随后S d d咖 3提出了Wae 模型, k 工 e g o i 。 悦5 」 k l 该模型通过求出 振荡流线性化 N v r o s a e S k 方程的封闭解来修正尾流速度。S a 等哪 基于 Wae 模型, i 一 e t b ag 〕 k l 考虑了波浪、
海流联合作用下管线的受力计算。这些模型仅计算了管线的受力 , 没有涉及其他响应 , 如管道的位移、 应力 及土体的孔隙水压、 变形等。

312 埋地海底管道的受力分析 ..

基于势流理论,      多位学者利用解析方法求解管一 土相互作用问题。Ma hr n 〕Mcogl 〕 P s c e 即 、 D a 等哪 对海 o u 底埋设管线在无限深海床情况下求得了管线所受波浪力的解析解。Sie盯9 〕 p b ) 利用函数理论和映像法给 r e
出了管线不同埋设情况下孔隙水压力的解析解。结论指出作用在管线上的孔隙水压力是管线所受浮力的

0 1%一3%, 0 取决于最大波浪荷载和埋置深度。但是以上工作均基于势流理论, 这与土体和孔隙流体两相介
质的实际条件不符, 并且利用该理论不能得到土体的有效应力和位移。

邱大洪等咖 基于热传导方程,      习 利用映像法得到了作用于有限及无限深海床中管线_渗流力的解析解。 L
当管线处在浅水区、 波长与水深之比较大时, 用线性波理论描述波面形状常引起较大的误差, 需要研究波浪

的非线性对波浪力的影响。邱大洪等〔 基于一阶椭圆余弦波理论给出了无限深海床中埋设管线上的非线 ‘ ’ 」 性波浪渗流力的解析解。孙昭晨等沁 也得到了浅水区中海底埋设管线上非线性波浪力的解析解, 〕 但是都没
有对土体的响应进行讨论。 32 数值方法 . 与解析法相比,      数值方法在模拟复杂的波浪条件和考虑海床土特性方面有明显的优势。研究管一 土作用

的数值方法中大多数采用有限元法, 也有利用有限差分法。Cue 等川 阐述了波一 土相互作用的重要 l ky 〕 管一 性, 但是由于土体特性和管线几何形状的复杂性, 所以这个问题一直没有得到很好的解决。 321 将管道考虑为刚体的数值分析 ..
多位学者在考虑管一      土作用问题时没有考虑管道的材料特性, 而把管道当作刚性不可变形的材料来处 理, 因此没有研究管道的结构行为, 如应力、 应变及变形等, 主要研究管线受到的渗流力和土体响应 。

c eg i 咖 考虑了多孔弹性海床上两个不透水壁包围的埋地管线,      u 〕 hn 和L 研究埋设管线的渗流力, 利用边
界积分方程法讨论管线周围波浪引起的孔隙水压力和土体应力。

Mad呱 ‘利用二维平面应变有限元模型研究作用在砂质海床上的波浪引起的埋置管道的升力,     6 ga 〕 分析
中增加了不同土体饱和度对管道升力的影响。模型忽略惯性力的影响, 假定土体本构满足线弹性的应力应 变关系, 流体流动满足达西定律, 并且模型考虑了孔隙流体和土骨架的可压缩性 , 该模型比只考虑孔隙流体 压缩性的模型更接近实际。Mad阳 进一步讨论了孔隙压力的扰动效应问题。由于刚性不透水海底管线 ga 〕 的存在, 扰动效应会影响波浪引起的孔隙压力场。但是上述文献都是基于多孔均匀海床, 没有考虑海床的非 均匀性对所分析问题的影响。

基于Bo     固结理论, g 二 it J 呻 提出波一 土相互作用模型( n e 管一 见图3, )利用有限元方法研究了埋设在多孔弹
J 胜海床上管线周围孔隙水压力的变化, 作者假设海床土的剪切模量随深度线性增加( b ns l, i o i G s o )阐述了剪 切模量、 管道半径、 埋置深度、 土壤饱和度对埋管附近土体孔隙水压力的影响。

Jn 和C n呻 在曲线坐标系下,      eg 〕 e g h 利用有限差分法研究波一 土相互作用, 管一 得到了管周的孔隙水压力分
布和土体位移等。 任艳容[〕      利用 A A US 0 5 B Q 有限元软件进行管一 土相互作用数值模拟 , 海床土体分别采用 D na一 hn u nC 非 c a

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线性弹性模型、 Bo理论的多孔弹性模型, 及 Rm r- 基于 it ‘ a bg 1 e O go 弹塑性模型. , sod 2 并在管道与海床接触的地方设置了接 〕
触面以模拟管道与土体之间的不连续性, 分析了裸置于海床上 管线下方的土体响应以及管线本身的运动行为, 与有关实验结 果相吻合 。但是数值模拟 中没有涉及管线的变形及应力问题 , 并且只考虑波浪, 没有考虑海流的影响。
静水面

海床面

322 将管道考虑为变形体的数值分析 .. oe     对海底管线的在位稳定性进行了数值模拟。管 s 等呻卫 道采用三维梁模拟, 管材采用 R m r一 sod a bg O e g 弹塑性本构模
型, 并考虑了波浪和海流的联合作用下管线的变形行为。

上体

Z R 仁
管道

Jn阳 在把海床土描述为Gbo o 的基础上,      eg 口 i ns l s i 进一步假
定海床土的剪切模量和渗透系数都是与深度相关的函数 , 并考 虑管线是弹性材料, 不仅研究了管线表面波浪引起的孔隙水压

刚性海床           

图 3 波一 土相互作用示意图 管一

力, 而且得到了管内应力的分布状况。 eg 口 J 险 还研究了波一 土相互作用问题中管线的内应力分布和自 n 管一 身
的变形情况, 并通过参数分析得到了管径、 埋置深度、 土壤类型( 粗砂 , 细砂) 对管周孔隙水压力、 管内应力和

管线变形的影响。 Wa 等饰 利用有限元模型分析了作为保护海底管线的覆盖层(      〕 g n 如粗砂、 砾石和卵石) 的几何尺寸( 宽度
和深度) 及海床土的各向异性对管线周围孔隙水压力分布的影响, 模型亦考虑管道是弹性的, 据此可以估计

管道的位移, 但文中没有具体论述。 Go 1     指出对于位于浅水中的海底管线, a 等脚 受到波高较大的波浪作用时, 只考虑线性波浪作用下管线 周围土体孔隙水压力和有效应力的变化是有偏差的, 文中考虑了波浪非线性分量的影响。同时考虑海床的 非均匀性和管道的变形特性, 得到的土体孔隙水压力和管道内应力更符合实际。G 和 Wu 〕 o a 哪 阐述了波浪 非线性分量、 回填土特性( 剪切模量 , 渗透性) 及管沟外形对管周孔隙水压力分布的影响。以上工作的重点是 分析管道周围孔隙水压力的变化, 而管道多假设为线弹性材料 , 对管道变形行为分析得不够全面, 并且没有 考虑管一 土接触的影响。

4 结论及展望
综上所述,      波流作用下海底管一 土作用主要为: 管道的外荷载计算, 包括动水作用力、 渗流压力等; 波流作 用下管线周围土体的响应, 如孔隙水压力、 有效应力及位移; 管线的变形及内应力分析。对于海底管一 土作用 问题, 关键是建立合理的模型。由于复杂的土体特性、 海洋环境、 管线的几何形状及三者间的藕合作用, 完全
模拟管一 土相互作用是非常困难的。以往的模型大多建立在经验基础上, 或引入了过多的假设 , 或分析的内 容也不全面。因此, 还需要进一步的深人研究。 ( 土体和管道本构模型的合理选取。目前研究管一      ) 1 土相互作用问题中, 土体多考虑为多孔弹性介质 , 以 分析水在土中渗流的影响, 管道考虑成线弹性材料以了解管道的变形、 运动等情况以及应力、 应变分布。浅 层海洋土特性, 特别是超深水域海洋土、 高含水量和高塑性海洋土的特性研究 , 是提出海洋土本构模型的基 础。当在地震作用下管道发生较大不可恢复变形, 也需选择合理的弹塑性本构模型来模拟管道的变形反应。 ( 波浪、     流体、 ) 2 地震等外荷载联合作用下管线的结构反应 , 如应力, 变形等。已经开展了管线在单一荷 载作用下破坏机理的工作, 但对几种荷载共同作用下的管线分析尚不多见, 而且研究难度也大大加大了。

( 土体和管道之间的接触面的影响。在实际工程中,      ) 3 管道与支撑土体可能发生滑移、 脱离等现象, 所以
考虑管道与土体之间的非连续性 , 在管一 土交界面处设置接触面以研究接触作用对管一 土系统的影响是符合
实际的。

( 流场一      土藕合反应模型研究。目 ) 4 管一 前波一 土相互作用分析主要研究管道周围土体的响应, 管一 进而阐

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述其对管道的影响。进一步需要研究流场一 管道、 波浪一 海床、 海床一 管道及流场一 管道一 土体藕合相互作用。 ( 土体物理性质的改变对管道的影响。在波流长期作用下,      ) 5 海床土体性质可能发生改变( 砂土发生液 化或软勃土发生软化)研究实际物理状态的土体对管道结构行为的影响, , 对指导工程设计和修复是有重要
意义 的 。

( 数值分析模型与模型试验相结合 , ) 6 是研究海底管道在外部荷载作用下反应的可行途径。

参考文献                                
[〕 D t ose et . n o o t i y eg o Sb a n P en, e m edd r te o巨〕 18. 1 e nr V ra O 一Bt mSa l D s n f um r e i le R c m ne Pa i E3s5. 95 k is t bi t i i pi o cc [] Wanr , r J , r nde 2 ge DA Muf D Be odnH, t l Pp一Sil e co f n ea i . e o n r t nMoe A .Poe i 、 f i t n nul l ta i dl j r e n o Nn e t na 〔 cdg e e hA
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A na O f oe eho g of ec[ 〕 18 : 07       r T cnl yC ne neC , 99 65. nul f h s o r 巨] V r y 6 ee RLP St r TA Si e s ne oef P en、 l e o sny osA . r e i s f l lt n- l ,o e b g . o R s t c M dlo i le Pa d n ad si[ 〕 Po e n o lt n ra l ia r pi c l cdg h e

t nl of e e n fhr Me n S n A cc ni en C , 92 V       c o Of oe cai ad r iE g e i 巨] 19 , 一A: 2一11 i aC n r o en s h c t n rg 13 3. [〕 L oS . o R s t c t L t aSd g f a n P ensA . r ed g o F t A naOf oe eho g 7 yn CG Si e s neo a r 1i o M r e i le[ ] Po ei S f ih nul fhrT cnl y l ia e l in i pi c n f s o C ne neC 17 : 86        , 93 17. of ec[ 〕 r [〕 K r K L t aS bi o Sb a n Pple A . r e i S f t nul f hr T cnl y of ec巨 ] 8 a l . a r t i y f um r e i i s 皿 Po e n o 9 e e l al t i en [ cdg hA naOf o c o g C n r eC , s e h o en
1 7 :2 6 .        97 97

[〕 Wo r r R G tJ , tlPP S A Po c:m rvd e g Bs f Sb a n P en sai yA . r 9 la W , e R ea IE T B r e I p e D s n ai o um r e i le t l 「 ] Po f mj z . jt o i s : i pi bi t -
cei s f i t nhA na O f oe eho g C ne neC , 97 50.        e et n ul f hr T cnl y of ec仁 〕 18 : 51 ed g o Nn e n s o r 仁0 Ple AC A de a e, t l lt aR st c o Ma n P enS n adA . rc d g o Zt nul 1〕 a r , nr m wPl r ea a r e s ne f r e i le o Sn [ 」 Poe i s f o m . e l ia i pi en hA na Of oe eho g C ne neC , 98 55.         y of ec「 〕 18 : 83 f hr T cnl s o r

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Junl f t w s P r, os ln o e n i ei , 02 186 : 5一20         y, ot C at ad c nE g er g 20 , 2() 28 7. ora o wa r a e a a n n

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tr as P r C at ado enE g er g 19 , 2 : 6 一26        , os l n ca n i ei , 90 18 27 8. ew y , ot a n n

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55.            81

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一3 .            7

万方数据

3 O

李明高等 波流作用下海底管一土相互作用研究综述

20 0 7年 8月

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( ) 3 一5 4 5 :5 3 4 .

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〔 〕 19 , o m l: 8一12 C , 99 V l ef 15 9. u Zag , t a DP R no hM. . oen o Sao l E bde fhr P ensn a a os adJ. hn J S w r e t , adl p F M dlg f hlwy m eddOf o i 1e i C l r u Sn〔] i l s e pi ce
Jun l f et h i l n eev o etl nier g 2 0 , 2 ( ) 3 3 7 . o ra o G oe nc adG on i m na E gnei , 02 18 5 : 6 一3 1 c a r n


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l e t i , 97 e sa o 19. g tn Sei o R L m r o KF E g B L r ii o H doya iFr s nSb a n P ens s ga m od d I , a ba s , de . .Pe co f yrdnmc oc o um r e i le ui nI - g k d tn e i pi n

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C r ns 〕 o en ni en , 00 2(2: 25 39 ur t J. c E g er g 20 , 71) 19一11. e 〔 a n i chr . v F r o i i B rdi em al ebdJ. orao wa r as P r os l n o e o e en e e e , a a 「 7 MaP esn Wae ocS nPpl e ui nPr eb Sae仁〕 Junl f t w y, ot C at ad c n 3〕
E gnei ,17 , 0 () 4 7 1. n ier g 98 14 4 : 0 一4 9 n

D ua, ai o , nm yr v一Idcd oc o B r d i i sJ. orao wa r as P r, os d . e e en e - [ 8 Mc ogl D v sn Mok ee Wae nue F r s n ui Ppl e[〕 Junlf t w y, ot C at 3〕 a ad ca ni e n , 98 142 : 2 一26 l n o enE g er g 18 , 1() 20 3. n i eb s o n en a n n [9 S ieug Wae nue P r Pesr a ud um r e i le仁〕 C at E g er g 18 , 01 : 3 8 3〕 p r r. v一Idcd oe r ue r n S b ai Pp i sJ. os 1 ni ei , 96 1() 3 一4.

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厂 ‘L 连 工







Of r Pp i 〔 〕 Po ei s fh 1t nul fhr T c o g C n r eC , 99 65.    oe i leA . r ed g o t 2sA naOf oe e nl y of ec仁] 18 : 11 fh s en c n e s h o en C eg hn AHD Lu . epg F r o a i le ui ia o e sc e e udr v L ai 仁」 A pe O , iPF Seae o e n P en B rdn P r l t Sa d neWae od gJ. pld - c pi e oai b n i
ca eerh 1 8 ,8 1 : 2 2 enR sac , 9 6 ( ) 2 一3 .
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ct o C m uao [ . o pt s n et n S 19 , 91 : 7 3   n f o pt i s 〕 C m ue adG oehi , 96 1() 4 一7. ao i tn J r c c Mag W. v一I c U lt oc n Sb an Pp i B rd n C m r s lSa dJ O e E g e -    a Wae nu d pfF r o a um r e i le ui ia o pe ie e e[ . c n ni e d de i e i en e sb b ] a nr
ig    9 7 2 ( ) 5 一5 6 n ,1 9 , 4 6 :5 1 7 .

Mag W. v一IdcdC cc oe r ue e ubt nEf t nH doya iU lt oc cn nS b    a Wae nue yl P r一Pesr Pr rao f c i yrdnmc pfF r A t go u- d i s t i es i e i

m r Pp i B rd n ebd ei ns 〕 C at E g e i 20 , 92 ) 23 7.    e i le ui i Sae Sd et J. os l ni en , 00 3(一4 : 4一22 a n en i e m [ a n rg Jn DS Ln . v一I ue P r Pe u a ud B rd i len i o Si Fn e l et nl i J eg , i YS Wae n c oe r sr r n a u e Pp i i Gb n o : ite m n aa s 〔 d d s e o i en s 1 i e ys ]
Itra oaJunlo N mei l n nl i l to snG o cai , 99 2 (3 : 59 58 nent nlora fr u r a adA a ta Me d i emehn s 19 , 3 1) 15 一17. i c yc h c

万方数据

第2卷 2

第4 期



国 海 洋





3    1

[9 Jn DS C ogl Wae nuo ebd nt , y rud B r d i ia o 一Eat S。eL〕 O e ni 4〕 eg , hn . v一Idcdsae l a l a n a u e Pp n P r s bi o t i e o l l 。bdJ. ca g sc nE
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「3 0 e 5弓 5 BA, o gB N s m PR e a Y n , yt r , t l Fn e { et dlo l一5t eai O f oePp1 e nU ee .A ii 一Ee n Moe f n 主 t m r uB hv r f h r i i o nvn o s en

Sae n t A pct nt O1 ot 1 t i yA . h Poed g o te i h1t nt 二] f hr adP l ebdadl plai o , s i o 一B t n Sa l 仁 」 T e rcei S fh n t nc a。 。Of oo n o r o b, t n n r i : o E g or gC n。ec二 〕 19 , o m 1: 3 一1o ni ci o壬 neC , 99 V l 。1 12 4. n n r u
二月 5

Jn egUS u et l dlgfr v一Sac一Pp lt a: ni nn o oeeu P ru Sae[丑 0 .N m r aMocn o wae cbd i ne co na o 一H m gnos ooS eLdJ.5 , c ; e r i [
D nm c adE r qae n i el , 0 1 2 : 9 一72 ya i n a huk E g er1 20 , 1 69 1 s t n 工 9

[5 J gDS Ps a , i 5」 c n , ot PF Inys Sr ss n Dfrao o a ui Pp udr ca wa。 od gJ.l rao m . t s ad e m tn f B rd ; neo en v L ai [〕 o nlf ee o i e e n u
T asott nE g er g 2 0 , 2 () 38 0 . rnpr i n i ei , 0 1 17 5 : 9 一4 7 ao n n

[6 WagX, eg , i YS Ef to a oe L yx n v一Id cd oe rsue rud B r d ien n n 5] n Jn DS Ln . f c f C vr ae o wae n ue P r Pesr a n a ui PP i a A - es o e

i t p sae[ . ) 。 E g e i , 00 2() 83 3. s r i ebdJ ( 。 ni en 20 , 78 : 2一89 oo c 」 c 。 n rg
「7 G oFP Jl 5〕 a , egDS Sk uh H u ei l td o te ncatnht ennn i 。 Wo。 B r d ien ad l , ei cl .N m ra Suy n h It co c e o 一ln : v, ui Pplo n g c r l w e e i nn o oeeu P r。 Sae仁习 C m u r adG oehi , 03 3() 55 花. o 一H m gnos oo 、 ebdJ. o pt 、 工 et n 、 20 , 06 : 3一57 e 〕 c c
「8 G oFP Wu 5〕 a , YX N n i a W。e n ue r s n R sos o Siaon a r ce i leJ. ca ; . o 一In r v一IdcdTa i t epne f o rud T e hdPp , 厂〕O enE1 c ne l n en -
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I pr o e - S op s d

K y od : sb aie i l e w v , urr, ie n o itrc o e w rs u r r pp i , ae cr l p ad、l neat n n n en et p l i
( 上接 第 2 页)

F NI E EL I T EM ENT ANALYS S0F T I HE S RES 0NCENT T SC RAT 0N I

F T         HI AC ORSI T N一WA L D T B L N L E U U AR T OI S 一J NT
H NXo gG n , A i n a g WUXuL i i
(h i h agR i a ntueS i zun 503Cl a S i zun aw yls tt,h i h agO04 , ln) j a l i j a l

A s at ‘ o a go eai o w le h 一 ae Tji s w i s uj t occc npae e- ht c: 1 f i bhv r f e dti w ld 一 n , hc sb c dt yl i li b; r ’ tu h o d n l ot hi ee i 一 工 1 d g, aa zdb f i e m n. h cr so d g oa os fh pa S Fvl s l g I w l t i i nl e y i t l et T e or pni 1 t n o te ek C a e a n te o o n s y ne e e n ci u o : d e ad h pooe eut n at; t g h S Fvle o te 一 i s u et t CccnP n bni i n te rps qa os nip i te C a s fh TJ n 。b c d o yl , l e ed g d i c an u ot j e i 一a ns
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K y o s f i e m n m to . l u u r 一j nss es o cnrt nf 士r e w r : i t l et e dt ntbl t o t,t s cnet l a os d ne e h h a i r oo c

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