波浪作用下海底管線及周圍海床動力響應(yīng)分析.pdf

1、海底管線是目前最為經(jīng)濟、高效地由近海油田向陸地輸送石油和天然氣的工程設(shè)施，在海洋石油工程中具有廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計管線時所考慮的環(huán)境荷載中，波浪荷載是主要的環(huán)境因素之一。當(dāng)波浪在海面?zhèn)鞑r，會引起海床表面周期性變化的波壓力，海床表面的波壓力進一步傳遞到海床中，在海床中引起超靜孔隙水壓力和附加有效應(yīng)力，改變了海床中有效應(yīng)力的分布。因此，為了合理地評價海底管線在波浪作用下的穩(wěn)定性，必須考慮波浪荷載在管線周圍海床中所引起的動力響應(yīng)及其對管線自身

2、內(nèi)部動應(yīng)力的影響。迄今為止，在海底埋置管線的穩(wěn)定設(shè)計中，大多是基于經(jīng)驗性的結(jié)果，還沒有發(fā)展一個更加合理、完整的設(shè)計方法。在海底管線設(shè)計中存在的一個關(guān)鍵性問題就是準確地計算由波浪所引起的海底管線附近海床中的超靜孔隙水壓力和管線內(nèi)應(yīng)力。 本文考慮管線的柔性，分別采用飽和孔隙介質(zhì)的Biot動力固結(jié)理論和彈性動力學(xué)理論列出了海床與管線的控制方程，進而采用摩擦接觸理論考慮海床與管線之間的相互作用效應(yīng)，基于有限元方法建立了海床.管線相互作用

3、的計算模型及其數(shù)值算法。通過計算發(fā)現(xiàn)土.管之間的接觸效應(yīng)對波浪所引起的管線周圍海床中的超靜孔隙水壓力影響很小，但對波浪所引起的管線內(nèi)應(yīng)力影響顯著。慣性力效應(yīng)對波浪所引起的管線周圍海床中的超靜孔隙水壓力具有一定影響，但對波浪所引起的管線內(nèi)應(yīng)力影響很小。管溝尺寸對于管線內(nèi)應(yīng)力具有顯著影響。管溝形狀對管線附近海床中由波浪所引起的超靜孔隙水壓力及管線內(nèi)應(yīng)力均有顯著影響。 目前大多數(shù)研究只是考慮了管線、海床在線性推進波作用下的響應(yīng)，沒有考

4、慮波浪非線性對于管線及其周圍海床響應(yīng)的影響，也沒有考慮立波波浪荷載作用下管線及其周圍海床響應(yīng)。本文基于Biot動力固結(jié)理論及彈性動力學(xué)理論列出多孔海床及海底管線的有限元方程，并采用接觸摩擦理論考慮管線與海床之間的相互作用效應(yīng)，基于有限元方法研究非線性波浪作用下海底埋置管線和多孔海床相互作用問題。數(shù)值計算結(jié)果表明，在計算中如果忽略波浪非線性項，既有可能低估海底管線內(nèi)應(yīng)力及管線周圍海床中超靜孔隙水壓力，也有可能高估海底管線內(nèi)應(yīng)力及管線周圍海

5、床中超靜孔隙水壓力。這取決于波數(shù)、水深、波長及波高等波浪要素。相同波浪參數(shù)條件下，立波和推進波所引起的管線內(nèi)應(yīng)力及其周圍海床中超靜孔隙水壓力分布有很大差別。對于立波波浪，如果忽略波浪非線性項，甚至?xí)玫秸摲柵c實際情況完全相反的計算結(jié)果。 本文應(yīng)用重復(fù)性原理提出一種二維有限元模型來研究波浪引起的埋置管線及其周圍海床土體響應(yīng)問題。此模型認為海床土體為多孔彈性介質(zhì)，管線為彈性介質(zhì)，采用摩擦接觸理論考慮海床與管線之間的相互作用效應(yīng)；

6、重點考察上覆層寬度、深度和傾角等因素對于波浪引起的埋置管線內(nèi)應(yīng)力及其周圍海床土體中超靜孔隙水壓力的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著上覆層寬度的增大，由波浪所引起的管線外表面超靜孔隙水壓力和管線內(nèi)部的剪應(yīng)力增大，而管線內(nèi)部的徑向正應(yīng)力、環(huán)向正應(yīng)力減小。隨著上覆層厚度和上覆層傾角的減小，由波浪所引起的管線外表面超靜孔隙水壓力增大；隨著上覆層厚度和上覆層傾角的增大，由波浪所引起的管線內(nèi)部的徑向正應(yīng)力、環(huán)向正應(yīng)力均增大，而管線內(nèi)部的剪應(yīng)力減小。本論文將不排水

7、條件下的超靜孔隙水壓力增長模式引入到二維固結(jié)方程中，對于管線附近海床建立了推廣的帶有超靜孔隙水壓力累積源項的二維固結(jié)方程。基于有限元方法對推廣的固結(jié)方程進行數(shù)值求解，得到波浪作用下海床中累積超靜孔隙水壓力的發(fā)展過程與變化規(guī)律。通過變動參數(shù)對比計算討論了海床土性參數(shù)、波浪參數(shù)和管線幾何尺寸對由波浪所引起的管線周圍海床中累積超靜孔隙水壓力及累積超靜孔隙水壓力比分布的影響。通過計算分析可以發(fā)現(xiàn)，土的變形模量、滲透系數(shù)和波松比等土性參數(shù)對由波浪

8、所引起的管線周圍海床中的累積超靜孔隙水壓力具有顯著影響：隨著土的變形模量、滲透系數(shù)和波松比的減小，由波浪所引起的海床中的累積超靜孔隙水壓力均增大。海水深度、波浪高度、海床厚度等因素也會對由波浪所引起的管線周圍海床中的累積超靜孔隙水壓力比產(chǎn)生顯著影響：隨著海水深度和海床厚度的減小、波浪高度的增大，由波浪所引起的海床中的累積超靜孔隙水壓力比增大。另外管線半徑和管線埋深對管線附近海床中的累積超靜孔隙水壓力及累積超靜孔隙水壓力比影響規(guī)律較為復(fù)雜

9、；但在距離管線一定距離之外的海床中，管線半徑和管線埋深對海床中累積超靜孔隙水壓力及累積超靜孔隙水壓力比的影響非常小。 室內(nèi)模型實驗和現(xiàn)場觀測均已發(fā)現(xiàn)波浪引起的海床超靜孔隙水壓力存在瞬時和累積兩種響應(yīng)，已有工作大多只單獨研究其中的一種超靜孔隙水壓力響應(yīng)機理。本文將波浪引起的振動超靜孔隙水壓力與海床的變形和固結(jié)緊密結(jié)合起來，將不排水條件下超靜孔隙水壓力增長模式引入Biot動力固結(jié)方程中，提出一種新的適用于海床液化問題的二維有效應(yīng)力分