裸置海底管道側(cè)向往復運動土抗力試驗研究

唐友剛，張少洋，王臻魁，劉成義，劉旭平

(天津大學建筑工程學院天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

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裸置海底管道側(cè)向往復運動土抗力試驗研究

唐友剛，張少洋，王臻魁，劉成義，劉旭平

(天津大學建筑工程學院天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

摘要:在高溫高壓作用下，側(cè)向屈曲是鋪設(shè)在海床上的海底管道結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一，管道在側(cè)向屈曲過程中受到的側(cè)向土抗力是控制管道側(cè)向屈曲幅值的關(guān)鍵因素。針對管道在側(cè)向屈曲過程中受到的側(cè)向土抗力，實施了一系列管道在大位移往復運動過程中的管道土壤相互作用模型試驗，研究了不同管道直徑和不同初始沉陷深度對側(cè)向土抗力的影響。試驗結(jié)果表明，側(cè)向土抗力與管道直徑、初始沉陷深度有關(guān);側(cè)向土抗力隨土壤隆起高度增加呈幾何增長;管道在往復運動位移幅值處的側(cè)向土抗力顯著增強。

關(guān)鍵詞:海底管線;側(cè)向屈曲;側(cè)向土抗力;管土相互作用;試驗研究;土壤隆起高度

海底管道的安全作業(yè)是石油采集運輸?shù)闹匾Ｕ稀ｋS著水深的增加，海底管道的作業(yè)環(huán)境的復雜性將大大提高，其中土壤對管道作用的不確定性最為嚴重。深海海底管道一般裸置于海床表面，或在安裝、作業(yè)過程中產(chǎn)生一定沉陷。在管內(nèi)高溫高壓作用下，裸置在海床表面的管道會發(fā)生側(cè)向屈曲，產(chǎn)生側(cè)向移動。預測土壤的阻抗力對海底管道軸向卸載的設(shè)計以及側(cè)向屈曲的控制至關(guān)重要。然而土壤的側(cè)向阻抗力的發(fā)揮程度與大小和管道的運動方向、管道直徑、位移幅值、埋設(shè)深度等諸多因素有關(guān)，因此模型試驗是研究土壤阻抗力與管道運動相互作用的必要手段［1］。對于土抗力的研究，國外的研究起步較早。Karel根據(jù)塑性理論，研究了管道初始埋置深度對土壤側(cè)向阻力的影響［2］;SINTEF等完成PIPESTAB大型管道穩(wěn)定性課題，提出管－土相互作用模型，將摩擦力與側(cè)向土抗力分開考慮［3］;Hobbs對溫度應力作用下的海底管道進行了垂向和側(cè)向屈曲研究，推導了理想管道的解析解［4］;Taylor等人對不同埋置深度的海底管道進行了管土相互作用的理論和試驗研究，得到側(cè)向土抗力與管道位移之間的關(guān)系曲線［5］;Schaminee分別在砂土和黏土中進行了管土相互作用試驗［6］;Dickin等進行了多次管土相互作用的離心試驗，測定管道運動時土體的抗力，并提出了相應的理論計算公式，但各種公式的計算結(jié)果仍存在差異［7－11］;Francesco等對不同直徑和埋深的埋置管道，進行了管土相互作用小比尺試驗和數(shù)值模擬［12］;Alam針對不同類型的土壤通過試驗測定了埋置管道與土壤之間相互作用的摩擦系數(shù)［13－14］;Moore研究了土壤作用力對于埋置管道屈曲段彎曲應力的影響［15］。國內(nèi)的研究起步較晚，其中劉潤和閆澍旺等人在管土相互作用和土壤破壞模式方面做了大量的工作［1］。White通過模型試驗，研究了海底管道側(cè)向大位移往復運動管土相互作用，得到土體抗力和位移的關(guān)系曲線［16］。本文采用曬干的砂土，對不同直徑、不同初始沉陷的單位長度管道進行管土相互作用試驗;研究單位長度管道所受土抗力隨管道位移變化的規(guī)律以及土抗力和土壤隆起高度之間的關(guān)系;研究單位長度管道側(cè)向往復大位移運動情況下，管土之間相互作用規(guī)律。

1　模型試驗

1.1試驗裝置設(shè)計

本次試驗研究裸置海底管道的直徑和初始沉陷深度對側(cè)向土抗力的影響，側(cè)向土抗力與管道位移之間關(guān)系，土抗力與土壤隆起高度之間關(guān)系，管道側(cè)向往復運動受土抗力作用規(guī)律。

試驗砂槽尺寸為2 m×1.4 m×0.75 m(長×寬× 高)，邊框由角鋼焊接而成。為了便于觀測，砂槽左面為一定強度的玻璃板，底、前、后、右面鋪設(shè)一定厚度的木板并膠封。試驗砂槽上部邊框固定有兩道滑軌，滑軌上安裝一個可以往復運動的桁架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗管道裸置在砂土表面，其上表面垂直焊接兩根相互平行的圓柱形質(zhì)地均勻的鋼桿，圓桿上端通過軸承座連接到桁架結(jié)構(gòu)上并且在豎直方向可以自由移動，在管道側(cè)向運動過程中圓桿不與土壤接觸。電動機通過變頻器和減速箱調(diào)整轉(zhuǎn)速，帶動滾筒轉(zhuǎn)動，纏繞在滾筒上的鋼絲繩通過滑輪系統(tǒng)帶動滑軌上的桁架結(jié)構(gòu)移動，構(gòu)成了試驗裝置的傳動系統(tǒng)，如圖2所示。調(diào)整輸入電動機的電流方向，可實現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)勻速緩慢的往復運動。

圖1　試驗砂槽和桁架結(jié)構(gòu)Fig.1 Test tank and truss structure

圖2　傳動系統(tǒng)Fig.2 Drive system

1.2試驗管道參數(shù)

為了研究不同管道直徑對土抗力的影響，分別選取了3種不同直徑的鋼管，兩端封堵。管土水平方向的相互作用分為摩擦力和土抗力兩部分，其中摩擦力是由于管道外壁與土壤接觸面有相對運動或相對運動趨勢而產(chǎn)生的，只與管道重量和摩擦系數(shù)相關(guān);側(cè)向土抗力是由于土體受到前進管道的擠壓而變形，隆起部分的土體受到剪切作用而產(chǎn)生，是本文重點研究的。因此，為了消弱摩擦力對土抗力測量結(jié)果的影響，將管道外壁車摩光滑，如圖3，其參數(shù)列于表1。

圖3　試驗管道Fig.3 Pipes used in experiment

表1　試驗管道參數(shù)Table 1 Pipe parameters

1.3數(shù)據(jù)采集

土抗力的測量是試驗的關(guān)鍵所在。為了去除桁架結(jié)構(gòu)與滑軌直接的摩擦力對測量結(jié)果的影響，直接將測力系統(tǒng)布置在圓形鋼桿上。在圓桿粘貼上、下兩組(各4個)應變片，分別連成全橋，再分別依次接入電阻應變儀－數(shù)據(jù)采集儀－計算機，管道及數(shù)據(jù)系統(tǒng)在位后如圖4所示。

圖4　管道及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就位Fig.4 Data collection system and pipe in place

由于連接了兩個全橋，每組試驗將記錄兩個電壓信號U1和U2:

式中:a為電壓應變轉(zhuǎn)換系數(shù);ε1、ε2分別為第一、二組應變片處圓桿應變;σ1、σ2分別為第一、二組應變片處圓桿應力;M1、M2分別為第一、二組應變片處圓桿所受彎矩;L1、L2分別為第一、二組應變片到力的作用點的距離;ΔL為兩組應變片間距;W為圓桿抗彎模數(shù);E為彈性模量;F為側(cè)向土抗力。

試驗前，測量ΔL值，并通過砝碼標定確定K/a的值。在管道運動過程中，隨著土壤隆起高度的增加，土抗力的作用點在逐漸升高。通過上式可知，這樣布置測力系統(tǒng)，可以消除土抗力作用點的高度變化對土抗力測量結(jié)果的影響。在砂槽的玻璃側(cè)表面和管道的截面上標記刻度，用來觀測試驗過程中土壤隆起高度的變化，并使用攝像機記錄。

1.4土樣選取

實驗采用渤海灣砂土。研究表明全濕與全干狀態(tài)下砂土對管線的阻抗力相差不大［17］，為方便起見，此次試驗采用干砂，密度1.57 g/cm3。級配曲線如圖5所示，平均粒徑為0.23 mm，不均勻系數(shù)為2.07，曲率系數(shù)為1.19，級配不良。

圖5　砂土級配曲線Fig.5 Grading curves for sand

2　試驗過程及結(jié)果分析

試驗前測定管道加圓桿的總重量。管道初始沉陷深度分別為:裸置，初始沉陷1/4D，初始沉陷1/2D，初始沉陷3/4D。考慮到海底管道安裝過程中，由于安裝船的升沉運動以及波浪、流載荷，管道觸地段與海底土壤之間會發(fā)生動力作用，導致管道陷入土壤的深度大于因自重而引起的沉陷，因此在試驗過程中，試驗管道被壓陷入土而非挖溝擱置。為了在試驗中土抗力變化緩慢連續(xù)，需要管道保持勻速低速前進，因此用變頻器和減速箱降低電動機轉(zhuǎn)速，使管道前進速度保持在0.4 m/min，試驗管道最大運動范圍為10倍管道外徑，往復運動4次(單向8次)。記錄土抗力和位移的大小，以及土壤高度變化。

2.1管道初始沉陷深度對側(cè)向土抗力的影響

圖6繪制了試驗測得的3種直徑管道分別在初始裸置、初始沉陷1/4D，初始沉陷1/2D和初始沉陷3/4D情況下，側(cè)向土抗力與管道水平位移之間的變化關(guān)系。圖中橫坐標為管道水平位移與管道外徑之比(S/D)，縱坐標為側(cè)向土抗力(F)。

通過對比可知，不同初始沉陷深度情況下，管道側(cè)向運動過程中土抗力的變化具有相似性，都呈現(xiàn)出在管道啟動時土抗力隨位移發(fā)展增長較快，位移超過D之后土抗力增長逐漸放緩，位移達到6D時土抗力增長十分緩慢，基本趨于穩(wěn)定。管道初始沉陷深度越大，管道啟動時土抗力增長就越快，啟動段的范圍也越大，最終土抗力的幅值也就越大。例如直徑80 mm管道裸置時，管道啟動后土抗力增長平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)啟動段土抗力快速增大的情況，在管道位移達到4D時，土抗力已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定在10 kg/m附近;直徑80 mm管道初始沉陷3/4D時，管道啟動后土抗力急劇增大，管道位移超過D之后土抗力增長放緩，開始平穩(wěn)增長，管道位移達到6D后土抗力穩(wěn)定在70 kg/m附近。

圖6　管道土抗力－位移變化關(guān)系Fig.6 Soil resistance-displacement

2.2管道直徑對側(cè)向土抗力的影響

圖7繪制了在特定初始沉陷下，不同直徑管道受到的側(cè)向土抗力與管道水平位移之間的變化關(guān)系。圖中橫坐標為管道水平位移與管道外徑之比(S/D)，縱坐標為側(cè)向土抗力(F)。為了消除管道初始沉陷深度對于管道直徑因素研究的干擾，本組曲線的繪制選用了管道往復運動過程中第二次正向運動的數(shù)據(jù)。管道前進方向上的土壤已經(jīng)被往復剪切過一次，初始沉陷深度的影響被大大消弱。圖7中，曲線末端迅速升高，是因為管道第二次運動到接近位移幅值的地方，兩次隆起的土壤堆積到一起，使土抗力急劇增大。

通過對比可知，不同直徑的試驗管道，在側(cè)向運動過程中土抗力的變化具有相似性，土抗力隨管道位移發(fā)展而增大。管道直徑越大，管道運動過程中土抗力增長越快，最終幅值越大。

圖7　管道土抗力－位移變化關(guān)系Fig.7 Soil resistance-displacement

2.3土壤隆起高度隨管道位移變化規(guī)律

圖8繪制了各直徑管道在不同沉陷深度下，管道運動方向上土壤隆起高H度隨管道水平位移S/D變化的關(guān)系。廣義的土壤隆起高度可以理解為:土體受剪切面到土體隆起頂端的距離。管道的初始沉陷是壓陷而成，其前后土壤受到的擠壓與管道側(cè)向運動過程中的管土相互作用類似，因此，具有初始沉陷深度的試驗管道可等價為管道運動方向上的土壤具有初始隆起高度。由圖8可知，各直徑管道在側(cè)向運動過程中，土壤高度隨管道位移的變化具有相似的規(guī)律，隨著管道水平位移增大，土壤隆起高度逐漸增加，變化速率由快至慢，最后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著土壤隆高度增大，土體坡腳逐漸超過了砂土的天然休止角，當管道運動速度較小，土壤受擠壓隆起的速率等于土體從頂端滑落的速率時，土壤高度達到平衡，不在增大;因為管道直徑較小，具有初始沉陷深度的管道在側(cè)向運動過程中，土壤隆起高度很快超過了管道直徑，并滑落至管道后方，土壤高度也會達到平衡，不在增大。這也解釋了管道位移超過6D之后，土抗力趨于穩(wěn)定的原因。裸置管道由于自重作用，也會產(chǎn)生一定的初始沉陷。初始沉陷較深的管道，相當于在啟動時就已經(jīng)擁有較高的土壤隆起，因此啟動段的土抗力增加迅速，這也從另一方面揭示了管道初始沉陷對側(cè)向土抗力影響的機理。

圖8　管土壤高度－位移曲線Fig.8 Soil berm height -displacement

2.4側(cè)向土抗力與土壤隆起高度間的關(guān)系

綜合圖6和圖8中的數(shù)據(jù)，分析得到圖9側(cè)向土抗力F隨土壤隆起高度H/D變化的曲線。由圖可知，側(cè)向土抗力隨土壤隆起高度增加而呈幾何增長。

圖9　土抗力－土壤高度變化關(guān)系Fig.9 Soil resistance to soil berm height

圖9繪制了裸置管道側(cè)向往復大位移過程中，側(cè)向土抗力隨管道水平位移變化曲線。

從圖中看到，管道首次啟動后，側(cè)向土抗力隨管道水平位移增加而逐漸增大，并很快趨于平穩(wěn)，最后穩(wěn)定在一個較小的幅值附近。當管道往復運動再次接近最大位移處時，兩次隆起的土壤匯集一處，土抗力急劇增加，側(cè)向土抗力幅值很大。這說明海底管道在溫度循環(huán)荷載作用下，在升溫屈曲－冷卻回縮這一往復運動過程中，海底土壤對于管道首次屈曲的約束較小，對管道之后發(fā)生的屈曲，在首次屈曲的最大位移處有很強的約束能力。首次發(fā)生屈曲的管段很可能發(fā)生較大位移，導致彎曲應力超過屈服極限或發(fā)生局部屈曲，使管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。側(cè)向隆起的土壤在固結(jié)之后，對于再次發(fā)生屈曲的管段具有很好的保護作用。

圖10　管道往復運動土抗力－位移曲線Fig.10 Cyclic motion，soil resistance to displacement

3　結(jié)論

本文在干砂土上對不同直徑、不同初始沉陷的單位長度管道進行了管土相互作用試驗研究。試驗結(jié)果表明:

1)管道啟動時，由于初始沉陷影響，側(cè)向土抗力增長迅速，初始沉陷越深，土抗力增長越快;管道位移超過D后，土抗力增長速度放緩;管道位移超過6D之后，由于隆起土體的坡腳超過天然休止角或隆起土體的高度超過管道直徑，土壤隆起高度不再增大，趨于穩(wěn)定，土抗力達到幅值。

2)管道側(cè)向運動過程中，初始沉陷深度越大、管道直徑越大，則側(cè)向土抗力隨管道位移增長越快，最終幅值也越大。

3)土抗力隨土壤隆起高度增加而呈幾何增長。

4)管道側(cè)向往復運動過程中，土壤在管道最大位移處堆積，使管土相互作用顯著增強，這為防止管道屈曲變形過大提供了有利的保護。

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Experimental investigation of soil resistance to unburied submarine pipelines with lateral reciprocating motion

TANG Yougang，ZHANG Shaoyang，WANG Zhenkui，LIU Chengyi，LIU Xuping
(School of Civil Engineering，State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract:Lateral buckling is a main source of failure in deep－sea unburied submarine pipelines under high temperature and pressure loads.Pipe－soil interaction during lateral buckling is a key factor in controlling the amplitude of the buckling displacement.A series of tests was performed to analyze lateral soil resistance under lateral pipeline buckling.These were used to investigate the effect of different initial pipe embedment and different pipe diameters on lateral soil resistance against pipe segments under large－amplitude lateral movement.The experimental results suggest that lateral soil resistance is related to both pipe diameter and initial embedment，and that geometric growth depends on the height of the soil berm.The lateral soil resistance is significantly greater at the maximum displacement of reciprocating motion.

Keywords:submarine pipelines;lateral buckling;lateral soil resistance;pipe－soil interaction;experimental study;soil berm

通信作者:唐友剛，E－mail:tangyougang_td@ 163.com.

作者簡介:唐友剛(1952－)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家973計劃基金資助項目(2014CB046805).

收稿日期:2014－10－16.網(wǎng)絡出版時間:2015－12－21.

中圖分類號:TE53

文獻標志碼:A

文章編號:1006－7043(2016)01－0076－05

doi:10.11990/jheu.201410038

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1555.024.html