海底管线竖直向屈曲剧变过程中土体抗力的研究

论文摘要

随着海上油气田开发规模的不断扩大,海底管线的应用越来越广泛,随之而来的海底管线在温度应力下的屈曲剧变问题也逐渐突显。管线的屈曲剧变是指管线在内外温差和压差作用下,内部产生较大的附加应力,由于地基土的约束作用,管线无法自由变形释放应力,应力不断累积,当其值超过地基土对管线的约束力时,管线将发生竖直向或水平向的突然弯曲大变形,最终丧失使用功能,因此地基土对管线的约束力是管线屈曲剧变研究中的重要内容。本文结合这一课题开展了以下研究工作。1.系统地进行相关文献调研和整理工作,全面总结了国内外在这一方面的研究成果;2.进行了室内模型实验研究,分别选取了砂土和粘土作为实验用土并采用30mm、50mm和80mm管径的不锈钢管模拟管线,设计管线的埋置率（H/D）分别为1-9,共进行了161组实验,系统整理和分析了实验结果;3.以实验数据为依据,推导了当海底埋设管线发生竖直向上运动,土体最大抗力的计算公式并建立起描述土体抗力发挥过程的非线性弹簧模型;4.对管土相互作用进行了有限元数值模拟,采用PLAXIS有限元软件对模型实验过程进行数值模拟,分析管线在竖直向上运动时土体的破坏模式和土抗力峰值与管径和埋深的关系,并将计算结果与实验结果进行了比较。通过模型试验、理论分析和数值模拟,揭示了当管线发生竖直向上运动和轴向运动时土抗力的发挥过程及规律性,为管线的屈曲剧变研究提供了数据支持,为进一步提出预防管线发生屈曲变形破坏的工程措施提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究现状分析
• 1.2.1 海底管线竖直向屈曲的研究
• 1.2.2 土体抗力的研究
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 室内模型实验
• 2.1 模型实验设计
• 2.2 模型实验用土
• 2.3 模型实验步骤
• 2.3.1 砂土实验步骤
• 2.3.2 粘土实验步骤
• 第三章 土体竖直向及轴向抗力实验数据的整理分析
• 3.1 砂性土模型实验结果
• 3.1.1 土体竖直向抗力的发挥过程
• 3.1.2 土体竖直向上破坏模式分析
• 3.1.3 土体轴向抗力的发挥过程
• 3.1.4 土体轴向破坏模式分析
• 3.2 粘性土模型实验结果
• 3.2.1 土体竖直向抗力的发挥过程
• 3.2.2 土体竖直向上破坏模式分析
• 3.2.3 土体轴向抗力的发挥过程
• 3.2.4 土体轴向破坏模式分析
• 3.3 竖直向最大土抗力的计算
• 3.3.1 砂土中管线竖直向上运动时所受的最大抗力
• 3.3.2 粘土中管线竖直向上运动所受的最大土抗力
• 3.4 土体竖直向弹簧模型
• 3.4.1 砂土弹簧模型
• 3.4.2 粘土弹簧模型
• 第四章 土体竖直向抗力发挥过程的有限元分析
• 4.1 有限元分析基本理论
• 4.1.1 土体的模拟
• 4.1.2 管线的模拟
• 4.1.3 基本物理力学参数
• 4.1.4 有限元模型的建立
• 4.2 土体破坏模式分析
• 4.2.1 埋于砂土中的管线
• 4.2.2 埋于粘土中的管线
• 4.3 土弹簧模型的修正
• 4.3.1 砂土弹簧模型修正
• 4.3.2 粘土弹簧模型修正
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢