【摘要】： 海底管線是目前最為經(jīng)濟(jì)、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(jì)管線時(shí)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(shí),會(huì)引起海床表面周期性變化的波壓力,海床表面的波壓力進(jìn)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(píng)價(jià)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(dòng)力響應(yīng)及其對(duì)管線自身內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的影響。迄今為止,在海底埋置管線的穩(wěn)定設(shè)計(jì)中,大多是基于經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)果,還沒有發(fā)展一個(gè)更加合理、完整的設(shè)計(jì)方法。在海底管線設(shè)計(jì)中存在的一個(gè)關(guān)鍵性問題就是準(zhǔn)確地計(jì)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(dòng)力固結(jié)理論和彈性動(dòng)力學(xué)理論列出了海床與管線的控制方程,進(jìn)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-管線相互作用的計(jì)算模型及其數(shù)值算法。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)土-管之間的接觸效應(yīng)對(duì)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(duì)波浪所引起的管線內(nèi)應(yīng)力影響顯著。慣性力效應(yīng)對(duì)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(duì)波浪所引起的管線內(nèi)應(yīng)力影響很小。管溝尺寸對(duì)于管線內(nèi)應(yīng)力具有顯著影響。管溝形狀對(duì)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(jìn)波作用下的響應(yīng),沒有考慮波浪非線性對(duì)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(dòng)力固結(jié)理論及彈性動(dòng)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(jì)算結(jié)果表明,在計(jì)算中如果忽略波浪非線性項(xiàng),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(jìn)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(duì)于立波波浪,如果忽略波浪非線性項(xiàng),甚至?xí)玫秸?fù)符號(hào)與實(shí)際情況完全相反的計(jì)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(rèn)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);重點(diǎn)考察上覆層寬度、深度和傾角等因素對(duì)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(duì)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(xiàng)的二維固結(jié)方程�；谟邢拊椒▽�(duì)推廣的固結(jié)方程進(jìn)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(dòng)參數(shù)對(duì)比計(jì)算討論了海床土性參數(shù)、波浪參數(shù)和管線幾何尺寸對(duì)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(jì)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(duì)由波浪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(huì)對(duì)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(duì)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;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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)和累積兩種響應(yīng),已有工作大多只單獨(dú)研究其中的一種超靜孔隙水壓力響應(yīng)機(jī)理。本文將波浪引起的振動(dòng)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(dòng)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)力分析方法,進(jìn)一步對(duì)波浪作用下海底管線周圍海床中瞬時(shí)和累積超靜孔隙水壓力的發(fā)展過程與變化規(guī)律進(jìn)行了有限元模擬與分析。根據(jù)所估算的超靜孔隙水壓力,對(duì)波浪作用下管線周圍海床的液化勢進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn),在較淺區(qū)域海床中,瞬時(shí)超靜孔隙水壓力有可能對(duì)于海床液化起主導(dǎo)作用;相對(duì)于較深區(qū)域海床,較淺區(qū)域海床更易發(fā)生液化;海床土土性參數(shù)、波浪要素以及管線幾何參數(shù)對(duì)由波浪所引起的管線周圍海床中的超靜孔隙水壓力均具有顯著影響。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TV139.2;P756.2

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張小玲;地震作用下海底管線及周圍海床動(dòng)力響應(yīng)分析[D];大連理工大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陳博文;海底懸跨管道動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)分析[D];沈陽建筑大學(xué);2011年

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本文編號(hào)：2633419