裸置海底管道側(cè)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)土抗力試驗(yàn)研究

唐友剛，張少洋，王臻魁，劉成義，劉旭平

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

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裸置海底管道側(cè)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)土抗力試驗(yàn)研究

唐友剛，張少洋，王臻魁，劉成義，劉旭平

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)管道在側(cè)向屈曲過(guò)程中受到的側(cè)向土抗力，實(shí)施了一系列管道在大位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的管道土壤相互作用模型試驗(yàn)，研究了不同管道直徑和不同初始沉陷深度對(duì)側(cè)向土抗力的影響。試驗(yàn)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(zhǎng);管道在往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移幅值處的側(cè)向土抗力顯著增強(qiáng)。

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

海底管道的安全作業(yè)是石油采集運(yùn)輸?shù)闹匾Ｕ?。隨著水深的增加，海底管道的作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性將大大提高，其中土壤對(duì)管道作用的不確定性最為嚴(yán)重。深海海底管道一般裸置于海床表面，或在安裝、作業(yè)過(guò)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(huì)發(fā)生側(cè)向屈曲，產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)。預(yù)測(cè)土壤的阻抗力對(duì)海底管道軸向卸載的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yàn)是研究土壤阻抗力與管道運(yùn)動(dòng)相互作用的必要手段［1］。對(duì)于土抗力的研究，國(guó)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(duì)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(kāi)考慮［3］;Hobbs對(duì)溫度應(yīng)力作用下的海底管道進(jìn)行了垂向和側(cè)向屈曲研究，推導(dǎo)了理想管道的解析解［4］;Taylor等人對(duì)不同埋置深度的海底管道進(jìn)行了管土相互作用的理論和試驗(yàn)研究，得到側(cè)向土抗力與管道位移之間的關(guān)系曲線(xiàn)［5］;Schaminee分別在砂土和黏土中進(jìn)行了管土相互作用試驗(yàn)［6］;Dickin等進(jìn)行了多次管土相互作用的離心試驗(yàn)，測(cè)定管道運(yùn)動(dòng)時(shí)土體的抗力，并提出了相應(yīng)的理論計(jì)算公式，但各種公式的計(jì)算結(jié)果仍存在差異［7－11］;Francesco等對(duì)不同直徑和埋深的埋置管道，進(jìn)行了管土相互作用小比尺試驗(yàn)和數(shù)值模擬［12］;Alam針對(duì)不同類(lèi)型的土壤通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(duì)于埋置管道屈曲段彎曲應(yīng)力的影響［15］。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，其中劉潤(rùn)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(guò)模型試驗(yàn)，研究了海底管道側(cè)向大位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)管土相互作用，得到土體抗力和位移的關(guān)系曲線(xiàn)［16］。本文采用曬干的砂土，對(duì)不同直徑、不同初始沉陷的單位長(zhǎng)度管道進(jìn)行管土相互作用試驗(yàn);研究單位長(zhǎng)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(zhǎng)度管道側(cè)向往復(fù)大位移運(yùn)動(dòng)情況下，管土之間相互作用規(guī)律。

1　模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)研究裸置海底管道的直徑和初始沉陷深度對(duì)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(fù)運(yùn)動(dòng)受土抗力作用規(guī)律。

試驗(yàn)砂槽尺寸為2 m×1.4 m×0.75 m(長(zhǎng)×寬× 高)，邊框由角鋼焊接而成。為了便于觀(guān)測(cè)，砂槽左面為一定強(qiáng)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(yàn)砂槽上部邊框固定有兩道滑軌，滑軌上安裝一個(gè)可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的桁架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗(yàn)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(guò)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(dòng)，在管道側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中圓桿不與土壤接觸。電動(dòng)機(jī)通過(guò)變頻器和減速箱調(diào)整轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞在滾筒上的鋼絲繩通過(guò)滑輪系統(tǒng)帶動(dòng)滑軌上的桁架結(jié)構(gòu)移動(dòng)，構(gòu)成了試驗(yàn)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。調(diào)整輸入電動(dòng)機(jī)的電流方向，可實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)勻速緩慢的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

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

圖2　傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Drive system

1.2試驗(yàn)管道參數(shù)

為了研究不同管道直徑對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(jìn)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(diǎn)研究的。因此，為了消弱摩擦力對(duì)土抗力測(cè)量結(jié)果的影響，將管道外壁車(chē)摩光滑，如圖3，其參數(shù)列于表1。

圖3　試驗(yàn)管道Fig.3 Pipes used in experiment

表1　試驗(yàn)管道參數(shù)Table 1 Pipe parameters

1.3數(shù)據(jù)采集

土抗力的測(cè)量是試驗(yàn)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，直接將測(cè)力系統(tǒng)布置在圓形鋼桿上。在圓桿粘貼上、下兩組(各4個(gè))應(yīng)變片，分別連成全橋，再分別依次接入電阻應(yīng)變儀－數(shù)據(jù)采集儀－計(jì)算機(jī)，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(gè)全橋，每組試驗(yàn)將記錄兩個(gè)電壓信號(hào)U1和U2:

式中:a為電壓應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù);ε1、ε2分別為第一、二組應(yīng)變片處圓桿應(yīng)變;σ1、σ2分別為第一、二組應(yīng)變片處圓桿應(yīng)力;M1、M2分別為第一、二組應(yīng)變片處圓桿所受彎矩;L1、L2分別為第一、二組應(yīng)變片到力的作用點(diǎn)的距離;ΔL為兩組應(yīng)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(yàn)前，測(cè)量ΔL值，并通過(guò)砝碼標(biāo)定確定K/a的值。在管道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著土壤隆起高度的增加，土抗力的作用點(diǎn)在逐漸升高。通過(guò)上式可知，這樣布置測(cè)力系統(tǒng)，可以消除土抗力作用點(diǎn)的高度變化對(duì)土抗力測(cè)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(biāo)記刻度，用來(lái)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土壤隆起高度的變化，并使用攝像機(jī)記錄。

1.4土樣選取

實(shí)驗(yàn)采用渤海灣砂土。研究表明全濕與全干狀態(tài)下砂土對(duì)管線(xiàn)的阻抗力相差不大［17］，為方便起見(jiàn)，此次試驗(yàn)采用干砂，密度1.57 g/cm3。級(jí)配曲線(xiàn)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(jí)配不良。

圖5　砂土級(jí)配曲線(xiàn)Fig.5 Grading curves for sand

2　試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)前測(cè)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?？紤]到海底管道安裝過(guò)程中，由于安裝船的升沉運(yùn)動(dòng)以及波浪、流載荷，管道觸地段與海底土壤之間會(huì)發(fā)生動(dòng)力作用，導(dǎo)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(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)管道被壓陷入土而非挖溝擱置。為了在試驗(yàn)中土抗力變化緩慢連續(xù)，需要管道保持勻速低速前進(jìn)，因此用變頻器和減速箱降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使管道前進(jìn)速度保持在0.4 m/min，試驗(yàn)管道最大運(yùn)動(dòng)范圍為10倍管道外徑，往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(duì)側(cè)向土抗力的影響

圖6繪制了試驗(yàn)測(cè)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(biāo)為管道水平位移與管道外徑之比(S/D)，縱坐標(biāo)為側(cè)向土抗力(F)。

通過(guò)對(duì)比可知，不同初始沉陷深度情況下，管道側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中土抗力的變化具有相似性，都呈現(xiàn)出在管道啟動(dòng)時(shí)土抗力隨位移發(fā)展增長(zhǎng)較快，位移超過(guò)D之后土抗力增長(zhǎng)逐漸放緩，位移達(dá)到6D時(shí)土抗力增長(zhǎng)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(dòng)時(shí)土抗力增長(zhǎng)就越快，啟動(dòng)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(shí)，管道啟動(dòng)后土抗力增長(zhǎng)平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)啟動(dòng)段土抗力快速增大的情況，在管道位移達(dá)到4D時(shí)，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(shí)，管道啟動(dòng)后土抗力急劇增大，管道位移超過(guò)D之后土抗力增長(zhǎng)放緩，開(kāi)始平穩(wěn)增長(zhǎng)，管道位移達(dá)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(duì)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(biāo)為管道水平位移與管道外徑之比(S/D)，縱坐標(biāo)為側(cè)向土抗力(F)。為了消除管道初始沉陷深度對(duì)于管道直徑因素研究的干擾，本組曲線(xiàn)的繪制選用了管道往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中第二次正向運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。管道前進(jìn)方向上的土壤已經(jīng)被往復(fù)剪切過(guò)一次，初始沉陷深度的影響被大大消弱。圖7中，曲線(xiàn)末端迅速升高，是因?yàn)楣艿赖诙芜\(yùn)動(dòng)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(guò)對(duì)比可知，不同直徑的試驗(yàn)管道，在側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中土抗力增長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中的管土相互作用類(lèi)似，因此，具有初始沉陷深度的試驗(yàn)管道可等價(jià)為管道運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)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?yàn)殡S著土壤隆高度增大，土體坡腳逐漸超過(guò)了砂土的天然休止角，當(dāng)管道運(yùn)動(dòng)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(shí)，土壤高度達(dá)到平衡，不在增大;因?yàn)楣艿乐睆捷^小，具有初始沉陷深度的管道在側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，土壤隆起高度很快超過(guò)了管道直徑，并滑落至管道后方，土壤高度也會(huì)達(dá)到平衡，不在增大。這也解釋了管道位移超過(guò)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(huì)產(chǎn)生一定的初始沉陷。初始沉陷較深的管道，相當(dāng)于在啟動(dòng)時(shí)就已經(jīng)擁有較高的土壤隆起，因此啟動(dòng)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(duì)側(cè)向土抗力影響的機(jī)理。

圖8　管土壤高度－位移曲線(xiàn)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(xiàn)。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(zhǎng)。

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(fù)大位移過(guò)程中，側(cè)向土抗力隨管道水平位移變化曲線(xiàn)。

從圖中看到，管道首次啟動(dòng)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(gè)較小的幅值附近。當(dāng)管道往復(fù)運(yùn)動(dòng)再次接近最大位移處時(shí)，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(shuō)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(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，海底土壤對(duì)于管道首次屈曲的約束較小，對(duì)管道之后發(fā)生的屈曲，在首次屈曲的最大位移處有很強(qiáng)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(dǎo)致彎曲應(yīng)力超過(guò)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(duì)于再次發(fā)生屈曲的管段具有很好的保護(hù)作用。

圖10　管道往復(fù)運(yùn)動(dòng)土抗力－位移曲線(xiàn)Fig.10 Cyclic motion，soil resistance to displacement

3　結(jié)論

本文在干砂土上對(duì)不同直徑、不同初始沉陷的單位長(zhǎng)度管道進(jìn)行了管土相互作用試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:

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

2)管道側(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)。

4)管道側(cè)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(qiáng)，這為防止管道屈曲變形過(guò)大提供了有利的保護(hù)。

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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(jiǎn)介:唐友剛(1952－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國(guó)家973計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014CB046805).

收稿日期:2014－10－16.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－21.

中圖分類(lèi)號(hào):TE53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006－7043(2016)01－0076－05

doi:10.11990/jheu.201410038

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