地震荷载作用下海底管线的动力反应分析

 地震荷载作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而在目前的海床动力响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线的相互作用效应,同时也没有考虑地震荷载作用下海床边界的等效处理。为此,基于Biot动力固结理论建立海床–管线相互作用的计算模型,以大型有限元软件ADINA为平台对El Centro地震波作用下的海底管线的动力响应以及管线周围土体的孔隙水压力变化规律进行分析,讨论不同的管线半径、管线壁厚和土性参数对计算结果的影响。在数值计算过程中引入黏弹性人工边界,有效地模拟散射波由有限域到无限域的传播,较为实际地反映在地震波作用下海底管线的动力响应问题。     

地震荷载作用下海底管线周围砂质海床 的稳定性分析

地震荷载作用下海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.建立地震荷载作用下海底管线周围砂质海床液化问题的有限元模型,利用先进的土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪,将在不排水循环扭剪试验条件下得到的孔隙水压力增长模式作为考虑地震循环作用所引起的孔隙水压力源项引入到二维动力固结方程中,基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到地震荷载作用下砂质海床中累积孔隙水压力的发展过程与变化规律.通过变动参数计算研究砂质海床土性参数和管线几何尺寸对由地震所引起的管线周围海床中累积孔隙水压力分布的影响,进一步对管线周围砂质海床的液化势进行评判.通过计算分析发现,土的渗透系数对由地震所引起的管线周围砂质海床中的累积孔隙水压力比具有显著影响,而管线半径只影响管线周围海床的累积孔隙水压力比分布,在离开管线一定距离之外,其影响可以忽略.     

波浪作用下弹性海床的动力反应及其影响因素分析

基于二维广义动力Biot固结理论,提出了线性或线性波浪作用下饱和弹性海床时域内动力响应的有限元数值解法,静力平衡条件和Biot固结方程组成的边值问题方程组可视为其特例,在比较算例中,数值计算得到的超静孔隙水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解十分吻合,进而通过具体数值计算分析了土体剪切模量,渗透系数和孔隙率等因素对弹性海床超静孔隙水压力和有效应力幅值的影响程度,土骨架和孔隙流体的加速度对超静孔水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布影响很小。     

海床波浪响应的积分变换解及其分析应用

考虑土骨架和孔隙水的压缩性,基于平面应变条件下的Biot方程,研究线性波浪荷载作用下海床的动力响应。采用积分变换的方法,推导突加波浪荷载引起的海床中的孔隙水压力、应力和位移解。以北海的波浪和海床特征为参数的算例表明:在进行近海结构物设计时应注意到突加波浪荷载作用下海床的瞬态响应与稳态响应有较大的差别,其最大瞬时液化深度和区域,较稳态响应计算得到的结果要大;对行波和驻波作用下海床响应的主应力旋转进行描述,指出对于有限厚度海床两种波浪响应的应力路径有显著差异;同时研究土性参数对孔压响应的影响。     

波浪作用下层状海床孔隙水压力响应的计算方法

采用Biot动力理论研究波浪荷载作用下层状海床孔隙水压力动力响应问题。土体位移和孔隙水压力采用2个标量势和一个矢量势表示。利用Fourier变换将Biot动力方程解耦成势函数表示的Helmholtz方程。利用边界条件及层状土层间连续条件,推导出传递、透射矩阵(TRM),进而得到位移、孔压、应力在变换域内的基本解,利用Fourier逆变换得到时域内的结果。给出了具体算例分析波浪和土层性状对孔隙水压力响应值的影响。     

波浪荷载下海床稳定性的总应力法分析

评价海床稳定性是海工建筑物设计所考虑的重要部分。基于经典弹性理论,采用半逆解法,推导了线性波浪荷载下成层弹性海床的总应力解答,在此基础上根据莫尔库仑破坏准则进行了海床剪切破坏分析,分析表明：随海床深度线性增加的土体剪切模量对应力角分布具有明显影响,特别是当海床厚度小于半倍波长时,最容易发生破坏的位置位于海床表面以下一定深度,而对于均质海床,最容易发生破坏的位置位于海床表面。软弱夹层对海床的稳定性存在影响,埋深越浅的软弱夹层越容易导致其上部土层的剪切破坏。     

接触非线性对土-结构动力相互作用的影响

动力接触非线性是土-结构动力相互作用研究的难点之一。分析土-结构动力相互作用的接触条件和接触状态,构建法向接触单元和切向接触单元模拟土-结构动力相互作用的接触非线性。建立数值模型,分析土-结构在水平加速度波作用下的响应。结果表明,叠加法向接触单元和切向接触单元可以有效模拟土-结构动力相互作用的接触非线性。在水平加速度波作用下,分析土-结构的相互作用而不考虑接触的分析性对基底的竖向应力影响不大,但是会低估基底的水平应力。     

渗透性地层井壁坍塌压力和破裂压力的计算模型

根据线性孔隙弹性理论,在井壁为可渗透的情况下,考虑围岩弹性模量变化对井壁稳定应力的影响,对岩石非线性特性对应力的影响进行修正.给出了考虑孔隙压力时库仑-摩尔准则的有效应力计算公式及井壁发生坍塌处的计算公式.在考虑地层渗透与不渗透的情况下,分别建立了计算地层坍塌压力和破裂压力的模型.     

海底滑坡对管线冲击力的数值分析

输送原油和天然气的海底管线常处于复杂的海洋地质环境,在海底滑坡的冲击下可能发生失稳破坏。以往研究成果多集中讨论海底滑坡对悬跨管线的冲击力,但对置于海床表面的管线受不同角度海底滑坡的冲击作用讨论较少,也未深入讨论悬跨高度对管线受海底滑坡冲击力的影响。基于Herschel–Bulkley模型,采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面管线的作用力,对比已有模型试验成果提出了管线纵向和轴向阻力系数的计算公式。按照土力学方法对CFD数值计算结果重新整理,指出土力学和流体力学方法在计算管线受海底滑坡冲击力方面的实质对应关系,并给出管线破坏包络线的解析表达式。随后讨论了悬跨高度对管线受力的影响,最后提出了综合考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线作用力的计算公式。研究成果对海底路由选址和海底管线设计具有一定的应用价值。     

深基坑开挖对邻近地埋管线影响分析

 为建立深基坑开挖对邻近地埋管线影响的评估方法,采用FLAC3D分析基坑开挖对邻近不同管径管线的影响。计算结果表明,管径大小对管、土相互作用影响很大;当管径约小于400 mm时,管线基本与土体具有相同的位移;管径大于400 mm时,应考虑管–土相互作用;此外,管线最大曲率、转角、最大应力和弯矩均发生在基坑端角部20%开挖长度的范围内。在数值分析的基础上,给出小管径管线变形受力计算的简化分析方法。