CN105424466A - 一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法 - Google Patents

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许浩
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Abstract

本发明公开一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法，该方法通过获取砂土试样，制备不同相对密实度的土体试样，对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小，为海底埋置管线设计和稳定性评价提供基础理论方法。

Description

一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法。
背景技术
为满足生产工艺的要求，埋置海底管线内熔物在运输过程中需要施加一定的压力并升高温度，使钢管中产生附加应力。当海底管线埋置于地基土体内时，地基土体对管线的抗力使得管线无法自由变形并释放内部应力，随着附加应力的不断累积，当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，这种屈曲剧变可直接导致管线材料的屈服以及土体破坏。
发明内容
本申请提供一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法，解决了现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题。
本申请提供一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法，所述方法包括：
获取砂土试样，并测定所述砂土试样的物理参数；
采用干装法将所述砂土试样制备为不同相对密实度的土体试样；
对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线；
根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型；
将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小。
优选地，所述物理参数包括最大最小孔隙比(emax，emin)，颗粒级配曲线和比重(Gs)。
优选地，所述不同相对密实度的土体试样具体包括相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样，其中，Dr＝(emax-e)/(emax-emin)，所述e为孔隙比，所述emax为所述砂土试样的最大孔隙比，所述emin为所述砂土试样的最小孔隙比。
优选地，所述不同的动循环应力比具体包括动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，所谓的动循环应力比是指周期荷载中的峰值应力与围压的比值。
优选地，所述对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，具体为：
对所述相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样，初始静应力σ1/σ3为0.15、0.3、0.5和0.7，对所述土体试样施加对动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，进行64组空心扭剪三轴试验，并通过控制动循环应力次数和加载时间，以获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线。
本申请有益效果如下：
上述方法通过获取砂土试样，制备不同相对密实度的土体试样，对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型，将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小，为海底埋置管线设计和稳定性评价提供基础理论方法，解决了现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请较佳实施方式一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法的流程图；
图2为波浪荷载作用下海床土体中的动主应力轴连续旋转的应力加载方式示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法，解决了现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
通过获取砂土试样，制备不同相对密实度的土体试样，对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型，将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小，为海底埋置管线设计和稳定性评价提供基础理论方法，解决了现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
为了解决现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题，本申请提供一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法。如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S110：获取砂土试样，并测定所述砂土试样的物理参数。所述物理参数包括最大最小孔隙比(emax，emin)，颗粒级配曲线和比重(Gs)等。
步骤S120：采用干装法将所述砂土试样制备为不同相对密实度的土体试样。
所述干装法是指将干燥砂土采用自由下落方式在三轴试验模具中进行成样，采用该方法制备的砂土试样颗粒排列最接近土体的真实排列状态。
所述不同相对密实度的土体试样具体包括相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样。其中，Dr＝(emax-e)/(emax-emin)，所述e为孔隙比；所述emax为所述砂土试样的最大孔隙比，可通过击实法测量获得；所述emin为所述砂土试样的最小孔隙比，可通过量筒法测量获得。通过目标相对密实度Dr和最大孔隙比emax、最小孔隙比emin，土颗粒比重Gs以及三轴试样的体积V，可以获得所需土体试样的质量m，m＝(Gs/(1+emax-Dr(emax-emin)))V，进而制备特定相对密实度下的土体试样。
步骤S130：对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线。
所述不同的初始静应力比包括初始静应力比σ1/σ3为0.15、0.3、0.5和0.7，其中所述σ1为三轴试样竖向所受应力，所述σ3为三轴试样所受围压应力，具体可通过空心扭剪动三轴试样装置的竖向和轴向加载系统分别加以控制。
其中，动三轴试验属于土的动态测试内容，是室内进行土的动态特性时较普遍采用的一种方法。土的动态特性主要是指土的变形特性和强度特性，变形特性即动应力-应变关系，强度问题除了土的一般强度外，还包括可液化土的振动液化强度。
所述不同的动循环应力比具体包括动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，所谓的动循环应力比是指周期荷载中的峰值应力与围压的比值，可通过空心扭剪三轴试样装置的扭转、水平及竖直加载系统综合控制。由于规则波浪荷载属于一种周期循环荷载，且应力加载方式如图2所示，因此，试验的循环应力频率取0.1Hz，真实准确地模拟规则波浪荷载频率特性，该频率可通过空心扭剪三轴试样装置的扭转、水平及竖直加载系统综合控制。
对所述相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样，初始静应力σ1/σ3为0.15、0.3、0.5和0.7，对所述土体试样施加对动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，进行64组空心扭剪三轴试验，并通过控制动循环应力次数和加载时间，以获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线。
步骤S140：根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型，得出影响砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式的因子和量化关系。
步骤S150：将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小。
并通过建立不同管线直径、埋深和管壁厚度等模型，对土体对管线的约束作用力进行影响因素分析。
通用有限元分析软件具体可以为ABAQUS，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。ABAQUS有两个主求解器模块—ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。
上述方法通过获取砂土试样，制备不同相对密实度的土体试样，对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型，将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小，为海底埋置管线设计和稳定性评价提供基础理论方法，解决了现有技术中当其超过地基土体的抗力作用时，管线就会发生突然变形而使内部应力得到释放，导致管线材料的屈服以及土体破坏的技术问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种评价波浪作用下砂土对埋置海底管线抗力的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取砂土试样，并测定所述砂土试样的物理参数；
采用干装法将所述砂土试样制备为不同相对密实度的土体试样；
对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线；
根据所述动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，建立砂土动强度-变形以及孔隙水压力增长模式理论模型；
将所述理论模型嵌入到通用有限元分析软件中，并考虑管-土相互作用，建立波浪作用下埋置海底管线与砂质海床土体相互作用三维数值计算模型，并对管线分别施加水平和竖直向作用力，进而根据荷载位移关系，获得砂质海床对埋置海底管线的约束作用力大小。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理参数包括最大最小孔隙比(emax，emin)，颗粒级配曲线和比重(Gs)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同相对密实度的土体试样具体包括相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样，其中，Dr＝(emax-e)/(emax-emin)，所述e为孔隙比，所述emax为所述砂土试样的最大孔隙比，所述emin为所述砂土试样的最小孔隙比。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同的动循环应力比具体包括动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，所谓的动循环应力比是指周期荷载中的峰值应力与围压的比值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述不同相对密实度的土体试样中的每种相对密实度的土体试样，选定不同的初始静应力比、对所述土体试样施加不同的动循环应力比，并控制所述动循环的次数和加载时间，获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线，具体为：
对所述相对密实度Dr为0.6、0.7、0.8、0.9土体试样，初始静应力σ1/σ3为0.15、0.3、0.5和0.7，对所述土体试样施加对动循环应力比σd/σ3为0.3、0.4、0.5和0.6，进行64组空心扭剪三轴试验，并通过控制动循环应力次数和加载时间，以获得动应力-应变的变化规律曲线、循环强度的变化规律曲线。
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