一种管土动态耦合作用分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管土耦合作用的研究方法，更具体的说，本发明涉及一种研究管 道结构与海床土体动态耦合作用的分析方法。 技术背景
[0002] 近年来，随着人们逐渐加大对海洋资源的开采和利用，海底管道、悬链线立管等管 道结构在海洋工程中得到越来越广泛的应用。
[0003] 所述的海底管道能够高效快速的将海底油井产出的石油、天然气等能源物质运送 到陆地上，具有安装方便、造价低廉、高效运输等优点，是海底油气资源运输的主要装置，也 是海底能源系统的大动脉。但由于起伏不平的海底地势和海底洋流的冲刷作用，易使海底 管道出现悬跨现象，尤其是在外界来流的作用下，悬跨的海底管道很容易发生涡激振动，从 而造成严重的结构疲劳破坏。由于悬跨管道的两端由海床土体支撑，而海床土体又对管道 的运动具有约束作用，海床土体越坚硬，对悬跨管道运动的约束条件越强烈。当海底管道来 回运动压缩海床土体时，就会使海床土体的性质发生改变。如此，海底管道的运动会对海床 土体产生影响，而海床土体又会对海底管道的运动产生影响，也就是说，海底管道和海床土 体之间存在着较强的动态耦合作用。
[0004] 所述的悬链线立管在海洋工程领域中应用非常广泛，它一端连接海上平台，另一 端连接海底油井，将油井产出的石油和天然气运输到海上平台，同时还可以对浮式采油平 台进行定位。由于其本身重力的作用，悬链线立管成抛物线形，在与海底接触时会有一段较 长的触地区域。悬链线立管会受到波浪、海流和海上平台的作用而发生运动，当运动传递到 海底触地区域时，亦会出现管道结构和海床土体的动态耦合作用。
[0005] 可见，所述的海底管道、悬链线立管等海洋管道结构，均会涉及到管道与海床土体 之间的动态耦合作用。
[0006] 当管道结构受到外力作用而发生运动时，会对支撑它的海床土体产生影响，以至 使海床土体的性质发生改变。
[0007] 当管道向下运动挤压管道沟槽中的海水时，会使沟槽壁面的土体因海水的冲击作 用而发生脱落。此外，沟槽中的海水受到管道的挤压也会混合着部分海床土体被挤出沟槽。
[0008] 当管道向上运动离开沟槽时，部分海床土体因土体的黏性而被管道黏带着向上运 动，进而脱离原来的土体。
[0009] 由于管道的循环运动会造成管道沟槽不断的加深、加宽，海床土体的刚度也会随 之出现衰减现象。反过来，海床土体支撑着管道结构，对管道结构的运动具有约束作用，海 床土体性质的改变就会对运动管道产生重要影响。总之，管道结构和海床土体之间既相互 作用，又相互影响，具有较强的动态耦合作用。
[0010] 现有技术对于管土动态耦合作用做了大量的简化，在对其分析研究中，一般是采 用线性弹簧或者非线性弹簧模拟海底土体对管道结构的作用，却并未考虑到海底土体的特 性、管道结构的特性和管道结构与海底土体相互作用的特性，比如：海底土体的抗剪强度、 土体吸附效应、管道结构表面粗糙度、管道沟槽形状和土体非线性滞后现象等等。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的就是弥补现有技术的缺陷，并提供一种管土动态耦合作用分析方 法。该方法考虑了海底泥面土体不排水抗剪强度和土体不排水抗剪强度垂向增量，还考虑 了管沟形状、管道结构表面粗糙度以及土体非线性滞后效应等影响因素，从而改进了现有 技术对管土动态耦合作用的分析方法，使管土动态耦合作用分析结果与实际情况更加吻 合，提高了管土动态耦合作用分析结果的可靠性。
[0012] 本发明的技术方案是：
[0013] -种管土动态耦合作用分析方法，采用了同时考虑土体刚度作用和土体阻尼作用 的管土动态耦合作用分析模型：
[0014] a) 土体刚度作用：
[0015] fk= ksoll · y
[0016] b) 土体阻尼作用：
[0017] = cSBi}； - J
[0018] 式中：fk 一土体对管道结构的刚度作用力；
[0019] kSMl-土体支撑刚度；
[0020] y-管道结构的位移；
[0021] f。一土体对管道结构的阻尼作用力；
[0022] Ck 一土体阻尼系数；
[0023] ?-管道结构的速度；
[0024] 根据管道结构嵌入土体的最大深度确定土体非线性迟滞环，其中包括管道结构回 弹阶段、管道结构局部分离阶段和管道结构再次回压阶段；
[0025] (1)管道结构回弹阶段：
[0030] 式中：yi-管道结构嵌入土体的最大深度；
[0031] P1一最大土体作用力；
[0032] a-与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；
[0033] b-与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，由试验获得；
[0034] Suq-海底泥面土体不排水抗剪强度；
[0035] Sug-海底土体不排水抗剪强度垂向增量；
[0036] D-管道结构外径；
[0037] P1 2-管道结构回弹阶段土体作用力；
[0038] υ 一土体特性参数，由试验获得；
[0039] k〇 一土体特性参数，由试验获得；
[0040] P2一土体最大吸附力；
[0041] Φ 一土体特性参数，由试验获得；
[0042] J2一土体最大吸附力出现位置；
[0043] (2)管道结构局部分离阶段：
[0046] 式中：P2 3-管道结构局部分离阶段土体作用力；
[0047] y3-土体作用力消失点位置；
[0048] ⑦一土体特性参数，由试验获得；
[0049] (3)管道结构再次回压阶段：
[0051] 式中：P3 i-管道结构再次回压时土体作用力；
[0052] 由于土体非线性迟滞环与管道结构嵌入土体的最大深度有关，根据管道结构的运 动情况，对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新；
[0053] 又由于海床土体对管道结构的支撑刚度与管道结构所处的位置和运动方向有关， 故：
[0054] 当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于71和y 2之间时，土体支撑刚度 为：
[0056] 当管道结构上升远离土体，且管道结构位置处于72和y 3之间时，土体支撑刚度 为：
[0058] 当管道结构下降压缩土体，且管道结构位置处于71和73之间时，土体支撑刚度 为：
[0060] 其它状态下，土体支撑刚度均为零；
[0061] 土体阻尼系数可以根据下式确定： CN 105184102 A 兄明十ι 4/7 页
[0065] 式中：cSMl-土体阻尼系数；
[0066] kSMl-线性化的土体支撑刚度；
[0067] ω -响应t旲态的圆频率；
[0068] EDlssipated-土体吸附的弹性势能；
[0069] EElastic一土体阻尼消耗的能量。
[0070] 本发明的分析方法克服了现有技术的不足，其有益效果在于：
[0071] 考虑了海底泥面土体不排水抗剪强度和土体不排水抗剪强度垂向增量以及管沟 形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性滞后效应等多种因素的影响，根据管道结构所处 的位置和运动方向确定海床土体对管道结构的支撑刚度和土体阻尼系数，同时根据管道结 构的运动情况对管道结构嵌入土体的最大深度进行实时更新，从而建立了一种新的管土动 态耦合作用分析方法，解决了管道结构和海床土体的动态耦合作用问题，为海底管道、悬链 线立管等管道结构与海床土体之间动态耦合作用提供了有效的分析途径和可靠的理论依 据。
【附图说明】
[0072] 图1为本发明方法的流程图。
【具体实施方式】
[0073] 为了使本发明的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术 方案作以详细说明。
[0074] 本领域技术人员周知，海床土体由气相、液相和固相三相物质组成，不同海域不同 深度的土体往往具有不同的性质；另外，海床土体还具有较强的非线性，受到外力作用会发 生弹性变形和塑性变形。这些因素使得管道结构和海床土体之间的耦合作用更加复杂，而 海底管道、悬链线立管等相类似的管道结构在外力的作用下发生运动，最容易在管道结构 与海床土体接触的区域内出现疲劳破坏。传统方法对海床土体进行了简化，采用线性弹簧 或者非线性弹簧模拟海床土体对管道的作用，并未考虑到海床土体的特性、管道结构的特 性以及管道结构和海床土体之间的耦合特性，致使理论分析计算的结果与实际情况相差较 大。因此，在工程应用中，需要预留较大的安全余量才能够满足实际需要。
[0075] 本发明则考虑了海底泥面土体不排水抗剪强度、土体不排水抗剪强度垂向增量以 及管沟形状、管道结构表面粗糙度和土体非线性滞后效应等多种影响因素，并为此提出了 同时考虑土体刚度作用和土体阻尼作用的管土动态耦合作用分析方法（参照附图）：
[0076] a) 土体刚度作用：