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掩埋海底管线的管土相互作用研究

作　者: 武玉斐
导　师: 刘润
学　校: 天津大学
专　业: 岩土工程
关键词: 海底管线 屈曲剧变 管土相互作用 模型试验 有限元法模拟
分类号: U171
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 112次
引　用: 3次
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内容摘要


随着海上油田开采技术的不断发展,海底管线已经广泛应用于海上油田的开发,随之而来的管线屈曲破坏问题也逐渐突显出来。所谓管线的屈曲是指管线在内外温差和压差较大时,由于受到地基土的约束作用,无法自由变形,在管线的内部产生附加应力,使管线发生竖向或水平向的弯曲。地基土体对管线的潜在抗力是管线屈曲剧变问题研究的重要内容之一。总结前人研究成果的基础上,基于模型试验和有限元分析方法,进行了掩埋管线的管土相互作用研究:1.掩埋于砂土中管线的室内模型试验研究。根据管土相互作用的基本理论,设计、制备试验仪器,进行了竖向、水平向两个方向的抗力试验,得到了不同方向、不同管径时土抗力随埋深的变化规律,为管线屈曲分析提供依据。2.土体抗力的理论研究。采用理论公式对不同方向上的土抗力进行计算,得到不同埋深时作用于管线上的抗力峰值,与试验结果相对比,提出了适合于计算砂性土中管线竖向运动时的抗力计算方法。3.管土相互作用的数值模拟。采用二维PLAXIS和三维ABAQUS有限元分析软件对模型试验过程进行数值模拟,并将分析结果与试验结果进行比较验证。结果表明,H/D=5是划分砂性土中土体发生浅层破坏和深层破坏分界点;试验所得结果和数值分析结果基本吻合,在缺少试验数据的情况下可以利用数值模拟的方法对管线的铺设进行初步设计。通过以上对管土相互作用的试验、理论及数值模拟,揭示了当管线发生竖直向、水平向、轴向运动时土抗力的发挥过程及规律性,为管线的屈曲剧变研究提供了数据支持,为进一步提出预防管线发生屈曲变形破坏的工程措施提供了理论依据。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-14
  1.1 问题的提出  7-8
  1.2 管土相互作用的试验现状  8-11
    1.2.1 土体对水平向运动管线的抗力  8-9
    1.2.2 土体对轴向运动管线的抗力  9-10
    1.2.3 土体对竖向运动管线的抗力  10-11
  1.3 管土相互作用理论及数值分析方法  11-12
    1.3.1 水平向运动管线抗力的数值分析  11-12
    1.3.2 竖向运动管线抗力的数值分析  12
  1.4 本文研究内容  12-14
第二章 管土相互作用试验  14-29
  2.1 试验设计  14-21
    2.1.1 试验管线选取  15
    2.1.2 试验槽设计  15-18
    2.1.3 施力装置设计  18
    2.1.4 数据采集仪选取  18-19
    2.1.5 传动装置设计  19-21
  2.2 试验步骤  21-24
    2.2.1 土体的物理力学性质测定  21-22
    2.2.2 填土及埋置管线  22
    2.2.3 施加作用力  22-24
  2.3 试验结果  24-27
    2.3.1 竖向拉起试验  24-27
    2.3.2 水平拉起试验  27
  2.4 本章小结  27-29
第三章 土体抗力的理论解  29-39
  3.1 已有的计算方法  29-34
    3.1.1 水平抗力的计算  29-30
    3.1.2 轴向抗力的计算  30-32
    3.1.3 竖向抗力的计算  32-34
  3.2 模型试验土抗力计算  34-37
    3.2.1 水平抗力计算结果  34-35
    3.2.2 轴向抗力计算结果  35-36
    3.2.3 竖向抗力计算结果  36-37
  3.3 对比分析  37-39
    3.3.1 理论解对比  37
    3.3.2 试验结果与理论解对比  37-39
第四章 试验结果的有限元分析  39-70
  4.1 有限元分析的基本理论  39-45
    4.1.1 土体的模拟  39-42
    4.1.2 管线的模拟  42-43
    4.1.3 单元剖分  43
    4.1.4 接触的模拟  43
    4.1.5 基本物理力学参数  43-44
    4.1.6 有限元分析模型的建立  44-45
  4.2 二维有限元分析结果  45-60
    4.2.1 竖向抗力分析  45-54
    4.2.2 水平抗力分析  54-60
  4.3 三维有限元分析结果  60-66
    4.3.1 竖向抗力分析  60-62
    4.3.2 水平抗力分析  62-65
    4.3.3 轴向抗力分析  65-66
  4.4 对比分析  66-70
    4.4.1 理论解与数值模拟结果  66-68
    4.4.2 试验结果与数值模拟  68-70
第五章 结论与展望  70-72
  5.1 结论  70-71
  5.2 展望  71-72
参考文献  72-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

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中图分类: > 交通运输 > 综合运输 > 管道运输 > 管道运输理论
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