岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 1001-1008.doi: 10.16285/j.rsm.2022.0755

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砂土海床中海底管道贯入阻力演化特征及细观机制研究

杨阳1, 2,田英辉3,张春会4,王荣1, 2,王智超5,王乐1, 2   

  1. 1. 天津大学 建筑工程学院,天津 300350;2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;3. 墨尔本大学 工程学院, 澳大利亚 维多利亚 3010;4. 河北科技大学 建筑工程学院,河北 石家庄 050018;5. 湘潭大学 土木工程学院,湖南 湘潭 411105
  • 收稿日期:2022-05-20 接受日期:2022-08-09 出版日期:2023-04-18 发布日期:2023-04-28
  • 作者简介:杨阳,男,1995年生,博士研究生,主要从事海洋岩土工程方面的研究工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51890913,No.51879183)

Penetration resistance evolution characteristics and mesoscopic mechanism of submarine pipeline in sandy seabed

YANG Yang1, 2, TIAN Ying-hui3, ZHANG Chun-hui4, WANG Rong1, 2, WANG Zhi-chao5, WANG Le1, 2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3. School of Engineering, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia; 4. School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 5. School of Civil Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan 411105, China
  • Received:2022-05-20 Accepted:2022-08-09 Online:2023-04-18 Published:2023-04-28
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51890913, 51879183).

摘要: 理解海底管道竖向贯入过程是科学评估管道安装期间初始埋深及服役期间安全性和稳定性分析的关键。通过土工离心机模型试验,结合离散元数值分析研究了真实应力水平下不同密实度砂土中海底管道竖向贯入阻力演化特征及细观机制。研究结果显示,对于中密砂,管道贯入阻力曲线主要表现为硬化特征;对于密砂,贯入阻力曲线整体上呈现周期性软化特征,且埋深越大,软化程度越大。离散元计算分析表明,造成该现象的原因是不同密实度砂土中管道贯入的土体流动及破坏机制不同,且贯入阻力的演化与剪切带的形成与发展密切相关。利用现行海底管道设计规范评估密砂中管道埋深时应充分考虑其贯入阻力随深度的演化特征,当管道埋深初步评估大于0.1D(D为管径)时,应结合计算结果上下限值合理预测管道埋深。

关键词: 砂土海床, 海底管道, 贯入阻力, 埋深, 离散元法

Abstract: Understanding the vertical penetration process of submarine pipelines is of fundamental significance for the reasonable assessment of the initial pipeline embedment during installation and safety and stability during service. Geotechnical centrifuge model tests, combined with discrete element method modelling were conducted to investigate penetration resistance evolution characteristics and mesoscopic mechanism of submarine pipeline in sand with different densities under the real stress level. The test results show that for the medium-dense sand, the pipe penetration resistance-embedment curve shows a hardening trend. On the other hand, for the dense sand, the pipe penetration resistance-embedment curve exhibits a periodic softening trend; moreover, the deeper the embedment is, the greater the degree of softening becomes. Discrete element modelling results demonstrate that the difference in pipe penetration resistance-embedment curves is induced by different soil movement and failure modes when pipe penetrates in sands with different densities. The pipe penetration resistance evolution characteristics are closely related to the formation and development of shear band in sand. The evolution characteristics of penetration resistance with embedment should be fully considered when evaluating pipe embedment in dense sands using the current design specification for submarine pipelines. More specifically, the pipe embedment should be reasonably estimated based on the upper and lower limits of calculation results, when the preliminarily estimated pipe embedment is larger than one tenth of the pipe diameter.

Key words: sandy seabed, submarine pipeline, penetration resistance, embedment, discrete element method

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