岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 623-632.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0336

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考虑颗粒破碎影响的钙质砂中海底管道贯入机制研究

杨阳1, 2,王乐1, 2,马建华3,童晨曦4,张春会5,王智超6,田英辉7   

  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. 中国港湾工程有限责任公司,北京 100010;4. 中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075; 5. 河北科技大学 河北省岩土与结构体系防灾减灾技术创新中心,河北 石家庄 050018; 6. 湘潭大学 土木工程学院,湖南 湘潭 411105;7. 墨尔本大学 墨尔本工程学院,澳大利亚 维多利亚 3010
  • 收稿日期:2023-03-17 接受日期:2023-07-03 出版日期:2024-02-11 发布日期:2024-02-07
  • 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。noah_y@tju.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 51890913)

Mechanism of submarine pipeline penetration into calcareous sand considering particle breakage effect

YANG Yang1, 2, WANG Le1, 2, MA Jian-hua3, TONG Chen-xi4, ZHANG Chun-hui5, WANG Zhi-chao6, TIAN Ying-hui7   

  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. China Harbor Engineering Company Limited, Beijing 100010, China; 4. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China; 5. Hebei Technological Innovation Center of Disaster Prevention and Mitigation Engineering of Geotechnical and Structural System, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 6. School of Civil Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan 411105, China; 7. Melbourne School of Engineering, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia
  • Received:2023-03-17 Accepted:2023-07-03 Online:2024-02-11 Published:2024-02-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51890913).

摘要: 通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时,由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主,管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响;当管道埋深较大时,管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏,土体变形主要集中在管道底部,且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展,大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎,少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放,颗粒破碎越多,应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

关键词: 钙质砂, 颗粒破碎, 海底管道, 离心机试验, 离散元

Abstract: This paper investigates the mechanism of submarine pipeline penetration into calcareous sand by using centrifuge testing and discrete element modeling. The results indicate that the pipeline penetration resistance shows a linearly increase trend with the pipeline embedment, and its value is approximately equal to the product of pipeline-soil contact width and the cone penetration resistance obtained from the cone penetration test (CPT). When the pipeline embedment is small, the penetration resistance is almost unaffected by particle strength due to the fact that the soil deformation is dominated by the particle rearrangement. When the pipeline embedment is large, the penetration resistance decreases with decreasing particle strength and increasing particle breakage. The mechanism of pipeline penetration into calcareous sand exhibits a typical punching shear failure. The soil deformation primarily occurs at the bottom of the pipeline, and the teardrop-shaped deformation region gradually shrinks with increasing particle breakage. The particle breakage develops radially away from the bottom of the pipeline, where most successive particle breakages tend to occur near the pipeline, while a few individual breakages are more common in regions far from the pipeline. The particle breakage results in the release of stress concentration at the bottom of the pipeline. The more the particles break, the more the stress releases, and the more obvious the resulting decrease of penetration resistance.

Key words: calcareous sand, particle breakage, submarine pipeline, centrifuge test, discrete element method

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