深海SCR觸地管道與土體水平向作用離心模型試驗(yàn)研究

何 寧，安曉宇，劉 洋，任慶偉，孟 毅

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300456；3.天津大學(xué) 水利工程仿真和安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；4.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；5.天津泰達(dá)產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，天津 300457)

隨著國(guó)內(nèi)淺海油田相繼進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段，走向深海已經(jīng)成為中國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)的重要戰(zhàn)略。水深的增加導(dǎo)致常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性逐漸變差，而浮式生產(chǎn)裝置在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都具有顯著優(yōu)勢(shì)。懸掛于浮式平臺(tái)的深水鋼懸鏈線立管[1-2]作為深水油氣田主要介質(zhì)傳輸?shù)闹鲃?dòng)脈，其設(shè)計(jì)、建造、安裝及危害防治是關(guān)鍵問(wèn)題。

深海懸鏈線立管可分為懸垂段與海底流線段[3]，其中懸垂段懸浮于海中，主要承受波浪、流等荷載作用；而流線段與海洋地基土相互作用，在海洋荷載和浮體運(yùn)動(dòng)條件下，流線段與海洋地基土產(chǎn)生管土相互作用，對(duì)立管系統(tǒng)產(chǎn)生安全隱患，因此有必要針對(duì)深海懸鏈線立管中的流線段管土作用機(jī)理進(jìn)行研究。

在管道與土體水平向作用的離心模型試驗(yàn)研究中，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了部分研究，其中Cheuk C Y和White D J[4]在黏土中開(kāi)展了一系列的水平向管土相互作用模型試驗(yàn)，探究了水平向土抗力隨位移與埋深的發(fā)揮過(guò)程。Dingle H R C[5]在離心機(jī)中展開(kāi)了黏土試驗(yàn)，采用了PIV技術(shù)來(lái)觀測(cè)土在各階段的流動(dòng)，用以分析塑性破壞機(jī)理。2011年，White D J和Dingle H R C[6]進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)，認(rèn)為在水平向大位移中，管土之間的作用主要由管前的土拱及其被動(dòng)土抗力決定，而不是由摩擦現(xiàn)象提供。

數(shù)值模擬方面，劉潤(rùn)等[7]在ABAQUS中采用子程序VFRIC模擬管道與地基間的動(dòng)態(tài)非線性相互作用，進(jìn)而對(duì)海底管道整體屈曲進(jìn)行較精確的分析；彭芃[8]利用ABAQUS有限元軟件建立管土相互作用模型，分析了土體剛度、位移荷載以及循環(huán)次數(shù)對(duì)管土相互作用的影響；梁勇[9]和姚銳[10]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)小比尺模型的方法研究了鋼懸鏈線立管垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)立管觸地段管土作用的影響。

小比尺模型試驗(yàn)方面，劉潤(rùn)等[11]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了渤海灣細(xì)砂地基上不同直徑、不同埋深的管道發(fā)生水平向運(yùn)動(dòng)時(shí)土體抗力的發(fā)揮過(guò)程；Wang等[12]針對(duì)不同重量管道的淺埋情況，開(kāi)展了管道水平向大位移運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)，分析了砂土海床上水平向土抗力隨管道運(yùn)動(dòng)的發(fā)揮機(jī)制以及管道水平向失穩(wěn)時(shí)管前土拱的變形規(guī)律。

針對(duì)管道水平向運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)主要采用小比尺模型和數(shù)值分析方法。由于小比例尺模型其自重產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)低于原型，不能再現(xiàn)原型的特性，也不能呈現(xiàn)與原型相同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，從而獲得與原型一致的試驗(yàn)結(jié)果，往往多用于進(jìn)行規(guī)律性研究。而離心模型試驗(yàn)則具有模型和原型的應(yīng)力、應(yīng)變相等，變形相似，破壞機(jī)理相同，能再現(xiàn)原型特征的特點(diǎn)，試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)可以直接反映實(shí)際工程問(wèn)題。為此本文采用離心模型試驗(yàn)的方法，研究深海懸鏈線立管流線段與海床地基土的相互作用，分析立管流線段在軟土地基上的水平向運(yùn)動(dòng)模式，揭示管土作用力與管道位移發(fā)揮關(guān)系，所獲得的結(jié)果可直接指導(dǎo)實(shí)際工程。

1 試驗(yàn)設(shè)備和裝置

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院的TK-C500型土工離心機(jī)[13]，其有效容量達(dá)到500 g·t，最大加速度為250 g，最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為5 m，吊籃設(shè)計(jì)空間長(zhǎng)×寬×高為1.4 m×1.5 m×1.5 m，有效荷重為100 g下最大5 t及250 g下最大有效荷重2 t，可以滿(mǎn)足一般大型水工建筑物模型試驗(yàn)的要求，具有模型比尺大、試驗(yàn)接近原型尺寸，試驗(yàn)精度高的特點(diǎn)。該機(jī)配有160通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞣N變化數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集，如土壓力、水壓力、位移、距離、動(dòng)態(tài)應(yīng)變等。同時(shí)配備高速照相、攝像系統(tǒng)，可對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行PIV分析。

圖1 TK-C500土工離心機(jī)Fig.1 TK-C500 geotechnical centrifuge

1.2 模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用大型鋁制模型箱，模型箱內(nèi)部尺寸1 200 mm×1 000 mm×1 200 mm(長(zhǎng)×寬×高)。水平加載裝置通過(guò)模型箱頂部的橫梁固定在模型箱內(nèi)部，加載裝置由液壓油缸、力傳感器、位移傳感器、軌道和滑塊等部件組成，可在100 g加速度條件下進(jìn)行水平方向的靜荷載或動(dòng)荷載試驗(yàn)，最大加載力3 t，最大行程100 mm，加載裝置如圖2所示。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device圖3 模型布置Fig.3 Layout of model

試驗(yàn)布置如圖3所示。加載裝置與管道模型間采用連桿和直線軸承連接，可以在水平向平動(dòng)的過(guò)程中保持豎向自由度放開(kāi)，使模型管道的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加真實(shí)。將拉線位移傳感器的鋼絲繩固定在管道模型連桿的頂部。試驗(yàn)中的加載過(guò)程中采用位移控制，加載速率為0.06 mm/s。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)土樣和制樣方法

考慮到原型土層特征表現(xiàn)為正常固結(jié)黏土，離心模型試驗(yàn)中采用澳大利亞IMERYS益瑞石水洗高嶺土模擬。制模采用分層制備的方法，首先在模型槽內(nèi)布置好排水固結(jié)系統(tǒng)，模型箱底部設(shè)置排水管和普通砂。土層制備過(guò)程中考慮到含水率、液限和塑限等條件，首先將高嶺土按照大于兩倍液限(含水率約為120%)配置成泥漿，隨后倒入模型槽內(nèi)，最后使用固結(jié)加荷裝置進(jìn)行分層固結(jié)(圖4)。最終得到目標(biāo)場(chǎng)地的強(qiáng)度變化規(guī)律為

Su=4.2+2.81z

(1)

最后，在表面涂抹一層軟泥漿，模擬0.2 kPa強(qiáng)度的表層淤泥，試驗(yàn)中再填充5 cm高的水模擬海洋真實(shí)環(huán)境。固結(jié)后的土模型如圖5所示。

圖4 模型土固結(jié)過(guò)程Fig.4 Consolidation process of model soil圖5 固結(jié)完成的模型土Fig.5 Consolidated model soil

2.2 管道模型設(shè)計(jì)

由于模型槽尺寸有限(寬度1 m)，綜合考慮邊界條件、模型制作難度等因素的影響，截取原型管道6 m長(zhǎng)度開(kāi)展研究，確定本試驗(yàn)比尺為1:9，根據(jù)表1的原型管道參數(shù)進(jìn)行換算，縮尺后的管道模型長(zhǎng)度為667 mm、外徑為36 mm、壁厚為3 mm的不銹鋼管，可以保證在管道模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中管道模型與模型箱箱壁的距離大于3D(管徑)，滿(mǎn)足軟粘土試驗(yàn)對(duì)邊界條件的要求。另外，在試驗(yàn)前對(duì)模型管道表面進(jìn)行涂層處理，并進(jìn)行界面摩擦試驗(yàn)，保證管道模型的摩擦系數(shù)與實(shí)際管道保持一致。

表1 原型管道參數(shù)Tab.1 Prototype pipe parameter

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)對(duì)管道安裝—水壓試驗(yàn)—操作等一系列工況條件下的水平向管土作用進(jìn)行研究，結(jié)合不同工況條件進(jìn)行編號(hào)，安裝工況P1管內(nèi)無(wú)任何填充，水壓試驗(yàn)工況P2管內(nèi)填充水，操作工況P3管內(nèi)填充油氣混合物，模型具體參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test condition

2.4 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)各組工況(安裝、水壓和操作工況)試驗(yàn)分兩步進(jìn)行。

(1)自重沉降測(cè)試。首先根據(jù)不同試驗(yàn)工況調(diào)整管內(nèi)介質(zhì)，將管道模型鋪設(shè)在地基土層上，啟動(dòng)離心機(jī)設(shè)備，離心加速度設(shè)置為9 g，待土體固結(jié)穩(wěn)定后，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的拉線位移傳感器測(cè)試管道自重沉降數(shù)據(jù)。

(2)橫向加載測(cè)試。待管道豎向沉降穩(wěn)定后進(jìn)行水平向加載試驗(yàn)，先進(jìn)行單調(diào)加載，再進(jìn)行往復(fù)循環(huán)加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 管道模型自重沉降

試驗(yàn)測(cè)得不同工況條件下管道模型的自重沉降量如表3所示。

表3 管道模型沉降Tab.3 Settlement of pipe model mm

3.2 水平向加載的土體抗力

試驗(yàn)中獲得了推管過(guò)程不同工況條件下的土抗力位移曲線，如圖6所示。

圖6 單調(diào)加載過(guò)程的土抗力位移曲線Fig.6 Resistance curve of soil under monotonic loading

通過(guò)圖6所示結(jié)果可以看出，各工況下管道側(cè)向土體抗力發(fā)揮在滑移距離為0.1D左右時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)可認(rèn)為管道側(cè)向運(yùn)動(dòng)達(dá)到破土狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向抗力為破土抗力。安裝工況、水壓試驗(yàn)工況和操作工況對(duì)應(yīng)的破土抗力分別為3.45 kN、4.28 kN和3.78 kN，水壓試驗(yàn)工況和操作工況與安裝工況相比分別增長(zhǎng)了24.06%和9.56%。在后續(xù)的抗力發(fā)揮中，抗力增長(zhǎng)速率小于破土前的增長(zhǎng)速率，并且破土后抗力增長(zhǎng)速率基本保持定值，在試驗(yàn)結(jié)果中未見(jiàn)明顯減小。除此之外，管道側(cè)向抗力一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)，即便在離心機(jī)試驗(yàn)的最大位移時(shí)也未達(dá)到峰值。當(dāng)最大位移(X/D=2.5)時(shí)對(duì)應(yīng)安裝工況、水壓試驗(yàn)工況和操作工況的側(cè)向抗力分別為9.07 kN、12.07 kN和9.97 kN，水壓試驗(yàn)工況和操作工況與安裝工況相比分別增長(zhǎng)了33.07%和9.92%。這也反映出隨著管重的不斷增大，破土抗力和后續(xù)的側(cè)向抗力也不斷增大。

從圖6中還可看出，不同工況條件下的土體抗力均呈現(xiàn)硬化型曲線，這是由于試驗(yàn)場(chǎng)地存在0.2 m厚的強(qiáng)度較低的表層淤泥，屬于深埋重管，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，土拱不斷累積使得破土抗力以后土拱作用不斷增強(qiáng)。如圖7所示。

7-a 初始階段7-b 下扎階段圖7 水平向運(yùn)動(dòng)管道模型運(yùn)動(dòng)模式Fig.7 Motion mode of horizontal moving pipe model

從圖7中可以看出，隨著水平位移的不斷增大，管道模型出現(xiàn)了明顯的下扎，持續(xù)貫入表層軟弱土層，土拱不斷累積，形成了如圖6所示的曲線形態(tài)。

3.3 循環(huán)加載的土體抗力

從水平向單調(diào)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)可以看出，管道土抗力曲線為硬化型曲線，主要是表層軟弱淤泥層導(dǎo)致的土拱累積所致。基于這種情況進(jìn)行了往復(fù)推管運(yùn)動(dòng)，即在首次推管過(guò)程后進(jìn)行了往復(fù)次數(shù)N=4的推管試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

如圖8-a、8-b和8-c中N=1曲線所示，在首次推管過(guò)程中由于管道模型深埋于表層淤泥粘土，土拱持續(xù)累積，土抗力曲線均呈現(xiàn)硬化型曲線，即顯示為重管特征。如圖8-a、8-b，8-c中N=2、N=3和N=4曲線所示，隨著首次推管將土拱清除，在往復(fù)推管過(guò)程中，管道初始狀態(tài)改變，不再深埋于表層淤泥，而是落在了下方5 kPa左右的黏土層表面，此時(shí)土抗力曲線表現(xiàn)為輕管特征，即在破土抗力之后，土抗力曲線在滑移距離為0.7～1D時(shí)出現(xiàn)峰值抗力，峰值抗力大小約為破土抗力的2～4倍，隨后進(jìn)入軟化階段，管道由于下層黏土不再是淤泥，不再產(chǎn)生下扎，土拱不再持續(xù)累積，在土拱破壞以后土抗力曲線出現(xiàn)軟化。

對(duì)比同一工況下的N=2、N=3和N=4曲線可以看出，隨著往復(fù)次數(shù)N的增加，峰值土抗力有所增長(zhǎng)，這是由于隨著管道運(yùn)動(dòng)殘留淤泥和擾動(dòng)淤泥增加，土拱有范圍累積，加之隨著管道埋深的持續(xù)增加，土體強(qiáng)度小范圍增長(zhǎng)，因此表現(xiàn)為土抗力曲線隨著循環(huán)次數(shù)N的增加逐漸增長(zhǎng)，平均增長(zhǎng)幅度不超過(guò)25%。

8-a 安裝工況8-b 水壓試驗(yàn)工況8-c 操作工況圖8 循環(huán)加載過(guò)程的土體抗力曲線Fig.8 Resistance curve of soil under cyclic loading

4 結(jié)論

本文采用離心試驗(yàn)方法研究了鋼懸鏈線立管系統(tǒng)流線段與土體的相互作用，得到了不同工況條件下12寸立管的管土相互作用模式，揭示了管道土抗力與位移曲線關(guān)系，具體結(jié)論如下：

(1)針對(duì)管道水平向運(yùn)動(dòng)模式，設(shè)計(jì)了管土離心機(jī)模型試驗(yàn)加載設(shè)備，通過(guò)調(diào)控管內(nèi)水質(zhì)量模擬安裝工況、水壓試驗(yàn)工況和操作工況下的管道自重，測(cè)試了不同工況下的管道自重沉降。

(2)由于目標(biāo)場(chǎng)地存在軟弱黏土層，在首次推管過(guò)程中，在滑移距離為0.1D時(shí)達(dá)到破土狀態(tài)，安裝工況、水壓試驗(yàn)工況和操作工況對(duì)應(yīng)的破土抗力分別為3.45 kN、4.28 kN和3.78 kN。水平向運(yùn)動(dòng)時(shí)在各個(gè)工況條件下土體抗力曲線均隨位移呈現(xiàn)硬化型曲線，即在破土抗力以后側(cè)向抗力持續(xù)增加，這是由于軟弱黏土層存在，在破土抗力后管道持續(xù)下扎，土拱不斷擴(kuò)大，使得管道呈現(xiàn)重管特性。當(dāng)最大位移(X/D=2.5)時(shí)對(duì)應(yīng)安裝工況、水壓試驗(yàn)工況和操作工況的側(cè)向抗力分別為9.07 kN、12.07 kN和9.97 kN，對(duì)比不同工況條件下的破土抗力可以發(fā)現(xiàn)，隨著管重的增加，破土抗力和側(cè)向抗力均不斷增加。

(3)在隨后的往復(fù)推管過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，首次推管以后原有試驗(yàn)位置淤泥層被推開(kāi)，計(jì)算點(diǎn)土體強(qiáng)度增長(zhǎng)，管道呈現(xiàn)輕管特征，土體抗力曲線呈現(xiàn)軟化型，在滑移距離為0.7～1D時(shí)出現(xiàn)峰值抗力，峰值抗力以后土體抗力逐漸衰減，到達(dá)殘余抗力。隨著往復(fù)推管次數(shù)的增加，由于土拱的小范圍累積，峰值土體抗力逐漸增加，平均增長(zhǎng)幅度不超過(guò)25%。