[发明专利]一种管土相互作用分析方法

说明书

本发明公开了一种管土相互作用分析方法，该方法包括建立管土相互作用模型、采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度等步骤。其优点在于：考虑了海底土壤泥面处不排水抗剪强度和土壤不排水抗剪强度垂向增量、管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重和安装作用力等因素对管土相互作用的影响，采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤的深度，从而建立一个新的管土相互作用的分析方法，解决了海洋管道在安装过程中与海底土壤相互作用的问题，为海洋管道安装的安全可靠性提供了分析途径和理论依据。

技术领域

本发明涉及一种管土相互作用的研究方法，更具体的说，本发明涉及一种研究海洋管道与海底土壤相互作用的分析方法。

技术背景

蓝色的海洋中蕴藏着丰富的资源。近年来，随着人们逐渐加大了对海洋资源的开发和利用，海底管道、悬链线立管等管道结构在海洋资源的勘探和开采中得到了广泛的应用。

所述的海底管道能够将海底油井产出的石油、天然气等能源流体高效快速的运送到陆地上，其具有安装方便，造价低廉，高效运输等优点，已作为海底油气运输系统的主要装置，是海底能源物质运输的大动脉。在浅海处，为了防止外界环境对海底管道的破坏，一般采用挖沟掩埋的方式安装管道，再利用回填土壤覆盖海底管道起到保护的作用。但是，在深海中挖沟掩埋的安装方式成本造价较高，故一般改用直接平铺的安装方式，运用铺管船直接将海底管道铺设在海床表面上，主要有“S”型铺管和“J”型铺管。

所述的悬链线立管在海洋工程领域中应用非常广泛，它一端连接于海上平台，另一端连接海底油井，将海底油井产出的石油和天然气运输到海上平台上，同时还可以对浮式采油平台进行定位。由于其自身重力的作用，悬链线立管成抛物线形，在与海底接触时会对海底土壤产生压力作用，从而形成一定深度的沟槽。

可见，无论是海底管道，还是悬链线立管，都会涉及到海洋管道和海底土壤的相互作用。在安装过程中，海洋管道受重力和安装力的作用会挤压海底土壤并使其发生变形，而海底土壤也会对安装管道产生反作用力，使安装管道出现较大的弯曲变形和弯曲应力。当弯曲应力超过安全值时，就会使安装管道出现破裂现象，造成安装工程的失败。海洋管道的安装是一个重要的过程，不仅与安装管道的安全有关，而且还关系到管道后期服役的安全问题。另一方面，海底土壤的性质、管道特性以及安装过程的外力作用也会对海洋管道的安装产生重要影响。

现有技术对于海洋管道和海底土壤的相互作用做了大量的简化，一般采用简单的线性弹簧模拟海底土壤对管道的作用，并未有考虑到海底土壤的性质、海洋管道自身的结构性质、海洋管道与海底土壤相互作用的非线性等影响因素。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的缺陷，并为此提供一种管土相互作用分析方法。该方法考虑了海底泥面土壤不排水抗剪强度和土壤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、管道自重以及安装作用力等因素的影响，从而改进了现有技术对管土相互作用的分析方法，使管土相互作用分析结果与实际情况更加吻合，提高了管土相互作用分析结果的可靠性。

本发明的技术方案是：

一种管土相互作用分析方法，包括以下步骤：

(1)建立管土相互作用模型：

KY＝F

式中：K—总刚度矩阵；

Y—管道各结点位移矩阵，Y＝[y₁ … y_i …]^T，可采用有限元法或者有限差分法用各连接结点的位移表示整个连续管道的位移；

F—管道受到的总外力矩阵，包括管道自重和安装作用力；

k_i—在i结点处土壤对管道的支撑刚度；