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SY／T 7611-2020 海底管道管土相互作用的推荐作法.pdf

当管道被放置在由型式装置形成的软黏土沟槽中，随后填充沟槽材料时，黏土的含水量相对于完 整状态下的含水量将不会增加。因此，由灵敏度测量建立的黏土重塑阻力可代表预期的最小强度。 随着时间的推移，恢复的剪切强度最终预期达到与根据正常固结黏土理论得到的有效应力成比例 的强度，或等于重塑的剪切强度，以较大者为准。 型式挖沟预期通过产生裂缝和充水孔隙以改变黏土的宏观结构。在硬质黏土中使用犁式挖沟时， 黏土很可能破碎成黏土块，而隆起阻力则与黏土块之间的界面剪切阻力有关，而非黏土的剪切强度。 在砂土条件下犁式挖沟会影响相对密度，但不如喷射式挖沟严重。由于波浪荷载的后续致密化可 能随时间增加相对密度，但是这样的正向影响难以量化。

7.3轴向管土相互作用

理设管道的轴向阻力可以通过调查两种不同的失效模式来确定。深模式和浅模式（图27给出了 两层模型）。模式之间的区别是管道上方的土壤是否与管道一起轴向滑动，或者如果回填土的抗剪强 度足够高以防止管道上方的土壤运动。 浅层模式将适用于低覆盖土厚度。 对每种情况，工程师需评估管道周围的土质、排水条件和承载率，以确定管道周围的土壤是否会 排水或不排水。

DL／T 5552-2018标准下载7.3.2排水条件下的阻力

如图30所示，假设理想条件下两层模型可以用于评估排水条件下的轴向摩擦。深失效模式下的 阻力可通过将管道周围的接触应力集中在两个不同的层上获得。浅模式下的阻力可通过使用上层的垂 向剪切阻力替换深失效模式等式中代表管道上半部分的相关计算公式获得。最终阻力取两种失效模式 下计算得到的最小阻力，见公式（43）和公式（44）。 深失效模式：

公式（50）对应于深失效模式的承载能力因子N。取值在9～12的范围内，见RandolphMF 1984）。RandolphMF（1984）考虑的工况与具有恒定不排水剪切强度的横向荷载桩的深层破坏模式 有关。公式（50）最后一项表示土壤浮力效应。 整体失效模式假设管道上方的土壤与管道一起被抬起，并形成两个垂直失效平面。总阻力类似于 排水阻力模型。但是，覆盖土的抗剪强度由假设失效面上平均不排水剪切强度决定，见公式（51）。

对于整体和局部失效模式，应使用失效表面内的平均剪切强度。在选择合适的平均剪切强度S 时，应注意失效模式的选择。两个公式所使用的平均剪切强度可不同。 垂直滑移面的假设是简化的。其他公式或方法可能与管道更加相关，如，使用有限元分析，可 以确定各种剪切强度剖面图的向上阻力，明确说明不排水剪切强度随深度增加而线性增加，见 MartinCM（2012）。无论选择何种方法来计算向上阻力，主要的挑战是确定回填黏土的抗剪强度 详细内容可参见7.2。

7.6回填黏土上方填充碎石

如果覆盖管道回填材料是黏土，并且使用额外的岩石来增加向上阻力，则只有当管道已经通过黏 土并且与岩石颗粒接触之后，才可考虑岩石的附加重量和抗剪切力的全部影响。在这种情况下，初始 失效模式会出现回填黏土的局部失效，并且在顶部增加岩石的唯一好处是增加的重量会加固土壤，从 而使黏土具有更高的剪切强度。当考虑剪切强度增加时，宜考虑固结时间。 此外，当把岩石施放在狭窄沟槽内非常柔软的黏土上时，可能无法获得附加岩石的全部效果，因 为与沟外两侧的未扰动黏土相比，沟槽内软黏土的可压缩性要高得多。这可能导致沟槽上方填充岩石 的一部分重量转移到两侧未扰动黏土上。评估此类影响宜采用二维固结分析，也宜根据土壤条件、沟 槽几何形状、不直度、岩层覆盖的横向范围等以评估倾斜失效的可能性。

铺设在软黏土上的管道可能会向下弯曲而不是向上。软黏土上的管道也可能经历向下位移，这都 会影响管道的初始不平整度。同样对于隆起届曲，评估管道曲率和弯曲应力，土肩的向下刚度显得很 重要。荷载一位移曲线是非线性的，并且取决于管道下方的不排水剪切强度。此外，管道下方的土壤 强度依据加载历史确定。不排水剪切强度受铺管、挖沟、水压试验、回填/岩石填充重量等影响而与 原位剪切强度发生偏差。向下阻力可按照6.2给出的裸露管道贯入阻力模型进行类似计算，但要考虑 超载压力和可能出现的深失效模式。

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8.2管道设计和评估的考虑

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一方法为中心。 由于有许多不同的计算模型可供选择，且大部分都是经验性的，所以对于每个特定的模型来说， 进行灵敏度检查，并输入合理的范围参数，以确定总阻力的不确定性。建议评估不同的计算模型，以 更更好地捕提给定设计情况的建模不确定性。 对于本标准给出的基于岩土原理的模型，模型不确定性是未知的。然而，本文认为，如果模型能 表达不同情景和包括大部分输人参数，数量合适的范围（例如土壤阻力）可通过定义土壤输人参数和 模型条件参数来确定。一个不同模型条件的例子可参考公式（21），其中，用户可以考虑管道后方的 吸附力或在侧向破土阻力计算中不考虑此吸附力。由于可以定义影响土壤阻力的所有参数和工况，所 以有限元分析是进行敏感性研究的更优方法，见4.4。

8.2.3不确定性组合

土壤液化是土壤失去天部分或全部剪切强度的现象。波浪或地震作用在土壤上的循环剪切应力 使孔隙压力增大，直到土壤失去其大部分剪切强度时，残余液化就可能发生。如果陡波经过松散的土 壤，会在波谷下方引起向上的压力梯度[见VerruijtA（1997)]，这时可能会发生瞬时液化。 显然，土壤液化将影响垂向稳定性，即下沉和上浮，以及侧向稳定性。取决于管道密度，土壤液 化可能会使置于海床上的重管沉人土壤且自埋，或者使埋设轻管从土壤中上浮。 存在预测土壤可能液化的模型。但是，需要一些相当精细的原位和试验室土壤试验来量化这些模 型的输人参数。

当评估自由悬跨管道的静态平衡形态和动态响应时管土相互作用是非常重要的。以下功能要求应 用于土壤抗力： a）沿着管道路由的垂直剖面能准确表示海床地形。为了描述海床的实际粗糙度，表征海床轮廓 的数据点的间距应足够小。 b）土壤阻力模型应考虑垂直于管道的非线性接触力，例如提升力。 c）土壤阻力模型应考虑轴向位移。也适用于侧向力模型。 d）应适用于刚度和阻尼的适当的短期和长期特性，即静态和动态条件

9.2.2简化土壤阻尼

如果没有按照6.6进行详细评估，土壤对模态阻尼的影响Ssoil可取自表6或表7，允许插值。 注意表6和表7给出的简单土壤阻尼仅适用于单一悬跨和振动的第一阶模态。而对于传统的单一 悬跨，表格中的数据是保守的，然而，若用于多跨或者评估较长的单跨高阶模态时，表格中的数值可 能不保守。

表7黏土的土境模态阻尼比（%）

对于岩石支撑管道，因土壤模型需考虑模态阻尼，因此可按密实砂土考虑。 表格推荐的阻尼是基于TuraF（1994）的研究成果。进行了两类试验： a）线性模型试验：将悬臂式自由端带有传感器的管道放置在预设的沟槽中，使其在垂向和横向 进行摆动以获得管道的整体阻尼响应。 b）断面试验：垂向贯人管道，在垂向和横向进行循环加载，同时测定力一位移之间的关系。这 个截面管道响应（单位长度）是为不同程度的循环力或位移而建立，自的是获得附近土壤的 整体响应。 对两类土壤进行试验：软性黏土和中到密实砂土。通过来用在梁单元上施加土壤刚度和阻尼的有 元截面模型验证弹簧模型的整体行为。 然后，从上述试验得到的土壤刚度和阻尼，使用离散土体刚度和阻尼的梁单元有限元模型进行 斤模拟具有不同长径比单一悬跨的实际自由跨度。用这种方法可以计算相似土壤条件下的模态阻尼 假定能覆盖其他土壤条件。

需要注意，位于黏土上的管道，按公式（36）计算Gmx时，在管道铺设后的临时期间，受 作用，黏土可能不会固结。

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9.2.4简化土填刚度

当地形条件不是很复杂及土壤均匀不分层时，且无法根据6.5.3详细分析确定土体刚度时，垂向 和侧向动态刚度Kv.和K.可采用下列简化公式（53）和（54)计算：

Ku=(x+)D . KLa=C (1+v)(×+)D

2xP. [2xP. VD

系数Cv和CL按照表8和表9进行取值。pJp是管道质量（不包括附加质量）与排水质量之比。 应评估土壤行为是否排水或不排水。6.5给出了泊松比的典型值。这些表达式对于1.2

表8砂土管土相互作用下的简化动态刚度系数和静态刚度

表9黏士（OCR=1）管土相互作用下的简化动态刚度系数和静态刚度

对于砂土支撑的自由悬跨，宜在松散砂土特性假设下计算横向动态刚度KLd，目的是能合理解释 复杂土壤流动性的影响，包括侵蚀和自埋。 轴向动态刚度通常不是一个重要的参数。然而，当出现较长自由悬跨时，包含摩擦和刚度的轴向 一支撑模型这个参数是很重要的。如果没有可利用的信息，轴向动态土壤刚度可以等于侧向动态土 壤刚度KLd

9.2.5轴向和侧向土增

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余应力。这类轴向应力，可能会沿着跨肩上管土分离点存在。 关于轴向摩擦力受接触剪切阻力的限制，见6.3。在管道侧向移动的区域，通常在靠近自由悬跨 的跨肩上，表面摩擦力需要考虑轴向和侧向应力的共同作用。这种相互作用会降低跨肩上的轴向和侧 向阻力。

9.3支撑填充的设计方法

本节的目的是为保证管道安全，采取避免过度保守和费用较高的砾石填充设计时，讨论与填充石 块稳定性相关的设计和安全。这样的评估有必要考虑石块填充失效的后果以及失效的可能性。失效的 后果和可能性可能会有所不同，风险评估可以优化设计。 一般来说，要求低失效概率宜比高程度后果更严格。因此，与管道设计相关的填充，其目的至关 重要。为满足管道极端极限状态操作安全所需的管道支撑应具有较低的失效概率，然而，为了增加疲 劳寿命所需的支撑，可以充许有较高的失效概率。这点尤其适用于填充的管道，其疲劳寿命比无支撑 的管道多一年或两年，考虑到检测和重建任何失效支撑的可能性，对于填充情况，施加静态载荷，操 作条件下出现失效的主要原因是由地震载荷引起的。 如本节所述，在项目早期阶段，显著降低石块填充区域费用及其地基失效的潜在因素，需要进行 风险评估研究。安全和费用的优化措施宜包括： a）对管道安全至关重要的填充物进行识别，宜确保不会发生地基失效。基于可靠的土壤数据进 行详细的稳定性分析。 b）评估详细的土壤勘察费用及基于稳定性分析考虑后期的费用，如在填充期间或之后，修正所 需的失效地基（例如地震导致）

和静态应变而迭代求解

9.3.3土壤状态的不确定性

表层土壤会沿管道路由发生变化。由于土壤数据不是每个填充点的特定数据，管道设计所需的传 统土壤调查无法实现每个支撑的最佳设计。因此，一般通过使用路由上具有相似土壤沉积物的土壤最 低剪切强度检查岩石填充物的基础稳定性。对于所有石块填充物，该方法通常使用保守的剪切强度， 而对于大多数填充物，实际上是非常保守的。 对于特定石块填充的最佳设计，在土壤剪切强度方面的不确定性被降低到最小的情况下，可以采 取一些土壤钻孔和/或原位测试，例如CPT，必须在潜在的土壤破坏面内进行测试。应考岩石填充 失效的巨大后果，或导致管道极端极限状态失效，或有很大经济影响，需要修正稳定性失效。

9.3.4随时间变化士境失效的可能性

土壤最可能在抛石后失效。由于最大的不确定性与土壤条件有关，因此在任何时间土壤均可能失 效。如果在完全抛石时土壤几乎处于破环状态，土壤（黏土）的不排水蠕变失效可能会在抛石后的头 几天内发生。 一周后，新的压力出现土壤的固结会促使剪切力强度增大。在这种情况下会发生失效，同时需要 在土壤上施工额外的载荷。 唯一附加的静态载荷来自管道填充物项部的特殊结构（PLET、PLEM等）。岩石填充通常在管道 或结构安装之前建造，并且对岩石填充物施加额外的负载。这段时间内的固结效果会随着有效应力而 变化，这与固结前的应力相比有所不同，但总的来说，这会改善土壤的强度，从而也使得填充物逐渐 变得更稳定。当将重量较大的结构放置在填充物上时，这仍然是设计填充物的关键条件。 若在抛石期间或抛石后调查时发现失效，需要对失效区域进行重新填充，使用更缓的坡度或使用 附加的反向填充。如果抛石后迅速开展与后期可能存在不排水蠕变失效相关的详细几何形状调查，则 建议在抛石后的一个星期或以上，通过粗斯检测这种失效，

在管道上方覆盖岩右或砾石是一种最常用的保护方式。基于全尺度试验，管道上方岩石材料 女能，可采用公式（55）计算。

E,=0.5y·D.NA,'z+y·22.NA,

对于落物坠落到石料填充层，承载力系数N。=99，N,=137。对于典型的岩石填充，土壤的有效容 重可以取10kN/m3。 注：公式（55）中，管道贯人面积应与岩石填充材料中石块的大小相关。如果管径比石块的直径小，则可使用管 道的整个横截面。然而，如果管径较大，则可以使用等效面积，即管道周长与石块直径的乘积。 对于非管状物体，如容器，岩石的吸收能会更高。公式（56）和公式（57）给定了容器边缘及对 角冲击时的吸收能。 对于容器边缘，采用公式（56）计算。

对于容器对角，采用公式（57）计算。

SY/T7611—2020其中，S为形状系数，取0.6，L为冲击棱边的长度。不同物体的吸收能如图34所示。E, k050100150200250→8in管道0.2←12in管道0.4 15in管道0.6# 30ir导管（未插入"粒径直径=3in）N导管（未插入，0.8+容器 (角部）：容器（侧部，L=2m）1.21.4图34砾石吸收能量天然回填砂的吸收能比岩石低很多。天然回填砂非常松散，管道可能不会陷入砂中。从图8可以获取砂土的承载力系数。通过埋设管道可以有效地防止拖电式商用船锚。所需的深度将取决于通行船舶的锚的大小和区域的土壤条件，即锚陷入的深度。9.5碳酸盐土壤9.5.1定义如果土壤含有的碳酸钙超过50%，其可以归类为碳酸盐土壤。大多数的碳酸盐土壤由海洋生物体残骸沉积构成，比如珊瑚藻、颗石藻、孔虫和棘皮动物，当然土壤中同时会存在着非骨骼成分，像鱼卵石、球团、葡萄石。在温暖的浅水热带水城碳酸盐的沉淀物很丰富，例如非洲、大洋洲、巴西和中东周围的海域。9.5.2特征碳酸盐土壤具有重要的特征使其区别于从陆源硅质海床材料。骨骼碳酸盐的颗粒在粗糙平面和内部颗粒空隙可能非常尖锐，这会使得土壤结构较疏松，可以被压缩。非骨骼碳酸盐颗粒是圆形、实心的，但是它的坚硬度与石英相似，仍然会因为其低坚硬度而被粉碎和压裂。典型颗粒碳酸盐土壤的显著特征有：高孔隙比（和低密度），高初始孔隙比产生的高压缩性，单独颗粒可压碎，由于颗粒的尖角、粗糙度、颗粒联锁产生大的摩擦角。碳酸盐沉积物是在经历一段生物和化学过程后转化而成的。在漫长的地质过程中，旧的沉积物可能在空气中暴露过，因而更容易胶结。胶结后的沉积物，其力学性质发生根本性的改变。胶结作用可能发生在平坦的海底，在其上形成一个盖岩层，或者发生在不规则、间断的晶体之中。未胶结碳酸盐土壤与富硅土壤的工程特性有以下几个区别： 51

9.5.3管道在碳酸盐土壤上的响应

9.5.4管土相互作用模型

假设在排水条件下，基于土壤塑性，提出了多个碳酸盐砂土管土相互作用理论模型。这些模型通 过非线性刚度矩阵或柔性矩阵将管道的位移增量与荷载连接起来。该方法可以直接将管土相互作用模 型与管道的结构分析结合在一起。管道极端侧向土壤阻力的简化计算表达式也是基于管道稳定性评估 的基础上推导出来的。模型的详细信息，见ZhangJ（2001）和ZhangJ（2002）。 多数实际情况下，碳酸盐土壤中的管土相互作用要比排水管土相互作用复杂得多。应同时考虑 高部的管土相互作用和大尺度波土相互作用，如果考虑海底土壤局部排水/不排水，问题将会更加复 杂。因此，需要更复杂的模型描述在实际波浪和土壤条件下海底管道管土相互作用。一个合适的模型 宜能预测以下内容： a）波浪对海床的直接作用和对管道循环荷载作用使土壤产生的超孔隙应力不断累积。 b）管道附近海底土壤强度/刚度的衰减。 c）管道沉降，如管道自埋。 d）自埋引起侧向土壤阻力的增加。 这样的模型尚未公开发表。作为一般性指南，宜确定碳酸盐土壤的区域属性，这样能开发适于区 域的模型。

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附录A (规范性附录） SY/T7060的土壤模型

SY/T7060是基于SotbergT（1992）和VerleyRLP（1992）的研究成果而开发的。然而，对于 砂土和黏土的被动阻力公式相对SotbergT（1992）和VerleyRLP（1992）进行了修正。 由于经验方法中的公式存在一些冲突，因此下面给出了SY/T7060的全部公式。A.4中的符号 仅对公式（A.1）至公式（A.4）有效，

QB／T 5039-2017标准下载砂土及黏土的初始沉降可通过公式（A.1）和公式（A.2）求解。 砂土：

砂土及黏土的被动土阻力可通过公式（A.3）和公式（A.4）求解。 砂土：

t = 0.037k,0.67 D =0.0071 + 0.062

=0.0071 + 0.062

对于x,≤26.7 对于k,>26.7 Fr = 4.1k. 2

T／CECS 377-2018 T标准下载Ge D·Ys Zpi 初始管道沉降； Zp 管道沉降量（总体） W管道水下重 一土壤于重： "土壤水下容重; Ke Ks 等于D F.

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