《Ocean Engineering》：Assessment model of pipeline–soil interaction for shallow embedment pipelines during large amplitude lateral displacements
编辑推荐：
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建立了用于管道-土体相互作用的大位移有限元模型。
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综合分析了管道横向移动过程中的竖向和横向阻力变化。
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提出了一个用于评估管道-土体相互作用横向阻力的框架。
引言
近年来，全球对海上资源开发（如甲烷水合物、天然气和石油）的关注日益
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建立了用于管道-土体相互作用的大位移有限元模型。
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综合分析了管道横向移动过程中的竖向和横向阻力变化。
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提出了一个用于评估管道-土体相互作用横向阻力的框架。
引言
近年来，全球对海上资源开发（如甲烷水合物、天然气和石油）的关注日益增加（Pinder, 2001; Wang et al., 2025）。在开发过程中，这些资源通常通过长距离管道输送到海上生产设施，这些管道是海上资源开发系统的重要组成部分。在深水环境中，海底管道通常直接铺设在海床表面，并在自重作用下穿透沉积物，嵌入深度为0.1D至1D（D为管道直径）（Westgate et al., 2010），这类管道也被称为浅埋管道。一般来说，这些管道在高温高压条件下运行，这常常导致海底管道发生横向屈曲。这种屈曲可能引起管道显著的横向位移，位移幅度可达10D至20D（Kong, 2022; Li et al., 2025），从而导致管道失效。因此，确保海底管道的结构完整性和安全运行对于海上资源的可靠和高效开发至关重要。
为了避免管道在运行过程中发生大的且难以控制的横向屈曲，在设计阶段准确估算管道移动时所 mobilized 的土壤阻力至关重要。因此，许多研究人员对大幅度横向移动下的管道-土壤相互作用进行了广泛研究。在实验研究方面，Cheuk et al.（2007）对部分埋设在软土中的管道进行了大规模平面应变模型测试，发现力-位移响应分为四个阶段：突破、吸力释放、抵抗不断增长的活跃土堤，以及收集原有休眠土堤时的额外阻力。Dingle et al.（2008）使用离心机模型研究了恒重管道在土中的垂直穿透和横向突破响应，并通过先进的图像分析技术观察到土壤变形，他们发现了一个脆性突破响应，随后管道向上移动至土壤表面。Cardoso 和 Silveira（2010）在恒定管道埋深条件下进行了物理模型测试，并提出了一个用于限制轻质和重型管道行为的残余横向阻力模型。Oliveira et al.（2010）展示了恒定管道埋深条件下的离心机模型测试和物理模型测试结果，并开发了一个简单的解析模型来计算归一化水平载荷。White 和 Dingle（2011）对恒定管道重量的土壤进行了系列离心机模型测试，发现大位移时的横向响应主要受管道前方增长土堤的被动阻力控制。Rismanchian 等人（2019）也在恒定管道埋深为0.05D至0.35D的高岭土上进行了离心机模型测试，发现土壤土堤的抗剪强度与管道位移幅度、管道埋深和土壤敏感性有关。然而，进行模型测试特别是离心机测试的成本非常高，且难以准确获得土壤的流动机制。因此，需要一种能够准确估算管道移动时 mobilized 土壤阻力的替代方法。最近几年，大变形数值模拟技术（如任意拉格朗日-欧拉法（ALE）、平滑粒子流体动力学（SPH）、物质点法（MPM）、离散元方法（DEM）、耦合欧拉-拉格朗日法（CEL）、顺序极限分析（SLA）以及小应变重网格化和插值技术（RITSS）在结构-土壤相互作用的大变形行为研究中被广泛采用。在管道-土体相互作用领域，Hesar（2004）和 Konuk 与 Yu（2007）使用 ALE 方法模拟了管道-土壤相互作用，发现埋深对横向阻力有明显影响，但未考虑应变率和应变软化的影响。Chatterjee 等人（2012）使用 RITSS 方法研究了管道-土壤相互作用，采用有效埋深来评估管道前方土堤的影响，并提出了一个简单的残余横向阻力预测关系式。Dutta 等人（2015）使用 CEL 方法研究了轻质和重型管道与土壤的相互作用，并验证了该方法的有效性。Kong 等人（2020）使用 SLA 方法研究了非排水粘土中的管道-土壤垂直和横向相互作用，发现垂直和横向阻力在初始突破阶段后随横向位移的增加而线性增加，并建立了 V-H 屈服包络。最近，Li 等人（2025）使用 RITSS 研究了管道重量、初始埋深、应变软化以及速率效应对大横向移动下管道-土壤相互作用的影响，强调了独特的临界管道重量因素，并提出了一个简单的预测模型。Li 等人（2024）使用了 DEM 方法研究了深埋在密砂中的管道的抬升行为。Peng 等人（2024）和 Peng 与 Yin（2025）使用 DEM-FEM 法研究了管道在砂中的微观力学机制和管道-土壤的横向及向上相互作用，并识别了管道-土壤相互作用的失效模式。同时，在管道-土壤相互作用过程中，作用在管道上的横向阻力受到土壤性质、管道行为和管道-土壤界面的影响，总共八个因素在表 1 中进行了总结。然而，以往的研究并未充分考虑所有因素的影响，例如 Chatterjee 等人（2012）和 Kong 等人（2020）未考虑土壤的强度和密度，Li 等人（2025）未考虑管道速度。因此，全面评估这些因素对管道移动时横向阻力的影响是非常必要的。
在本研究中，建立了一个考虑应变率和应变软化效应的 LDFE 数值模型，并验证了该模型的有效性。进行了管道-土体相互作用的参数研究，综合分析了管道横向移动过程中的竖向和横向阻力变化，还讨论了土壤失效机理。此外，根据数值结果，建立了一个用于评估横向阻力的模型。
小节片段
LDFE 模型
CEL 是一种在三维 Abaqus/Explicit（Dassault Systèmes, 2022）中实现的大位移分析方法，它结合了欧拉法和拉格朗日法的优点，已被广泛应用于许多岩土工程的大位移问题。在 CEL 方法中，需要设置两种材料（即欧拉材料和拉格朗日材料），并通过适当的接触算法使它们相互作用。通常，欧拉材料代表较软的材料。
结果与讨论
进行了参数研究，以探索管道横向移动过程中土壤的失效机理和横向阻力-位移响应。为了直接了解土壤的失效过程，提取了作为元素中所有材料体积分数加权的平均值的最大塑性应变（PEVAVG）。此外，还研究了管道速度、管道直径、初始埋深、土壤强度、土壤密度、应变软化以及速率效应对...
横向阻力评估框架
对埋设在粘土中的管道的横向阻力进行有效评估对于海上管道系统的安全和经济设计至关重要。准确预测阻力尤为重要，因为它决定了管道的稳定性、变形行为以及横向位移过程中的土壤失效可能性。根据本研究的数值模拟结果，许多因素对管道的横向阻力有显著影响。
结论
本研究重点关注浅埋管道在横向移动过程中的管道-土体相互作用，使用 LDFE 方法进行了一系列数值测试。研究了应变率和应变软化、管道参数（如速度、直径、初始埋深）、土壤参数（如强度、密度、软化参数、硬化参数）以及管道-土体界面强度对横向阻力和土壤失效机理的影响。
CRediT 作者贡献声明
刘继锋：写作 - 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、软件开发、方法论、研究、正式分析。李敖：原始草稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理。曹海英：写作 - 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。刘亮：写作 - 审稿与编辑、监督、软件开发、资源协调。叶全喜：写作 - 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论。王磊：
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的、可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本文的工作得到了中国中央引导地方科学和技术发展基金项目（项目编号：236Z5401G的财政支持，对此表示衷心的感谢。
Jiefeng Liu|Ao Li|Haiying Cao|Liang Liu|Quanxi Ye|Lei Wang
