Конечно-элементное моделирование латерального взаимодействия трубопровода с грунтом в плотном песке

В статье представлены конечно-элементные (КЭ) расчёты взаимодействия трубопровода с грунтом для трубопроводов, заглублённых в плотный песок и подвергающихся латеральным перемещениям грунта. Расчёт выполняется в условиях плоской деформации с использованием метода произвольного лагранжево-эйлерова описания (Arbitrary Lagrangian–Eulerian, ALE), реализованного в конечно-элементном программном обеспечении Abaqus/Explicit, с применением моделей Мора—Кулона (MC) и модифицированной модели Мора—Кулона (MMC). Модель MMC учитывает ряд важных особенностей и свойств деформационного и объёмного поведения плотного песка, включая нелинейное допиковое и запиковое поведение с плавным переходом, а также изменение угла внутреннего трения и угла дилатансии в зависимости от пластического сдвигового деформирования, условий нагружения (трёхосное сжатие или плоская деформация), плотности и среднего эффективного напряжения. Сопоставление конечно-элементных и экспериментальных результатов показывает, что модель MMC позволяет лучше моделировать зависимость силы от перемещения в широком диапазоне латеральных перемещений трубы при различных глубинах заложения, хотя пиковая сила на трубе может быть воспроизведена с использованием модели MC. Анализ прогрессирующего развития зон больших неупругих сдвиговых деформаций (сдвиговых полос) показывает, что мобилизуемые угол внутреннего трения и угол дилатансии изменяются вдоль длины сдвиговой полосы, тогда как в модели MC используются постоянные значения. Также проведено всестороннее параметрическое исследование влияния диаметра трубопровода, глубины заложения и свойств грунта. Выполненные конечно-элементные расчёты позволяют объяснить многие важные особенности кривых зависимости силы от перемещения и механизмов разрушения.