【学术成果】薛章纳副教授团队在功能梯度管道-地基系统热-水-力耦合领域取得重要进展

  随着深海油气资源开发的不断深入，高温高压输送管道的设计与安全性评价成为制约行业发展的关键挑战。高温管道在运行过程中会向周围海床地基传递热量，引发复杂的温度-渗流-应力（热-水-力）多场耦合效应，导致地基土体发生热固结，进而引发管道的上浮或沉降，严重威胁管道的结构完整性。传统的管道设计通常将材料视为均匀介质，忽略了管道材料性能的梯度变化以及管道与土体界面间的热阻效应，难以实现系统性能的精准预测与优化。为此，我校ok138cn太阳集团古天乐研究团队提出了一种考虑界面热阻的功能梯度管道-周围土体系统模型，系统揭示了多物理场耦合响应机制。

  ok138cn太阳集团古天乐薛章纳副教授研究团队创新性地将管道设计为功能梯度材料，并将周围土体视为饱和孔隙热弹性介质，同时首次在模型中引入了管道与土体界面处的热接触阻效应。通过建立包含梯度指数函数、碳纤维含量、功能梯度参数及界面热阻的多层结构理论模型，并联合拉普拉斯变换及其数值逆变换方法，成功求解了该系统的广义热-水-力耦合瞬态响应。

  研究结果表明：（1）材料梯度设计的优化：对比不同的功能梯度分布函数发现，采用指数律（E-law）设计的管道，其周围土体的温度、位移、径向应力和孔隙水压力响应值最小，而采用幂律时响应值最大。这意味着，通过合理设计管道材料的梯度分布，可以有效降低热量向地基的传递。（2）碳纤维含量的影响：随着管道内壁碳纤维含量的增加，管道的导热效率提高，导致流入周围土体的热量增加，进而使土体的温度、变形及孔隙水压力均显著上升。（3）界面热阻的积极作用：研究首次量化了界面热接触阻力的影响。结果表明，界面热阻的存在会导致管道-土体界面产生温度跳跃，从而减少传入土体的热量。热阻越大，土体的温度、位移、应力和孔隙水压力降低越明显，这对于抑制地基的热固结变形具有积极意义。

  该研究为海洋管道-海床地基系统的相互作用分析提供了全新的理论模型，揭示了“材料设计-界面特性-多场响应”之间的内在关联。研究结论明确指出，采用合理的材料梯度（如E-law）并利用界面热阻效应，可以有效控制高温管道对地基的热扰动，从而降低土体变形和孔隙水压力，为高温高压海底管道的抗浮设计、结构优化及灾害防控提供了重要的理论依据和设计指导。

功能梯度管道-周围土体系统在热冲击作用下的热-水-力多场耦合模型

  相关成果以“Generalized thermo-hydro-mechanical responses of functional gradient pipeline-surrounding soil system considering interfacial conditions”为题，发表于岩土领域国际权威期刊《International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics》。ok138cn太阳集团古天乐薛章纳副教授为论文第一作者及通讯作者，ok138cn太阳集团为第一署名单位。该研究得到山东省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、浙江省科技计划项目等资助。