波浪作用下黄河口粉土液化与振荡层形成试验研究

通过室内水槽试验,观察波浪作用下土体产生的现象,分析了土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体粒度组成变化特征,研究了波浪荷载作用下黄河口粉土液化和"振荡层"的形成过程。试验及讨论结果表明:在波浪作用下,上层粉土体大部分时间处于液化状态;由液化土形成的振荡土层与下部土层之间形成"W"形的滑动面,振荡土层的厚度随着波浪作用时间的增加而变小;在波浪的振动和孔隙流体的共同作用下,土颗粒重新排列,细粒物质向上迁移,土体底部土颗粒粒径较为粗大,振荡层范围内土颗粒粒径组成相似,粒径分布范围较小;其内部孔压比随深度和波浪作用次数的增加而较少,土体内部积累的超孔压逐渐消散,海床土体逐渐趋于稳定。     

波浪作用下黄河口粉土海床粗化室内模型试验研究

利用室内水槽模型实验,对黄河口粉质海床土在波浪荷载下的粗化现象进行了研究,试验中观测了土体表层沉积物的变化,测量了土体内孔隙水压力及土的粒径变化,结合高密度电阻率法探测结果分析探讨了波浪作用下土体粗化机理.研究表明,波浪作用会使粉质海床土发生明显的粗化现象;土体液化是波浪导致粉土粗化的首要条件;土体内超孔隙水压力累积及消散是细颗粒物质迁移的主要动力.该结果对于研究黄河口粉土海床地貌的形成有一定参考意义.     

随机波作用下海底管道振动对土体液化的影响

海底管道-土体-水体相互作用对土体和管道的稳定性具有重要影响，但波浪作用下海底管道对其周围土体性质的影响仍有待深入研究。通过一系列室内波浪水槽试验，研究了波浪荷载和管道振动作用下海床土体内部的超孔隙水压力响应。实验结果表明，管道的铺设会增大海底土体超孔隙水压力累积程度，当管道发生振动时，海床土体超孔隙水压力累积程度进一步增大，从而增加了土体液化势。此外，波高增加也会导致海床土体的超孔隙水压力累积程度增大。本文研究成果对管道-土体相互作用研究和海底管道维护具有指导意义。     

波浪作用下海床孔压累积过程离散元数值模拟

海床土层在波浪的循环荷载作用下会逐渐累积孔压,降低土层的稳定性,并威胁海上工程。为了研究孔隙水压力的累积机制,本文提出离散元孔隙密度流方法,并改进研发离散元分析软件MatDEM,实现了海床沉积物孔压的累积过程模拟。基于现场试验装置及土体力学参数建立离散元模型,通过对比试验和数值模拟结果发现:对海床沉积物施加波浪荷载后,表层土体中产生较高孔压,并逐渐向深层传递;在循环波浪荷载作用下,土颗粒间孔压累积范围逐渐增加;当孔压累积时间足够长时,土层中孔压收敛于所施加最大荷载与最小荷载的平均值,此时若孔压达到初始有效应力,土体将发生液化,内部土颗粒成为再悬浮沉积物;在周期性波浪荷载作用下,土颗粒液化悬浮后发生移动,浅层颗粒位移量大,土体整体表现为圆弧形移动。     

黄河水下三角洲沉积物在循环荷载作用下土体中孔压变化实验研究

利用室内周期循环加载试验 ,对黄河水下三角洲土体中孔隙水压力的变化加以测定 ,通过对波浪水槽试验和动三轴试验 2种方案所获数据分析认为黄河水下三角洲土体 (粉土、粘质粉土、粉质粘土 )存在一破坏的循环极限荷载。在小于此极限循环荷载作用情况下 ,土体中孔隙水压力总体呈现下降趋势 ,没有积累升高的过程 ,不同于砂土在循环荷载作用下孔隙水压力升高导致液化的情况。这一现象对判别黄河水下三角洲土体破坏机制的研究有重要意义。     

有限元法在桩靴承载力计算中的应用

自升式钻井平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续的塑性破坏的动态过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。本研究应用有限元法（FEM ）对插桩过程进行了模拟,得到地基土的破坏机制以及中间荷载下土体的应力、应变情况,通过和各理论公式计算的极限承载力进行对比分析,分析影响地基极限承载力的因素。研究表明,基础宽度与硬土层厚度的比值 B/H越大,下卧软土层越容易发生塑性破坏,极限承载力明显下降,当B/H＜0．286时,可以忽略下卧软土层对地基承载力的影响。     

波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程

以黄河口海底粉土为研究对象,利用自行研发的监测设备现场监测了波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应过程,获取了2个大风过程中孔隙水压力的有效数据。波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应由表层土最先开始,向下层土延伸,且响应程度随着土层深度的增加而减弱。孔隙水压力响应特征受潮位与波高影响明显,潮位影响孔隙水压力响应的整体趋势而波高影响孔隙水压力响应的幅值,且海底粉土孔隙水压力对波高的响应具有滞后性,滞后时间约为2 h。大风过程中海底面以下1.5 m以深孔隙水压力未发现明显变化,说明其超过了波浪最大作用深度;海底面以下0.5 m位置处孔隙水压力在一段时间内产生剧烈振荡,无明显的累积现象,说明其处于波浪作用范围内,但波浪作用导致的孔隙水压力小于土体孔隙水压力的消散速率。     

波浪作用下黄河口海底粉土孔压响应特征及过程

以黄河口海底粉土为研究对象,利用自行研发的监测设备现场监测了波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应过程,获取了2个大风过程中孔隙水压力的有效数据。波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应由表层土最先开始,向下层土延伸,且响应程度随着土层深度的增加而减弱。孔隙水压力响应特征受潮位与波高影响明显,潮位影响孔隙水压力响应的整体趋势而波高影响孔隙水压力响应的幅值,且海底粉土孔隙水压力对波高的响应具有滞后性,滞后时间约为2 h。大风过程中海底面以下1.5 m以深孔隙水压力未发现明显变化,说明其超过了波浪最大作用深度;海底面以下0.5 m位置处孔隙水压力在一段时间内产生剧烈振荡,无明显的累积现象,说明其处于波浪作用范围内,但波浪作用导致的孔隙水压力小于土体孔隙水压力的消散速率。     

坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征影响研究

波浪作用下海底斜坡滑动稳定性分析中,一般未考虑海底坡度引起的波浪浅水效应,即不考虑波浪在斜坡面上的变形导致的波压力变化,降低了其计算结果的可靠性。本文基于沿斜坡面传播的线性波浪理论,考虑波浪的浅水效应,利用波浪与重力作用下海底斜坡的有效应力场,计算海底斜坡滑动稳定性安全系数。在验证海底斜坡滑动稳定性计算结果可靠性的基础上,分析了坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征的影响。结果表明,由于波浪沿斜坡面传播的浅水效应,相对于水平海床,波浪作用下斜坡最大瞬态应力和孔隙水压力随着坡度的增加基本呈线性增加趋势,最大水平位移呈非线性增加趋势;相比于坡底水平段海床的滑动区,斜坡面上滑动区的深度和水平方向滑动范围均有所增加,且坡度越大,这种效应越显著;相比于饱和海床,非饱和条件下,坡度对斜坡体滑动特征的影响程度有所降低。     

风暴浪导致的黄河口水下土体破坏试验研究

本文试验利用取自黄河水下三角洲的样品 ,重塑后铺设水槽底床进行水槽试验 ,并利用原状土进行动三轴试验 ,2种试验均测定土体内的孔隙水压力。根据各种情况下孔隙水压力的变化记录 ,表明土体破坏同时其孔隙水压力产生骤变。将本文试验结果与在黄河水下三角洲不稳定区的原位沉积动力学试验孔隙水压力测试结果对照 ,说明黄河三角洲水下斜坡某些土体的破坏 ,未出现波浪循环荷载作用下孔隙水压力积累升高所导致的土体液化破坏 ,而是风暴浪对海底的强切应力作用致使土体产生剪切破坏     

波浪荷载作用下单桩基础桩周土体的应力位移分析

通过ABAQUS建立海上风电单桩基础的数值模型,并与室内模型桩试验的结果作对比,验证模型的可靠性。根据实际桩土参数建立数值模型,并对桩土模型施加循环波浪荷载,分析波浪荷载作用下桩周土体的水平应力和水平位移随时间的变化特性,以及土体水平位移在空间分布上的差异。结果表明在波浪荷载作用下桩周土体的水平应力和水平位移在一定范围内循环波动,且极端海况下土体所受的扰动远大于正常海况下土体所受扰动。海床表面桩周土体在距桩体10 m范围内受桩体影响显著,竖直方向上桩身以泥面以下大约2/3桩身入土深度处的一点为基点做循环摆动,且这一旋转基点的位置与波浪力的大小无关。     

水平循环荷载下海上风电楔形单桩土体变形研究

海上风电工程主要受到风、波浪及洋流等产生的水平循环荷载作用,本文研究楔形单桩基础在水平循环荷载作用下的变形规律,并探讨不同循环荷载对变形规律产生的影响,以确保风电设施正常运行。通过数值模拟建立海上风电单桩-海床模型,考虑土体超孔隙水压力的演变规律及土体致密规律,土体采用UBC3D-PLM本构模型。本文重点讨论并分析在不同水平循环荷载作用下楔形单桩基础与等截面单桩基础的桩周土体位移、塑性应变及桩基累计转角位移之间的差异。研究结果表明：楔形结构会降低桩周土体位移及塑性应变,使得楔形单桩基础旋转中心位置更低,产生倾覆的可能更小,当循环荷载比为0.7时,累计转角位移能减少41.86%;循环荷载越大,楔形单桩基础水平受荷特性越好,累计位移减少量的增长率越高。研究成果可为今后海上风电基础的选择与设计提供参考。     

波浪作用下沉积物中总石油烃的迁移释放规律

海底石油管线泄漏可能导致海床内部形成高浓度石油污染。在波浪作用下,海床沉积物易发生再悬浮甚至液化失稳现象,进而导致海床内部石油类污染物通过多种途径向水体再次释放并在土体内部发生迁移,造成更大范围的石油扩散。本研究以总石油烃（Total Petroleum Hydrocarbon,TPH）设为代表性污染物,将污染泥浆以椭球状埋设在沉积物内部,采用波浪水槽试验研究不同强度波浪作用下TPH向上覆水体的释放规律及在沉积物内部的迁移规律。结果表明,在沉积物静置固结阶段前期,TPH随孔隙水由沉积物向上覆水体迁移释放,固结阶段前期TPH向上覆水体的释放量高于后期。在波浪作用未引起沉积物液化阶段,波浪促进石油类污染物向水体释放的作用较弱,由于悬浮泥沙对石油类污染物的吸附作用,水体中石油类污染物的浓度略低于静置固结阶段。在波浪作用引起沉积物液化阶段,随着悬浮泥沙浓度升高,TPH向上覆水体释放量加大;TPH在沉积物内部垂向迁移及平面扩散迁移距离加大,平面迁移距离大于垂向迁移距离,垂向扩散深度与液化深度基本一致,污染土体体积占比约为土体未液化时的3倍。     

波致粉质土海床剪切破坏及其强度演化的试验研究

本文以黄河三角洲粉质土为研究对象,开展了波致海床剪切破坏过程中孔压响应与土体强度变化的室内水槽试验研究,试验过程中,先后在模拟海床床上施加5、10、15cm波高的模拟波浪荷载,同步测量海床内不同深度处的孔压变化,并对海床进行贯入阻力测试和不排水抗剪强度测试。研究发现:海床中孔压响应过程的规律为孔压快速累积-孔压缓慢消散,在该过程中海床内最容易形成大幅度的孔压累积、孔压响应最强烈的位置,也是海床内土体强度的逐渐丧失以及土体剪切破坏是处开始发育的深度;波浪作用下粉质海床剪切破坏后会在海床内部一定深度处出现明显的弧形破坏界面,破坏土体沿界面随波浪作振荡运动,且破坏范围经历先扩展后回缩的过程,剪切破坏界面以下会有强度硬层的发育,强度硬层的形成与演化直接受剪切破坏过程控制,最终整个海床出现明显的强度非均质化;在孔压响应过程中孔压比即超孔压与上覆有效应力比值存在临界值K(本文水槽试验所得K=0.5),当超过K值时,土体贯入阻力和不排水抗剪强度降低,发生剪切破坏,这是波浪作用提供的剪切力以及超孔压累积导致海床内部抗剪强度降低共同作用的结果。     

波浪作用下埕岛海域海底土液化分区

根据埕岛海域表层沉积物特征,结合该区的波浪实测资料推算的波浪要素,利用动三轴实验得到研究区土体在循环荷载作用下孔隙水压力的增长与振动次数的关系,计算研究区内海底土层的液化可能性和液化所需的时间,并根据土体在不同水深情况下达到液化所需的时间对研究海域进行了液化分区。结果显示,7-8 m等深线之间的海底土体由于受到波浪破碎作用的影响,最易发生液化,液化影响深度也最深,自该海域向近岸和远海,液化可能性降低;土层埋深为2.5 m以浅时,研究区大部分区域液化可能性为高,而到埋深为4 m时土层液化可能性明显降低。     

波致海底缓倾角无限坡滑动稳定性计算分析探讨

波浪作用下海底无限坡滑动稳定性计算的极限平衡法中,忽略了坡体水平向应力状态的影响,为此,针对波浪作用下海底缓倾角无限边坡的特点,提出直接基于滑动面处土体应力状态的滑动稳定性计算方法(简称应力状态法),并分析了其适用范围。对具体算例的分析表明,应力状态法计算得出的安全系数大于极限平衡法的安全系数,且随着滑动面深度的增加、土体泊松比以及边坡坡角的增大,两种计算方法得出的安全系数的差异会逐渐增大;对于波浪作用下的海底缓倾角无限边坡,在失稳时极可能沿具有一定厚度的滑动带而不是单一的滑动面而滑动,且波致最大剪应力所在的深度,常常不是斜坡体最易失稳滑移的深度。     

循环荷载下饱和粉土中伞式吸力锚水平承载性能研究

利用ABAQUS有限元软件构建模型,对伞式吸力锚施加水平循环荷载,研究伞式吸力锚的承载性能。在固定荷载大小的情况下,研究锚体位移以及不同位置土体的应力应变。分析可得,在水平循环荷载的作用下,土体的最大塑性应变出现在筒裙位置,筒裙和锚支的结合发挥了主要的承载作用。改变荷载工况,研究不同荷载大小对伞式吸力锚的影响。研究发现,随着循环波浪荷载作用强度的增大,筒裙的稳定作用愈加明显,且这种作用在循环波浪荷载的后期阶段相对更加突出。     

钱塘江古海塘水动力作用试验研究

通过古海塘原型资料调查得出古海塘现状以及存在的问题,结合历年水文资料的调研和现场水体运动形式的观测,获得荷载形式,通过波浪槽在模型比尺试验的基础上对钱塘江古海塘水动力作用进行室内模拟。试验结果验证了利用规则波模拟水动力荷载的可行性,并得出波浪对塘体的作用力受波高和波浪破碎情况的影响,波高相同时破碎点越接近海塘,破碎作用力越大;波高越大,波浪-塘体-土体相互作用越强,塘下土体中产生较大的瞬时孔隙水压力并产生孔压的累积;塘体前趾和后趾出现应力集中现象,周期1.5 s波高0.2 m时前趾压力增大后趾压力减小。     

循环振动导致黄河口潮坪土成分结构变异研究

在黄河三角洲潮坪采集循环振动荷载施加前后长1 m的原状样各一个,在实验室对原状样以10 cm为间隔取样,进行粒度成分分析和微结构观测,研究循环振动荷载导致的海床土成分与结构的变化。发现总体上振动导致土体颗粒长轴呈现竖向排列趋势,深0~40 cm的表层土细粒含量增高,级配变好;深40~70 cm土体细粒含量降低,级配变差;70 cm以下土体受振动影响不明显。现场海床土孔隙水压力监测结果表明,这种海床土的成分结构变异与循环荷载导致土体重复液化及渗流场作用有关。     

波浪作用下海底粉土孔隙水压力响应过程监测研究

波浪引起的海底土体内部孔压累积是导致液化发生的主要原因,研究波浪作用下土体内部孔压响应过程对于明确液化机理、预测液化发生具有重要作用。在黄河口使用自行研发的孔压监测设备对海底粉土孔隙水压力进行了有效监测。监测结果显示,海底粉土的孔压变化主要受波浪影响且存在一定的影响范围,超出该范围则波浪对海底粉土的孔压无影响。同时,基于监测过程内的孔压变化对海底粉土进行了液化评判,并对波浪作用效果和液化影响因素进行了探讨。波浪对海底粉土内部孔压影响效果主要有3种:(1)有孔压振荡但不发生累积;(2)有孔压振荡且发生累积;(3)无孔压振荡且不发生累积。