波浪诱发松散海床渐进式液化的数值分析

近海区域广泛分布着第四纪新沉积的松散海洋土,波浪荷载作用下松散海床会发生液化进而对近海结构物的稳定性存在巨大威胁。本文采用中国科学院流体-结构-海床相互作用数值计算模型FSSI-CAS 2D,选用Pastor-Zienkiewicz-Mark Ⅲ（PZⅢ）弹塑性本构研究了波浪诱发的松散海床液化问题。分析了波浪荷载引起的松散海床内超孔隙水压力、有效应力以及应力角的时程变化特性,并预测了松散海床的渐进液化过程。计算结果表明,波浪荷载作用下松散海床内残余孔压会累积增长,海床表面最先发生液化,然后逐渐向下发展至液化最大深度。同时指出海床内超孔隙水压力的竖向分布特征和应力角的变化时程均可以作为判断海床液化的间接参数。最后,通过应力状态分析,讨论了海床渐进式液化的发展过程和趋势。     

波流共同作用下海底人工边坡动态响应分析

为了研究波流共同荷载作用下开挖基槽附近海床动态响应和液化破坏情况，提出一个二维耦合计算模型，采用雷诺时均纳维-斯托克斯（RANS）方程描述波浪运动情况，通过设定侧边界条件实现稳定流场。海床部分通过求解Biot固结方程，得到波流荷载下海床中的应力和位移情况。将模型计算结果与水槽试验数据和解析解进行比较，验证了波流模型和海床模型的有效性。在此模型基础上，分析得到了开挖之后海床新的应力和固结状态。同时，通过参数分析得到了波流耦合情况下波浪形态的变化，以及海流对海床液化情况和孔压情况的影响。最后，通过线性回归计算得到最大液化深度与流速的拟合关系曲线。计算结果可用于判断基槽开挖后不规则海床的液化情况，对相关研究和实际工程具有一定参考意义。     

椭圆余弦波作用下海床响应特征的有限体积法数值分析

椭圆余弦波是一种常见的浅水非线性波,对近岸区海床的稳定性有重要影响。本文根据有限体积法原理,基于开源流体力学计算平台OpenFOAM,利用C++语言编制了波致无粘性土海床响应的数值计算程序,联合波浪数值模拟软件,对椭圆余弦波作用下海床的瞬态响应、累积响应及其渐进液化特征进行了分析。与线性波作用下海床响应计算结果的对比分析表明,椭圆余弦波会明显增大海床瞬态孔隙水压力和应力幅值,进而显著促进海床内孔隙水压力的累积和液化深度的发展。在近岸浅水区海床的响应分析尤其是海床累积响应的分析中,波浪的非线性效应不容忽视。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

波致砂土海床剪切与液化破坏特征对比研究

波浪作用下海床的稳定性直接影响着海洋构筑物的安全。目前在波土相互作用的研究中,虽然较多地涉及到对海床液化或剪切破坏的分析,但缺乏不同海床计算厚度和饱和度等条件下二者破坏特征的对比研究。本文基于波浪作用下海床应力的解析解,对砂土海床的剪切破坏和瞬态液化破坏特征进行了详细研究和对比。结果分析表明,对于波浪作用下不同饱和度的砂土海床,其剪切破坏深度随海床计算厚度的增加表现为3种变化模式,而其液化深度随海床计算厚度的增加则只表现为1种变化模式。相比非饱和砂土海床,饱和砂土海床计算厚度较小时才可能发生液化,且其液化深度最小,但相同条件下对应的剪切破坏深度却最大。波浪作用下砂土海床存在一个最不稳定厚度,其数值约为(0.2~0.3)倍波长,此时海床最易发生破坏,且破坏深度较大。波浪作用下砂土海床的剪切破坏在波峰和波谷处均可能发生,而瞬态液化只发生在波谷位置,且其液化深度位于剪切破坏深度范围内。     

随机波作用下埋管海床动态响应及液化研究

基于广义Biot动力理论和Longuet-Higgins线性叠加模型,构建波浪-海床-管线动态响应的有限元计算模型,求解随机波作用下,多层砂质海床中管线周围土体孔隙水压力和竖向有效应力的分布。采用基于超静孔隙水压力的液化判断准则,得出液化区的最大深度及横向范围,从而判断海床土体液化情况。考虑海洋波浪的随机性,将海床视为多孔介质,海床动态响应计算模型采用u-p模式,孔隙水压力和位移视为场变量。并考虑孔隙水的可压缩性、海床弹性变形、土体速度、土体加速度以及流体速度的影响,忽略孔隙流体惯性作用。参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及有效波高等参数对海床土体孔隙水压力、竖向有效应力和液化区域分布有显著影响。     

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。     

波浪作用下海床的有效应力分析

波浪作用下海床的稳定性分析是海洋工程地质评价的重要内容。海床的稳定性可通过计算分析其随时间变化的有效应力场来评估。本文建议了一个周期荷载作用下土体的本构模型 ,并用于计算波浪作用下海床的应力与变形。采用Biot固结理论和有限单元法 ,分析了海床的动态应力场与孔隙水压力场。波浪作用下两种渗透系数时有效应力的动态变化过程结果对比 ,反映了渗透消散作用对海床有效应力变化的影响     

液化粉质土波动压力试验研究（英文）

海床土对波浪响应以及波致海床液化失稳的问题,已经有很多研究成果,而波浪作用海床液化土波动压力的研究还未见报道。采用波浪水槽实验,在未液化和液化两种情况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位采集土体土压力,进行分析。实验结果表明,液化前后总土压力变化不明显,液化后的土动压力比液化前增大几倍到十几倍,且沿着深度的衰减速度更快。根据试验获得结果,进一步分析,提出了在水槽试验条件下的土动压力与波浪要素之间的经验公式。同时指出,在工程设计中应注意因底床液化引起的土动压力的增加的现象。     

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。     

波流耦合作用下双层砂质海床累积液化特征数值分析

波流共同作用下双层砂质海床的稳定性,目前集中于对其瞬态液化特征的研究,由于海床瞬态液化深度一般较小,难以全面反映双层砂质海床的液化特征,故有必要对其累积液化特征进行分析。基于海床累积孔隙水压力发展控制方程,利用Comsol Multiphysics有限元分析平台,对波流耦合作用下双层砂质海床的累积液化特征进行了分析。结果表明,顺流会增大海床的液化深度,考虑到海床的累积液化效应,实际海况中的较大流速不容忽视;上下层海床的渗透系数及其相对厚度对双层海床的累积液化特征有重要影响。     

随机波作用下海床动态响应分析

真实的海洋波浪是随机的,而前人对海床的动态响应分析大都是选用线性波或者Stokes波理论,对海床的模拟大都采用Biot拟静力模型,忽略了流体速度及土体位移加速度的影响。联合使用Longuet-Higgins随机波模型(采用Jonswap谱)以及动力u-p形式的海床响应计算模型,使用COMSOL Multiphysics多场耦合软件的PDE模块输入方程进行有限元计算,得到随机波作用下整体海床动态响应结果。将随机波结果与一阶Stokes波和椭圆余弦波结果进行对比,并对渗透系数和饱和度进行参数分析,研究表明渗透系数和饱和度对于随机波作用下海床动态响应影响显著。     

波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的应用

粉土在波浪等动荷载作用下极易发生液化破坏,而孔隙水压力在粉土动力学行为中扮演了一个很重要的角色,其发展变化会直接影响到土体的稳定性。因此,通过室内波浪作用下的粉土孔压响应模型试验探讨了孔压与波浪之间的响应情况,发现波浪能量的影响沿土层深度递减,水深条件相同时,响应的孔压随波高的增大而增加,当波浪作用足够长时间后粉土发生液化破坏,此时粉土内累积的孔压小于上覆土体的自重应力。根据结果提出了1种评价粉土海床稳定性的方法。     

浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

波浪周期性作用对海床基回收的影响研究

针对海床基回收过程中波浪对回收绳索的冲击响应问题,通过对回收船—回收绳体系的运动响应进行数值模拟仿真,模拟回收绳索的松弛—张紧动态响应过程,分析波浪周期性作用对回收绳索冲击张力的影响。研究结果表明,冲击张力与波高成线性关系且不同周期条件下冲击张力随波高增加量差异较大,冲击张力对波浪周期的响应极为敏感,长周期波浪冲击响应较小,而短周期波浪冲击响应较大,易超出回收绳索的极限负荷,特别是当波长达到船长两倍左右时冲击张力达到最大;随着水深增加,冲击张力呈指数衰减,因此在浅水区波浪周期性作用对海床基的回收影响更大。     

海底孔压对波浪响应试验研究及数值模拟

孔隙水压力在海底土尤其在砂性海床中扮演着一个非常重要的角色.波浪的周期性加载作用,在砂土及粉土中产生超静孔隙水压力,其幅值大小是海床发生液化破坏的控制因素.在海上工程的历次调查中发现孔压引起许多液化破坏现象,如粉土海床的塌陷、凹坑、坡度较大处的粉砂流及构筑物基础周围的过量冲刷造成石油管架下沉等等,因此研究海床中孔压对波浪的响应具有重要的理论意义和实践意义.     

波浪作用下单桩基础周围海床液化机制研究

建立波浪作用下单桩周围三维海床动力响应模型,考虑自重影响下的海床长时间固结过程。采用已有物理模型试验数据对模型进行验证,证实其具有较好的适用性。模拟波浪作用下单桩周围三维海床液化区域,通过定量分析超孔隙水压力和土体初始有效应力的变化,讨论单桩插入深度对海床液化的影响机制。研究表明,单桩插入深度发生变化时,土体初始有效应力对海床液化的影响要大于超孔隙水压力,且影响程度随着插入深度的增加而逐渐增大。     

粉质土底床桩基压力对波浪响应相位差试验研究

近年来,在各种近海建筑物的建设中,桩基础被越来越广泛地应用。关于海床内桩基各层位对波浪动力响应相位差的研究,国内外学者研究的重点主要集中在海床内各层位孔隙水压力的相位变化。而关于波浪作用下海床各层位土体总压力相位的研究则很少。本研究采用波浪水槽实验,在土床未扰动和土床扰动液化两种工况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位土体总压力的相位进行对比研究。实验结果表明,当土体未运动时,在渗透性和饱和度均匀的土体中,各层位土体之间不存在相位差。当底床液化后,土体出现显著分层现象,在液化土层和不动土层间存在显著的相位差。此时,总压力振幅呈现先增大后减小的现象,且在床面下-10cm处出现最大值。     

波浪在可渗海床上传播时的衰减

在以往的波浪理论研究中,通常假定海床是不可渗的。但在浅水区,海床的可渗性对波浪的传播有一定影响,它能引起波高的衰减,同时波浪也能够引起海床的变形、滑动、甚至液化。当海床的弹性小,渗透性大时,波浪与可渗海床的这种相互作用更为明显。本文通过对波浪场控制方程－拉普拉斯方程和弹性海床的控制方程－比奥方程联合解析求解,给出了海床土体响应、孔隙水压变化规律,以及波高在传播过程中的衰减。