波流作用下黄河三角洲多层粉质土孔压累积及液化分析

在波浪和海流作用下,多层粉质土海床可能会发生液化破坏,进而影响工程构筑物的安全。以黄河三角洲为背景,选取垦东地区三种典型粉质土海床,基于Terzaghi固结方程和Biot渗流理论,验证了波流作用下多层土海床累积孔压响应模型,探讨了三种不同典型海床累积孔压与液化特征的差异,以及波流参数对海床动力响应的影响。结果表明,上覆硬壳层的海床累积孔压竖向分布出现了两个峰值,并且液化深度可达7.8 m,流速、波高和水深对累积孔压影响显著,而周期影响相对较小。此外,当波浪传播方向顺流时,随着流速的增大,上层土体累积孔压逐渐增大,降低了海床的稳定性。     

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。     

波浪作用下海床瞬态剪切破坏深度的计算分析

鉴于弹性本构模型的简便性,目前波浪作用下海床瞬态剪切破坏深度的计算一般都是基于海床的多孔弹性介质模型,这种方法不能考虑塑性单元不平衡应力的重分配,而如果将海床视为多孔理想弹塑性介质进行波浪作用下的瞬态响应分析,则可以克服上述缺陷。为此,以波浪作用下砂质、粉砂质海床瞬态响应模型为例,基于Mohr-Coulomb屈服准则,对不同海床计算参数条件下上述2种计算方法的结果进行了对比分析。结果表明,将海床视为多孔理想弹塑性介质时海床瞬态剪切破坏深度大于等于海床为多孔弹性介质时的计算结果;随着海床计算参数的变化,2种方法计算结果的变化趋势较为一致,且在砂质、粉砂质海床常见计算参数范围内,2种方法计算结果的差值在一个相对固定的范围内变化。     

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。     

波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究

波浪作用下粉质土海床的液化是影响海上平台、海底管线等海洋构筑物安全的灾害之一。在进行构筑物设计中应考虑海床液化的深度问题,而液化土体对下部海床的界面波压力是计算海床孔隙水压力增长以及液化深度的重要参量。本文基于波致粉土海床自上而下的渐进液化模式,利用双层流体波动理论,推导了考虑海床土体黏性的海床界面波压力表达式,并与不考虑黏性时的界面波压力进行了比较分析。结果表明,计算液化后土体界面波压力时,是否考虑液化土体的黏性对结果影响较大,进而可能影响粉质土海床液化深度的确定。     

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。     

波浪水流共同作用下人工岛周围局部冲刷的研究

本文采用系列模型延伸法研究粉砂质海床上的人工岛在波浪和水流共同作用下的局部冲刷问题。对两个不同比尺的模型岛进行动床实验，测得模型岛周围底砂的冲刷深度及冲刷范围，将这两个比尺模型的实验结果经延伸而获得原体人工岛周围可能发生的最大冲刷深度。同时，在理论上探讨了模型与原体之间最大冲刷深度的比尺关系。研究中对三种不同方向组合的波流作用下人工岛周围的局部冲刷进行了实验，结果表明，以波流同向时的冲刷最为严重。     

波浪水流共同作用下人工岛周围局部冲刷的研究

本文采用系列模型延伸法研究粉砂质海床上的人工岛在波浪和水流共同作用下的局部冲刷问题，对两个不同比尺的模型岛进行动床实验，测得模型岛周围底砂的冲刷深度及冲刷范围，将这两个比尺模型的实验结果经延伸而获得原体人工岛周围可能发生的最大冲刷深度，同时，在理论上探讨了模型与原体之间最大冲刷深度的比尺关系，研究中对三种不同方向组合的波流作用下人工岛周围的局部冲刷进行了实验，结果表明，以波流同向时的冲刷最为严重。     

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。     

成层海床波浪响应的状态空间解及其应用

针对成层海床的波浪响应问题,采用Laplace-Fourier变换和状态空间法求解控制方程,得到表征该问题基本状态量之间的传递矩阵。利用矩阵递推规律、边界条件及逆变换技术实现成层海床波浪响应的计算。以北海和密西西比三角洲的波浪和海床特征为参数进行算例分析,结果表明该方法具有较高的效率和精度。结合北海的工况指出在砂质海床的表面铺设一层砾石土可以增强海床的抗液化能力,起到保护海床的作用。     

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。     

波致Gibson粉土质海床累积孔压响应的简化分析

基于累积孔隙水压的控制方程,采用有限差分法求解了波浪作用下Gibson粉土质海床的累积孔隙水压。首先采用有限差分法求解了均匀及双层海床的累积孔隙水压,通过与解析解对比,验证了该方法的准确性。其次针对Gibson粉土质海床累积孔压计算量大的缺点,提出了利用等效替代法获取简化土体性质参数的思路,并设计算例予以验证。计算结果表明:在一定的时间尺度内,可将Gibson土简化为双层土体,简化运算减少了孔压计算量,方便工程应用。     

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。     

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。     

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。     

现代黄河三角洲沉积物动态变化过程的特征与机理

黄河入海沉积物自河口进入海洋后,在重力、水动力、生物改造等一系列外部作用下,经历着堆积、固结、液化、侵蚀再悬浮、海床变形滑动以及后期改造等一系列动态变化过程。研究团队近十几年来针对现代黄河三角洲沉积物的动态变化过程,开展了一系列的室内外物理模拟试验与水下三角洲现场原位长期观测等研究工作。在各动态变化过程的特征与机理方面,主要得到了以下认识:快速堆积后沉积物的固结速度很快,1—2天便可达到甚至超过原始海床强度,海床发育有显著的各项非均匀性,并发育有"硬壳层"。粉质土海床易于累积孔隙水压力,发生沉积物"液化"现象,一方面会改变海床表层沉积物的抗侵蚀性;另一方面,在海床内部垂向渗流的驱动下,海床内部部分细粒沉积物会被"泵送"输运到海床表面,进而进入上覆水体成为再悬浮沉积物,即部分再悬浮沉积物来源于海床内部。黄河三角洲坡度极缓,海底滑坡可以在近于水平的坡度条件下发生。波致海床液化引起的地层重构或海床渗流导致的内部土颗粒运移,可能会将相对均匀的海床改造为层化结构,这对河口地区沉积层理的解读具有新的启示。     

波致液化粉质土有效应力变化的试验数据分析

海床不稳定性的现象很多都是海底液化引起的。根据之前的研究,粉土在液化之后有效应力会依然存在,关于波浪作用下海床液化之后有效应力变化的研究很少。采用波浪水槽实验,在未液化和液化2种情况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位土体孔隙水压力进行采集,并对比研究。实验结果表明,液化后有效应力的相对值相对于液化前有很明显的减小,并且在深度上表现出显著的差异性,这种差异性随着波高的增大而减小。当相同深度处同一种波高作用一定时间时,有效应力会出现极大值,然后有效应力会减小。     

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.