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。     

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。     

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。