波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

随机波浪作用下海床动力响应及液化的理论分析

运用随机波浪理论,基于广义Biot动力固结理论,建立了能够考虑波浪荷载随机特性影响的计算海床动力响应及液化深度的解析数值模型,并从时域上进行求解分析.通过与传统线性规则波浪荷载作用下海床动力响应及液化深度的数值结果的对比分析,详细讨论了考虑波浪荷载的随机特性对于求解海床动力响应及液化深度的影响程度.结果表明,根据随机波浪理论计算得到的海床中的超孔隙水压力、水平有效应力、竖向有效应力、剪应力表现出较强的不规则性,其幅值沿着海床深度方向的变化趋势与根据线性规则波浪理论计算得到结果的变化趋势基本相同,但在同数量级上更大,同时计算得到的海床最大液化深度明显大于根据线性规则波浪理论计算得到的结果.因此,在海洋地基设计和自由场地安全评估时应该合理地考虑波浪荷载的随机特性.     

粉质海床波浪响应的数值模拟及试验研究

针对波浪荷载作用下粉质海床的动力响应问题,结合波浪槽模型试验研究的结果,提出了一种粉质海床在波浪作用下超静孔隙水压力增长的数值分析方法。计算结果表明：该方法能较好地拟合试验数据,揭示粉质海床孔隙水压力发展的机理,能运用于海床液化势的评价分析。     

非线性波浪荷载作用下海上风机管桩基础周围海床液化研究

为研究近浅海领域内海上风机大直径单桩基础周围的砂质海床在非线性荷载作用下的瞬时液化的稳定性,在OpenFOAM平台上建立波浪-单桩-海床三维数值模型(WSSI模型),采用olaFoam求解器求解RANS方程模拟波浪的非线性运动,将Biot方程作为海床模型的控制方程研究单桩周围海床的液化规律。对以往的数值解析结果和实验结果进行对比分析,验证本文建立三维波浪模型和海床模型的准确性和有效性。将建立的波浪-管桩-海床相互作用三维数值模型应用到实际工况中,对数值模型在实际工程中的海床响应进行分析评估。研究结果表明,单桩周围海床的孔隙水压力场和有效应力场在水深方向发生较大变化,在水平方向变化较小。在该工况下海床的最大液化深度可达到10 m,且在垂直于波浪运动方向的海床更容易发生液化,为实际工程预测海床液化提供一定的技术支持。     

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现：复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。     

波浪导致黄河口海床沉积物超孔压响应现场试验研究

黄河口海床特殊的工程地质性质与复杂的工程动力稳定性问题,均与海床沉积物在波浪荷载作用下的孔压动力响应密切相关。在现代黄河水下三角洲潮间带岸滩选择4个典型研究点,现场模拟波浪作用对原状海床沉积物实施循环加载,利用孔隙水压力观测、沉积物强度测试、样品采集与实验室土工测试等方法手段,测定黄河口原状海床沉积物在循环荷载作用不同阶段的孔压响应与强度变化。研究发现,黄河口原状海床沉积物在经历循环加载过程中,典型的超孔压响应可分为逐渐累积、部分消散、快速累积、累积液化和完全消散5个阶段,分别对应沉积物强度的衰减、增大、衰减、丧失和恢复过程,沉积物的粒度组成与结构性强弱决定了超孔压的具体响应模式。波浪导致原状海床液化深度受沉积物的干密度、孔隙比、饱和度等初始物理性质影响显著,细颗粒组分的相对含量高低也在很大程度上控制着沉积物的液化特性。     

非线性波浪作用下海底管线-海床动力响应分析

确定波浪荷载作用下海底埋置管线和海床的响应是海底管线设计中的关键问题。目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应,并没有考虑管线与海床之间的相互作用效应。采用接触摩擦理论,考虑管线与海床之间的相互作用效应,基于有限元方法研究了非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明,在计算中如果忽略波浪非线性项,既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力,也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力。     

波浪作用下黄河三角洲粉质土海床动力响应分析

应用饱和土动力固结理论和Pastor-Zienkiewicz III动力本构关系,对波浪作用下黄河三角洲粉质土海床的动力响应特征进行了有限元分析,应用总超孔压准则对海床进行了液化判别,并将计算结果与现场观测资料进行对比。结果表明：波浪导致的海床超孔压由瞬态孔压和累积孔压两部分组成;相比均质海床,拥有表面硬层的海床瞬态孔压沿深度衰减更快,累积孔压在表层增长速度更大;不同波浪条件下,瞬态孔压值及其变化趋势较为一致,累积孔压则具有较大的不同。年平均波浪条件下海床不会发生液化;5 a和50 a一遇极端波浪条件下,考虑三维效应和具有表面硬层的海床更容易液化,最大液化深度在海床表面以下2～3 m范围内。计算所得的海床最大液化深度与实测的黄河三角洲海底灾害地貌深度有较好的一致性,表明了文中方法的有效性和合理性。     

极端波浪荷载作用下近海桥梁下方海床瞬态液化稳定性研究EI北大核心CSCD

为研究极端波浪荷载作用下近海桥梁下方密实海床的瞬态液化稳定性,通过求解RANS方程和Biot方程,建立了极端波浪作用下箱梁下方密实海床动力响应的有限元数值模型。将该模型与以往试验结果对比,验证了该模型的准确性,基于此模型进一步研究了极端波浪作用下箱梁周围的波浪压力场分布及波浪特性、淹没深度对桥梁下方密实海床瞬态液化稳定性的影响。研究结果表明:处于淹没状态的箱梁对周围波压场影响较大,箱梁迎浪侧密实海床的瞬态液化深度大于背浪侧,液化深度幅值距离箱梁1/10~1/8波长范围内达到最大;随着波高与波浪周期的增大,箱梁左、右两侧密实海床瞬态液化深度均增大;在迎浪侧,当箱梁刚好完全被淹没时,海床瞬态液化深度最大,而在背浪侧,随着淹没深度增加,箱梁下方海床趋于安全。其研究结果可为跨海桥梁安全性分析提供参考。     

极端波浪荷载作用下近海桥梁下方海床瞬态液化稳定性研究

为研究极端波浪荷载作用下近海桥梁下方密实海床的瞬态液化稳定性,通过求解RANS方程和Biot方程,建立了极端波浪作用下箱梁下方密实海床动力响应的有限元数值模型。将该模型与以往试验结果对比,验证了该模型的准确性,基于此模型进一步研究了极端波浪作用下箱梁周围的波浪压力场分布及波浪特性、淹没深度对桥梁下方密实海床瞬态液化稳定性的影响。研究结果表明:处于淹没状态的箱梁对周围波压场影响较大,箱梁迎浪侧密实海床的瞬态液化深度大于背浪侧,液化深度幅值距离箱梁1/10~1/8波长范围内达到最大;随着波高与波浪周期的增大,箱梁左、右两侧密实海床瞬态液化深度均增大;在迎浪侧,当箱梁刚好完全被淹没时,海床瞬态液化深度最大,而在背浪侧,随着淹没深度增加,箱梁下方海床趋于安全。其研究结果可为跨海桥梁安全性分析提供参考。     

考虑波致孔压累积与应力耦合效应的埋置管线周围海床响应特征与机制分析

波浪导致的海床液化是埋置管线失稳的一个重要因素。超静孔隙水压力累积引起的液化深度较深,对海底管线稳定性的影响较大,因此波浪作用下管线-海床系统的累积响应特征一直受到研究者的重点关注。本文基于考虑孔压累积与海床应力耦合发展的数值计算模型,对非线性行进波作用下含埋置管线的海床累积响应特征进行了模拟计算,并与非耦合模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,当考虑孔压累积与海床应力的耦合效应时,管线附近累积孔压在水平方向上的不均匀分布会导致海床循环剪应力的增大,从而会极大地促进管线周围海床累积孔压的发展,增大管线的影响范围; 忽略孔压累积与海床应力的耦合效应,会在一定程度上低估管线周围海床的液化深度,不利于管线的安全。     

黄河口潮滩粉土体固结非均匀性研究

通过分析直立堤前海床地貌和深度剖面方向贯入强度特性及相邻自由海床剖面方向贯入强度特性,研究了黄河口潮滩粉土体动力响应的非均匀性。研究发现：沿海床剖面不仅存在水平硬层,同时也存在竖直硬层,且竖直硬层与水动力条件有关。结合现场循环冲击荷载试验和直立堤前多孔介质海床数值模型,解释粉土海床非均匀性形成的机制：由于粉土体中细小无黏性颗粒在波浪作用下逐渐脱离土骨架,在土体中缓慢流动汇聚,在后期波浪改造累积作用下固结排水强度增大,形成强度不同的地带,导致土体动力响应的非均匀性。     

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析EI北大核心

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。     

现代黄河三角洲沉积物波浪动力响应研究评述

在波浪周期循环荷载作用下, 海床沉积物会发生固结压密、液化流变、侵蚀运移, 以及伴随的沉积物成分、结构、物理力学性质与工程地质性质的动态变化过程。一种过程的变化影响并制约着其他过程的变化, 在这种相互耦合的动态变化过程中, 波浪对海床发挥着周而复始的后期改造作用。本文系统总结了黄河三角洲粉质土沉积物波浪动力响应国内外研究进展, 从波浪作用下海床沉积物内部孔压响应、沉积物强度变化过程、沉积物物理性质变化过程、沉积物成分结构分异过程四方面, 对波浪在海床粉质土沉积物后期改造过程中发挥的重要作用及其作用机理进行了评述。该文以黄河口细粒土沉积物波浪动力响应研究为立足点, 展开论述波-土相互作用物理模型试验、现场观测、数值计算方法的研究成果, 以期为河口海岸沉积物动力学的深入研究提供指导作用。     

近海欠密实砂质海床内波致渐进液化特征研究

利用一个经过广泛验证的数值模型FSSI-CAS 2D为计算工具,采用砂土的高级本构模型Pastor-Zienkiewicz-Mark III (PZIII) 描述海床砂土的动态力学行为,定量研究松散海床地基土在波浪作用下,其内部的液化过程和特征,以加深对波致海床液化特征、性质的认识。计算结果分析表明,开发的耦合数值模型FSSI-CAS 2D能够很好地捕捉到波浪作用下欠密实海床的动力响应特征,以及海床内的累积液化过程等一些列的非线性物理现象。研究表明,波浪导致的松砂海床液化是一个渐进过程,海床表面首先液化,并逐渐向下扩展。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法（DFEM）能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现EI北大核心CSCD

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法(DFEM)能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

波浪导致的海床边坡稳定性分析

利用Biot二维固结理论,计算出波浪引起的海床应力场;在假设海床土体的粘聚力不受波浪作用影响的条件下,推导出了波浪导致弱粘性土或粉土海床失稳的破坏准则,丰富了波浪导致海床失稳的判别方法。并把这一破坏准则用于黄河三角洲埕岛油田海域的海床底坡稳定性分析,讨论了50年一遇和5年一遇两种海况条件下,土体粘聚力对该地区波浪导致海床破坏深度的影响,计算结果表明,土体粘聚力对海床稳定性影响明显。     

波浪作用下黄河口粉土液化与“铁板砂”形成机制的模拟试验研究

通过室内水槽试验,观测波浪作用下土体产生的振荡现象,分析土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体强度变化特征,研究了波浪荷载作用下黄河口粉土粒径粗化和“铁板砂”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”型的滑动面,振荡土层的厚度随着波浪作用时间的增加而变小;细粒物质从振荡土层中的骨架中脱离进入水体中,并在土体表层形成一层以黏粒为主的絮凝状沉积物,其厚度随波浪作用时间的增加而增加,在土体停止振荡前达到最大值;土体液化是“铁板砂”形成的必要条件,而波浪引起的液化土体振荡则使“铁板砂”的形成成为可能。     

黄河三角洲地基土透水与隔水夹层对微振液化的影响

由于土体不同透水边界对微振液化的影响不同,选用3种隔水层与透水层的组合情况,进行现场和原位循环荷载试验和室内土样振动试验,结合试验中所观察到的现象和循环荷载作用过程中土样密度、含水率、孔隙比的变化,研究在循环荷载作用下隔水层与透水层的存在以及振动力不同的施加方向对黄河口海床土液化过程的影响。