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。     

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。     

波浪作用下海底粉质土液化过程的速率特征

海底的粉质土在强烈波浪作用下会发生液化现象。粉质土从液化发生到最后形成流体有其变化的过程。本文针对黄河三角洲的粉质土,进行了波浪水槽试验和现场监测试验,记录了孔压在粉质土液化过程中的变化,给出了波浪作用下粉质土液化过程的速率特征。试验结果给出:海底粉质土在波浪作用下某一深度层的液化发展迅速,水槽试验重塑土用孔压增长速率反映的液化发展速率平均为0.15kPa/min,现场监测原状土液化发展速率平均为0.29kPa/min;水槽试验重塑土和现场监测原状土均出现液化深度自上而下的发展过程,本文水槽试验条件和现场条件给出的液化深度发展平均速率分别为0.01和0.10m/min。     

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。     

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。     

极端海况下单桩周围土体瞬时孔压响应分析

波浪作用下海床土体的液化现象严重影响着海洋工程结构物的安全性和稳定性。以往的学者针对海床土体中残余孔压的累积发展规律已有较多研究,但是对于海洋结构物周围土体中的瞬时孔压响应分析较少。本文以黄河三角洲粉土海床为研究对象,通过ABAQUS子程序同时考虑了单桩所受水平波浪荷载、土体所受竖向波浪荷载,从而研究了极端海况下海上风电大直径单桩基础周围土体的瞬时孔压响应。通过数值模拟结果得到如下结论：相比于仅受到波浪的竖向作用时,单桩的振动效果使得桩周土体在一定深度范围内出现的孔隙水压力,超过了海床表面的孔压最大值;同时,单桩四周孔压分布并不对称,其中桩前土体负孔隙水压力峰值小于桩后;波谷作用时,计算得到的桩前土体瞬时液化深度大于桩后土体,且随着距离单桩距离的增加,最大液化深度在逐渐减小。     

波浪作用下粉质土海床累积孔隙水压力简化分析

波浪引起的孔隙水压力直接影响海床地基稳定性,而累积孔隙水压力是细颗粒弱粘性粉质土的主要响应形式。针对在海岸和近海广泛分布的粉质土,基于一维固结理论,采用更适于描述粉质土动力特性的双曲线型孔隙水压力发展模式作为源项,推导相应的有限差分格式,并在MATLAB环境下进行编程求解,给出波浪作用下粉质土海床累积孔隙水压力响应的简化分析方法。以黄河三角洲为背景的算例显示,本文所给的模型和计算方法高效、易行,可为相关的海岸与海洋工程设计提供理论参考和技术支持。     

黏粒含量对粉质土液化发生的作用机制

近年来,海岸沉积的粉质土在波浪作用下发生液化的问题开始被关注和研究。由于粉质土中含有黏粒成分,其液化机制可能与砂性土不同。通过对不同黏粒含量的粉质土进行循环荷载三轴试验,获得孔压、应变的变化曲线。以应变5%为土体破坏标准,结合土体的微结构特征,分析认为粉质土由于黏粒含量不同,存在液化破坏和触变破坏两种导致液化发生的机制。     

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。     

粉质土底床液化塌陷量形成试验研究

黄河三角洲海床沉积物质为粉质土,在大的风暴浪作用下海底浅表粉质土能够发生液化,形成塌陷凹坑。以黄河三角洲粉质土铺设底床,进行液化粉质土形成塌陷的波浪水槽试验,在底床粉粒和砂粒不随水流脱离液化区的前提下,对形成塌陷量的贡献因素进行了分析。根据试验数据,估算了黏粒迁移析出与液化区底床密度增大对液化致塌陷凹坑的贡献度,得出黏粒迁移析出贡献一般大于55%。试验还发现在波浪作用下粉质土液化后黏粒发生迁移,原均质底床黏粒含量在垂向上出现2个分段特点的重新分布,分段点处于水土界面、底床液化最终界面和最大液化界面上,每段以上少下多分布。     

波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究

海床在波浪作用下是否稳定对海底工程的安全至关重要,海床的稳定性与土体中的孔压响应密切相关。水槽模拟试验表明:在波浪的作用下,黄河三角洲粉土海床中将产生振荡孔隙水压力和累积孔隙水压力。振荡孔隙水压力大小与土层深度、波高和粘粒含量有关,其振幅(能量)在土层中随深度的增加呈指数衰减,且粘粒含量越高衰减越快;加载波高越大,能量衰减越快。而累积孔压响应模式表现为在波浪作用最初的一段时间内,孔隙水压力快速上升,然后逐渐减小而趋于稳定,其大小和速率也与波高、粘粒含量、土层埋深有关,粘粒含量越高,孔压累积速度越低。     

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。     

循环荷载下粉土液化流动特性拖球试验研究

基于流体力学中的Stokes黏滞阻力理论,以振动台试验为基础,开发了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球试验装置。在铺有粉土海床的模型箱内埋设光滑小球,通过测量小球水平运动过程中所受阻力值的大小,计算粉土液化的表观动力黏度,分析粉土液化过程中的表观动力黏度与超孔压比之间的关系,以及液化后表观黏度与应变率的变化规律。试验结果表明,振动台试验下,孔隙压力表现为迅速上升,粉土迅速达到液化状态;振动过程对海床固结影响较大;粉土海床在未达到完全液化状态时（ru<1）,表观黏度随超孔压比增大而减小,在液化状态下（ru=1）,剪应力随应变率增大而减小,粉土呈现出剪切稀化的特点,为典型的非牛顿流体特征。     

波浪作用下黄河三角洲海底粉土液化特征对比研究

作为一种常见的近海海底灾害地质现象,波致海床液化严重威胁着黄河三角洲地区海底工程设施的安全。粉质海床液化后,海底粉土的结构、物理和力学性质均发生了改变,研究该变化规律尤其是评估液化后海底粉土再次发生液化的可能性具有重要的理论意义和应用价值。本文利用室内动三轴仪对取自黄河三角洲已液化和未液化海底粉土开展了液化试验对比研究,讨论了已液化和未液化海底粉土在孔压增长模式和轴向动应变发展趋势方面的异同,对比分析了二者的液化势。研究结果表明:应变标准比孔压标准更适用于评估黄河三角洲地区海底粉土的液化势;孔压和动应变发展模式均表明与未液化粉土相比,已液化海底粉土再次发生液化的抗力有所提高;已液化和未液化海底粉土归一化孔压比u_d/σ₃与循环加载次数比N/N_f间相关关系可采用双曲线或指数函数模型进行定量化描述;未液化海底粉土的波致液化临界循环应力比约为0.20,已液化海底粉土的临界循环应力比约为0.35。研究成果有助于加深对海底粉土波致液化特性的认识,亦可为循环应力历史影响下的土体力学性质研究提供参考。     

波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究

粉质土大量存在于黄河水下三角洲地区,粉土液化过程中具有类似流体的性质,可以把液化过程中的粉土视为黏性流体进行研究。基于流体力学中Stokes黏滞阻力原理,在波浪水槽试验基础上,设计了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球装置,并对其实用性进行验证。在铺设有粉土底床的波浪水槽中埋入可以水平滑动的小球,通过拖动小球在粉土中水平运动,测量小球所受阻力值的大小,用以计算液化粉土表观动力黏度。充分考虑试验中波浪要素、超孔压比等因素的影响。结果表明,该装置能够满足试验要求;波浪循环荷载作用下,观察到了孔压的累积至液化的过程;波浪参数对结果有较大影响,其中波高越大,表观黏度值越小;同一波高情况下,表观黏度随时间缓慢增加;随着超孔压比的升高,波浪作用下粉土表观黏度值逐渐减小。     

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。     

考虑土骨架加速度效应的海床动力反应及其影响因素分析

由Biot二维广义动力固结理论的形式基本控制方程出发,忽略孔隙流体的加速度,提出了饱和海床动力反应的时域有限元数值解法.联立静力平衡条件和Biot固结方程的退化法所得到的数值解可视为其特例.在比较算例中,退化法得到的超静孔压和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解一致.一般情况下,土骨架的加速度对海床的有效应力和超静孔压影响很小,控制方程可以退化为Biot理论.成层海床上部的粗砂层不会使超静孔压幅值在海床表面下较浅的深度内迅速衰减,难以改变海床的瞬时循环液化深度.