波浪作用下砂质海床孔隙水压力的响应规律实验研究

采用波流水槽模型试验的方法,研究了规则波和不规则波作用下砂质海床的孔隙水压力响应问题,其中主要考虑不同深度、波高及周期对孔隙水压力的影响,从而得出孔压变化规律。当周期和波高不变时,由波浪引起的孔隙水压力随水深的增加而逐渐减小。同一水深和波高条件下,由波浪引起的孔隙水压力随周期变大而变大;当水深和周期固定时,由波浪引起的孔隙水压力随波高的增加而增加。     

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。     

饱和多孔介质动力响应移动单元法分析

移动单元法在处理移动荷载下结构动力行为分析方面具有求解高效的优势,但目前针对饱和多孔介质动力响应的移动单元法的研究成果甚少。根据饱和多孔介质u-p格式动力控制方程,利用移动坐标系建立了饱和多孔介质瞬态及稳态动力控制方程的移动单元列式,通过编制相应的计算程序将计算结果与已有文献结果对比验证了算法的正确和有效性。基于移动单元法建立了移动荷载下饱和沥青路面-弹性基层系统计算模型,分析了移动荷载下该模型的瞬态动力响应规律,并与其稳态动力响应进行了对比分析,分析表明,其水动力特性较稳态响应呈现出明显的瞬态效应。基于稳态动力响应结果分析了荷载速度、排水边界、渗透系数对饱和沥青路面动力响应的影响规律,算例研究结果可以为分析水动力作用下沥青路面水稳定性功能损伤机制提供参考。     

波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性试验研究

在波流环境中,反斜桩周围的涡流结构及波浪传播特性与垂直桩存在较大差异,进而影响到桩基局部冲刷进程。为了解波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性,在波流水槽中针对不同倾角的反斜桩开展了局部冲刷试验,初步探究了局部冲深历时特性、影响因素及床面形态特征。研究结果表明：在清水冲刷条件下,反斜桩局部冲刷深度始终小于垂直桩;当桩身倾角增加时,平衡冲刷深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大;冲刷坑宽度相对垂直桩更小,呈现“水滴状”形态,尾后沙丘呈现出更长的单峰“带状”结构,不规则性较为突出;局部冲深与弗劳德数之间存在着较高的相关性,但向上游倾角产生的波浪变形效应使得冲刷深度与流速比和Keulegan-Carpenter数的具体函数关系更难以确定。     

热-水-力共同作用下圆形洞室弹塑性解析解

基于已有的工作和Mohr-Coulomb屈服准则,建立了热-水-力三场共同作用下的圆形洞室弹塑性解析解,并分别在单力场、热-力场、水-力场、热-水-力场以及改变介质强度参数的条件下计算和比较了围岩中的应力分布、变化及塑性区范围。结果显示,温度场使得塑性区半径有所减小,但总的来看温度作用不明显;与仅有力作用时相比,孔隙水压力使得塑性区半径、径向应力和切向应力有较大幅度增长。     

波流边界层水沙运动数值模拟——I:水动力模拟

波流边界层水动力模拟对研究波流相互作用和泥沙运动具有重要的理论意义和实践价值。开发了波流边界层1DV垂向一维水动力数值模型,可用于模拟漩涡沙波床面和平底床面水动力特征。模型的构建基于边界层控制方程,平底床面采用k-ε模型,沙波床面采用双层模型,提出了漩涡层和紊动扩散层交界面紊动动能和紊动耗散率表达式。试验资料验证表明,模型较好地模拟了波浪-水流-床面共同作用下的边界层水动力特征,包括波周期内不同相位流速分布、紊动动能、剪切应力等以及波致时均流速分布和波流相互作用下的时均流速分布等。根据所建模型,讨论了不同床面和波流组合条件下的水动力特征。该模型可为研究波流边界层内水动力特征提供工具。     

饱和土一维简谐响应解析解的求解和应用：II 应用

将相关论文[1]中得到的饱和土一维简谐响应解析解，应用到饱和土中两类压缩波的独立作用、饱和土中波的传播速度、u-p方程的适用范围等研究中。在两类压缩波的独立作用研究中，克服了以前文献中的数学不严密性。研究了饱和土各参数对三种体波波速的影响。通过比较u-w和u-p方程的解答，定量地说明了u-p方程的适用范围。     

既有深坑边坡、结构共同作用的动力响应研究

城市周边废弃矿坑逐渐被利用起来以建设大型公共服务项目,建筑群以边坡作为基础将引起新的技术难题。采用大型振动台试验对地震作用下既有深坑边坡、单跨和多跨框架结构的动位移及结构动内力进行了研究。研究结果表明：地震波类型、幅值和激振方向对模型动力响应均有影响,不同地震波对模型动位移和内力的影响存在差异,动位移随激振幅值的增加而增加,双向激振比单向激振引起的动位移大,与激振同方向的位移较其他方向大;单跨和多跨结构控制位移的能力在高强度地震激振下才有差异,后者比前者控制位移的能力强,但柱子内力较前者大;由于结构与地基的共同作用,整体性好、刚度大的结构可提高地基的抗震性能,多跨结构地基较自由场动峰值位移小2.5%～8.8%,永久位移小13.6%～62.1%。试验结果有助于揭示深坑边坡在地震作用下的失稳机制,为深坑边坡及构筑物的抗震设计提供有益的参考。     

波流共同作用下流速垂线分布及其影响因素分析

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加.为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅波理论简化控制方程,并引入Grant-Madsen波流边界层模型,得到波流共同作用下的紊动切应力及流速垂线分布表达式.通过和实验结果及数值结果的对比,结果预测值和实测值较为吻合,表明公式能反映波高变化及涡粘系数共同对流速垂线分布的影响,且简单实用.利用该公式分析了波浪顺流、逆流流速变化的原因.     

波流作用下黄河三角洲硬壳层液化渗流形成机制研究

波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明: 海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U₀=0m ·s-1时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U₀=0m ·s-1,U₀=1m ·s-1时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔP/ΔL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。     

饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解

将土体在圆孔扩张过程中的应力分布分为三个区域，基于修正剑桥模型，推导了圆孔扩张过程中土体在三个区域的超孔隙水压力的解析表达式，对比分析了固结比对土体中应力分布的影响。分析推导可为沉桩、旁压试验、静力触探等岩土工程问题提供理论依据。     

真空预压加固区硬壳层的水分运移解析解

本文根据非饱和土体的渗流理论,建立水分运移模型,研究真空预压在稳态下的水分运移机制,给出了孔隙水压力分布的控制方程及其解析解。根据工程实测数据验证解析解的结果,并对不同参数进行分析。结果表明：稳态下真空预压水分运移模型计算的结果和现场实测数据基本吻合。扩散通量Q和降饱和系数?对上层非饱和区域的形成位置、强度及厚度的影响较大。扩散通量Q越大,土体表层的基质吸力越大,孔隙水压力变化趋势就越大;降饱和系数?在0.3~1.0 kPa-1内对非饱和土体部分基本没有影响。     

强震作用下松散海床地基的动力响应

海上和沿海区域砂性土地基在强震作用下需同时考虑液化、震陷以及流滑效应。选用杨朝晖叠套屈服面模型,提出了获取计算参数的简化方法,用OpenSees验证了该模型模拟液化的能力;开发了OpenSees与ANSYS的接口,对处于强震地区、地基土为松散砂性土的印尼某进水明渠堤坝进行了非线性有限元动力计算,判断了场地的液化情况,预测了堤坝及地基的震陷量和侧向流滑,计算结果对该类地基的加固处理具有一定的指导意义     

基于原位观测的台风作用下海床孔压响应特征研究——以“利奇马”期间舟山朱家尖海域为例

台风作用下泥质海床孔隙水压力响应特征不清。选取舟山朱家尖典型泥质海床为研究对象,利用自主研发的海床孔隙水压力原位观测探杆结合水动力观测平台,研究台风\     

波流作用下大直径淹没圆柱局部冲刷试验研究

水下大直径淹没圆柱在波流共同作用下的冲刷特性与非淹没情况有较大差别。在波流水槽中开展局部冲刷试验,将大直径淹没圆柱模型安装在中值粒径0.22 mm的平底沙床内,改变波浪波高和周期、水流流速和方向、圆柱淹没率,测量圆柱周围流速变化,记录柱周冲深发展历时,运用激光地形仪测量冲刷坑的地形形态,分析了淹没率S_r和相对高度h_c/D对准平衡冲深的影响。结果表明,相同入射波流条件下,随相对柱高h_c/D降低,冲刷发展速率、冲坑半径和深度都随之减小。当相对柱高h_c/D>1时,冲深随柱高增长速率较快直至达到临界值。准平衡冲刷坑呈"倒勺状",沿圆柱左右两边呈对称分布,柱前呈半环状;圆柱正后方淤积成"马鞍状"沙丘。     

深置矩形基础与地基共同作用解析分析

基于集中力作用下的Mindlin解位移公式,推导得到均布荷载作用下的地基柔度系数,对地基上的四周自由板与地基共同作用进行简化计算,得出了考虑埋深时地基基础共同作用的解析公式。在基础板为刚性和弹性、荷载为集中荷载及均布荷载的情况下,对考虑埋深时的Mindlin解与不考虑埋深时的Boussinesq解的计算结果进行比较,表明,埋深比对于基础沉降、地基反力的分布、基础板的弯矩等都有一定的影响。给出了考虑埋深时的沉降修正系数公式,以供工程应用参考。     

波浪作用下临海基坑超孔压响应试验研究

以港珠澳大桥拱北隧道明挖段基坑工程为背景,根据相似比尺理论,确定具体的试验模型,利用多功能波浪流水槽系统,研究了波浪作用下黏质粉土基坑周围的超孔压响应规律,研究发现,临海基坑周围的超孔压由振荡超孔压和累积超孔压两部分组成;振荡超孔压幅值沿着从坑外主动区到坑内被动区的渗流路径逐渐衰减,同时伴随着波动相位的滞后,且振荡超孔压幅值衰减值越大,相位滞后也就越明显;基坑主动区的超孔压以随着时间逐渐减小的速率累积,判断临海基坑周围某一位置处的超孔压累积情况,应该从该处的排水条件好坏及由波浪荷载产生的动应力大小两方面分析,排水条件越差或由波浪荷载产生的动应力越大,就越有利于该处超孔压的累积;基坑被动区的振荡超孔压及累积超孔压均相对较小。     

单层非饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解

基于Zienkiewicz提出的非饱和多孔介质波动理论,考虑两相流体和固体颗粒的压缩性以及惯性、黏滞和机械耦合作用,采用半解析的方法获得了一类典型边界条件下单层非饱和多孔介质一维瞬态响应解。首先推导出无量纲化后以位移表示的控制方程,并将其写成矩阵形式;然后,将边界条件齐次化,求解控制方程所对应的特征值问题,得到了满足齐次边界条件的特征值和相对应的特征函数。根据变异系数法并利用特征函数的正交性,得到了一系列仅黏滞耦合的关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件。在此基础上,运用精细时程积分法给出了常微分方程组的数值解。最后,通过若干算例验证了结果的正确性并探讨了单层非饱和多孔介质一维瞬态动力响应的特点。该方法可推广应用于其他典型的边界条件。     

动力荷载作用下软粘土的残余变形计算模式

在试验结果的基础上，提出了动力荷载作用下计算软粘土残余变形的模式。并将计算结果与不排水和部分排水情况下观测到的孔隙水压力及残余应变进行比较，两者具有较好的吻合性。本文所提出的计算模式可用来估算动力荷载（例如地震荷载、交通荷载）作用下建于软粘土地基上的建筑物及其它设施所产生的附加沉降。     

干湿循环作用下边坡动力稳定性的试验研究和数值模拟

利用试验和数值模拟工具,对干湿循环和地震荷载作用下的边坡力学特性和动力响应规律进行研究,建立有限元边坡模型并进行稳定性分析。结果表明：随着干湿循环次数的增加,土体有效粘聚力逐渐降低趋势,干湿循环过程使得土颗粒的胶结作用被降低。干湿循环作用下,会改变土体的动力特性参数,如最终动剪切应变、初始动剪切模量和阻尼比。在动荷载作用下,使得边坡地下水位线升高,导致孔隙水压力重分布,水压力增高。在干湿循环和动力荷载共同作用下,边坡稳定性系数发生改变。边坡稳定性系数与干湿循环次数呈负相关,最大安全系数降低20%左右。