波浪作用下砂质海床瞬态液化判别准则分析探讨

波浪会引起松砂和中等密实度的砂质海床发生液化,海床液化直接影响着海洋构筑物的安全。目前文献中常用的液化判别公式主要基于有效应力和超孔压的概念提出。在对当前文献中的4种主要液化判别准则的物理意义进行分析的基础上,基于波浪作用下海床应力和孔压的解析解,对不同计算参数条件下4种液化判别准则得到的液化区分布特征进行了对比,分析了4种液化判别准则的适用性,主要结论为：基于海床平均有效应力的液化判别准则b,在海床饱和度不小于0.99,且海床计算厚度不大于0.4倍波长时不适用;基于海床竖向超孔隙水压力和海床平均上覆有效自重应力的液化准则d,其所得海床液化深度较多情况下超出海床的塑性区深度,且其物理意义不明确,因此不建议使用该液化判别准则;基于海床竖向有效应力的液化准则a,与基于海床竖向超孔隙水压力和海床上覆竖向有效自重应力的液化准则c,其适用性较好,推荐应用该2个液化准则。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

饱和砂土地震液化判别的可拓聚类预测方法

基于可拓学的物元模型和聚类分析原理,提出了饱和砂土地震液化判别的可拓聚类方法。选取地震烈度、震中距、砂层埋置深度、地下水位、标贯击数、平均粒径、不均匀系数和动剪应力比等8个影响因素,作为饱和砂土地震液化的评价因子,构建了经典域物元和节域物元。应用物元理论和可拓集合中的关联函数,建立预测模型,通过聚类分析得到饱和砂土地震液化的判别结果。实例研究表明,该模型能客观地反映砂土的液化规律,可拓聚类预测方法应用于饱和砂土地震液化判别是有效可行的。     

饱和砂土地基上抗滑桩加固边坡的动力离心模型试验研究

动力离心模型试验是研究可液化地基上抗滑桩加固边坡地震动力响应的有效手段之一。使用铜质抗滑模型桩,采用黏度为50 cs的甲基硅油做为孔隙流体,通过抽真空法制作了饱和地基上的加固边坡模型。进行动力离心模型试验,研究了地震作用下饱和砂土地基中动孔压、边坡变形与土体加速度和抗滑桩弯矩的响应特征。试验结果表明,地震作用导致的动力附加弯矩相当于震前静力弯矩的87 %,说明地震作用与地基液化导致的附加弯矩不容忽视,该结论可为边坡进行抗震设计与稳定分析提供有意义的参考。     

饱和砂土的剪切波速与其抗液化强度关系研究

根据饱和砂土剪切波速与其抗液化强度的相关性原理,利用剪切波速与振动三轴联合实验装置,进行了控制饱和砂土初始剪切波速的振动液化实验,依据实验结果建立了剪切波速与抗液化强度的定量关系。最后用现场勘查数据对此定量关系进行验证,结果表明：该关系式对实际 66 个未液化地点的判别准确率达到 81.2 %;对 108 个实际液化地点的判别准确率达到 62.8 %;平均判别准确率达到 69.5 %。     

Modeling deepwater seabed steady-state thermal fields around buried pipeline including trenching and backfill effects

Deepwater pipelines are designed to transport mixtures of oil and gas, and their associated impurities at wellhead temperatures that can be in excess of 149 °C (∼300 °F or 422 K) while the external temperature maybe in the range of 5 °C (∼41 °F or 278 K). Depending on the circumstances these pipelines may be buried for physical protection or for additional thermal insulation using robotic trenching equipment. This results in a complex cut and backfill geometry in the seafloor in addition to altering the thermal properties of the backfill. A two-dimensional boundary element model was developed specifically to address to investigate the local steady-state thermal field in the near field of the pipeline. The model allows one to account for the complex geometries in the near field associated with this burial technique, site-specific multi-layered soil conditions and the seawater adjacent to the seafloor. A parametric study was preformed to evaluate effects of the thermal power loss, burial depth, pipe diameter and soil thermal conductivity on the thermal field in the near field of a buried pipeline. The numerical examples illustrate the influence of the backfill thermal property on the temperature at the pipe wall, that the pipe diameter controls the required output thermal power needed to maintain the desired pipe wall temperature, and the importance of pipeline burial depth on seabed temperature distribution above the pipeline.     

Breaking wave‐induced response and instability of seabed around caisson breakwater

Breaking‐wave‐induced dynamic response and instability of seabed around a caisson breakwater are investigated. A seabed‐rubble‐breakwater system is modeled using finite elements. The impact response of the porous seabed and rubble foundation is assumed to be governed by the coupled Biot equations, and three possible formulations are considered with respect to the inclusion of inertial terms. The response is presented in terms of shear stress and pore pressure distributions at three locations underneath the breakwater. The effect of seabed and wave parameters and the inertial terms on the impact response is investigated through parametric studies. Analyses show that usually partly dynamic formulation yields the largest response amplitudes as compared to the fully dynamic formulation, which is the most complete form. The instability of seabed and rubble mound as a result of instantaneous liquefaction is also studied. Breaking wave‐induced pressures in some cases are found to cause liquefaction in the rubble and the seabed. The effect of some parameters on the instability is found to be significant. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

细粒含量对饱和砂类土液化强度的影响

为研究细粒含量FC对不同密实状态饱和砂类土液化强度CRR的影响,将不同FC的砂类土试样分为3组：（1）相同的相对密实度 50%;（2）相同的孔隙比 0.90;（3）相同的骨架孔隙比 1.20,对不同FC和密实状态（ 、e和 ）的砂类土进行了一系列不排水循环三轴试验。试验结果显示：e或 相同的砂类土CRR随着FC的增加逐渐降低;具有相同 砂类土的CRR随FC的增加迅速增大,砂类土的CRR与 、e或 都没有较好的相关性。分析表明：不同FC和密实状态砂类土的CRR随等效骨架孔隙比 的增大而降低,两者呈现较好的负幂函数关系,这表明考虑细粒影响程度的 是合理表征不同种类砂类土CRR的一个物理状态指标。通过对比已有的砂类土的试验结果发现：砂类土中的砂粒是影响CRR的重要因素,且随着砂粒的形状从圆状向角状变化,砂类土的总体CRR逐渐增大。