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。     

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。     

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。     

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.     

循环荷载作用下海床结构粉质土的液化渗流机理定性研究

通过对黄河三角洲海床粉质土的基本性质和循环荷载作用下的喷水冒砂现象的分析,认识了海床粉质土的结构性。利用岩土破损力学原理,建立了海床结构粉质土的二元介质模型。定性分析了结构带土体在加荷、卸荷、液化渗流过程中的变形破损和在液化渗流过程中有效应力和超孔隙水压力的相互转化,指出在液化深度内,土体恢复后的固结强度应提高。这与试验结果相一致。用二元介质模型对解释试验中液化渗流差异是结构带内出现喷水冒砂和结构体上出现遍地冒水现象。     

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。     

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。     

非饱和砂质海床在复合防波堤下固结的数值研究

本文以Biot动态方程(u-p公式)为控制方程,采用有限元方法和Generalized Newmark-时间积分方法,在SWANDYNE的基础上发展了用于分析海床基础固结和动态响应分析的计算程序PORO-WSSI 2D。利用太沙基一维固结理论验证了POR-WSSI 2D中固结模块的有效性。利用该计算程序,深入研究了大型海床基础在大型复合式防波堤和静水压力作用下的固结过程以及最终的固结状态。计算结果表明计算程序PORO-WSSI 2D能够有效地分析评价海床基础在海洋结构物作用下的固结过程以及预测海床基础的剪切破坏行为。所确定的最终固结状态还可以为后续研究海床基础在波浪、地震等动力荷载作用下的动态液化和剪切破坏提供可靠的初始条件。     

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。     

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。     

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。     

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。     

波浪和潮波作用下黄河口快速沉积海床土非均匀固结试验研究

黄河高含沙量水体在弱潮陆相河口入海,80 %的泥沙在河口附近快速堆积。过去研究发现,黄河三角洲潮滩表层沉积物呈现非均匀固结状态。为了揭示该现象产生的机制,在黄河刁口流路三角洲叶瓣潮坪上,现场取土配置黄河口快速沉积形成的流体状堆积物,研究快速沉积的粉质海床土在波浪和潮波作用下的孔压响应及非均匀固结过程。利用静力触探、十字板剪切试验、孔隙水压力监测等原位测试手段,实时测定快速沉积的海床土强度和孔压变化过程。研究发现,快速沉积的粉质土在自重作用下的固结速度很快,正常固结完成后,强度随时间的发展依然不断增加,沿深度方向出现类似原状土体的固结非均匀现象和似超固结状态;在波浪和潮波作用下快速沉积粉质土孔压沿深度出现非均匀变化,在波浪作用下出现了超静孔压的积累。分析发现,该固结状态和强度沿深度方向非均匀变化是由于土体在潮波及潮波和波浪的联合作用下形成的;潮滩表层土体在波浪荷载长期作用下形成硬壳层。     

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。     

随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性

为了考虑随机地震荷载作用下饱和粉土的液化特性，研究了如何通过合理的地震响应分析确定饱和粉土层受到的随机地震荷载，进一步探讨了随机地震荷载作用下的动三轴试验技术，以及利用此种试验分析饱和粉土液化特性的方法。研究结果为形成判别饱和粉土层地震液化可能性的新方法提供了依据。     

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。     

波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1:16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。     

路堤荷载下塑料套管桩荷载传递机制的现场试验研究

用于公路软基处理的塑料套管桩是由预先打设在地基中的塑料套管内浇注混凝土组成的。通过在塑料套管桩身埋设钢筋应力计,完整测试了路堤填筑荷载过程及预压期内路堤荷载作用下塑料套管桩的荷载传递机制,同时提出了钢筋应力计的修正方法。试验结果表明：单桩静载下塑料套管桩身轴力沿深度逐渐减小且无负摩阻力;在路堤荷载作用下塑料套管桩桩身轴力沿深度先增大后减小,负摩阻力分布在桩长上部3/5范围内,且随着填土荷载的增加,负摩阻力和正摩阻力都逐步增加,但在监测期内负摩擦力中性点位置保持不变。     

Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围砂土渗流压力响应分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明：随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(k_s&...     

水平简谐荷载作用下层状饱和土体动力响应

根据Biot波动理论,采用传递、反射矩阵（TRM）方法研究了水平简谐荷载作用下层状饱和土动力响应问题。由Helmholtz矢量分解求出基本解,再利用TRM法推导了层状饱和土动力响应,并由数值Hankel逆变换得到层状土地基位移、应力及孔压在空间域内的解。利用计算结果与已有结果相比较,二者相吻合,验证了算法的正确性。算例分析表明,水平简谐荷载作用在有软弱夹层的层状土体中比均质土中具有更显著的动力响应,尤其是软夹层上下有硬土层时,会引起软弱夹层土体孔隙水压升高、位移幅值增大、土体波动性增强;而荷载作用硬夹层及夹层上下有软土层时,情况则相反。