波浪对海床作用的试验研究

采用波浪水槽模型试验的方法,研究波浪荷载作用下砂质和粉质海床的孔压响应问题。研究发现:与波浪理论的计算值相比,模型海床表面的动水压力测试值受填充样的影响;波浪荷载作用下,对于砂质海床,其内部超静孔压不会出现累积,而粉质海床孔压累积现象非常明显。结合试验数据,利用信号分析的方法,将不同的超静孔隙水压力增长模式分为3种,探讨波浪荷载作用下粉质海床的孔压发展机理。对土工布加固粉质海床进行模拟试验,结果表明:土工布可以显著地降低波浪荷载引起的粉质海床的超静孔隙水压力累积,起到防止海床液化的作用。     

地震荷载作用下海底管线的动力反应分析

 地震荷载作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而在目前的海床动力响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线的相互作用效应,同时也没有考虑地震荷载作用下海床边界的等效处理。为此,基于Biot动力固结理论建立海床–管线相互作用的计算模型,以大型有限元软件ADINA为平台对El Centro地震波作用下的海底管线的动力响应以及管线周围土体的孔隙水压力变化规律进行分析,讨论不同的管线半径、管线壁厚和土性参数对计算结果的影响。在数值计算过程中引入黏弹性人工边界,有效地模拟散射波由有限域到无限域的传播,较为实际地反映在地震波作用下海底管线的动力响应问题。     

波浪作用下层状海床孔隙水压力响应的计算方法

采用Biot动力理论研究波浪荷载作用下层状海床孔隙水压力动力响应问题。土体位移和孔隙水压力采用2个标量势和一个矢量势表示。利用Fourier变换将Biot动力方程解耦成势函数表示的Helmholtz方程。利用边界条件及层状土层间连续条件,推导出传递、透射矩阵(TRM),进而得到位移、孔压、应力在变换域内的基本解,利用Fourier逆变换得到时域内的结果。给出了具体算例分析波浪和土层性状对孔隙水压力响应值的影响。     

驻波作用下粉土海床累积液化机制分析

波浪被防波堤或岸壁反射时形成驻波,使其前面的水域发生强烈振荡,海床发生液化,可能导致结构物失稳破坏。以黄河三角洲粉土海床为研究对象,进行一系列驻波水槽试验,研究驻波作用下波腹剖面土体累积液化机制,在此基础上,采用数值模型进一步研究驻波作用下波浪参数(水深、波陡)和土体参数(饱和度)对海床累积液化的影响规律。结果表明:驻波作用下海床累积液化的发生与循环应力水平有关,当循环应力比χ达到累积液化所需的临界值χ_(cr)时,发生累积液化,深层土体累积液化所需的χ_(cr)大于浅层土体。波腹剖面土体液化所需的χcr远大于波节剖面,发生初始液化所需的时间大于波节剖面,液化深度小于波节剖面。波腹剖面土体累积液化是由波节及相邻位置向波腹剖面传递的超孔隙水压力P_(res1),和波腹剖面土体受循环正应力影响发生静压屈服引起的超孔隙水压力P_(res2)两部分共同作用所致。本试验中,在深度z=-0.05 m,波浪作用时间t≈600 s时,前者贡献比α1≈54.3%,后者α2≈45.7%。波节和波腹剖面土体累积孔隙水压力沿深度分布模式有差异,随水深减小,波陡增加,饱和度减小,海床液化深度在波节和波腹剖面均增大。     

地震荷载作用下海底管线周围砂质海床 的稳定性分析

地震荷载作用下海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.建立地震荷载作用下海底管线周围砂质海床液化问题的有限元模型,利用先进的土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪,将在不排水循环扭剪试验条件下得到的孔隙水压力增长模式作为考虑地震循环作用所引起的孔隙水压力源项引入到二维动力固结方程中,基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到地震荷载作用下砂质海床中累积孔隙水压力的发展过程与变化规律.通过变动参数计算研究砂质海床土性参数和管线几何尺寸对由地震所引起的管线周围海床中累积孔隙水压力分布的影响,进一步对管线周围砂质海床的液化势进行评判.通过计算分析发现,土的渗透系数对由地震所引起的管线周围砂质海床中的累积孔隙水压力比具有显著影响,而管线半径只影响管线周围海床的累积孔隙水压力比分布,在离开管线一定距离之外,其影响可以忽略.     

超大型浮式结构基于频域法的流体弹性分析

浮舟式超大型浮式结构(VLFS)是一种漂浮于海面上的巨型工作平台,其具有表面积大、吃水较浅的特点。在波浪荷载作用下VLFS处于弹性工作状态,这种波浪与结构间的流固耦合作用被称流体弹性。为了评估波浪荷载下VLFS运动及应力状态,需要在设计过程中对其进行流体弹性分析。基于频域方法给出了包括铰接式和任意外形在内的VLFS的相关流体弹性分析公式,并且讨论了连接方式及平面形状对减小VLFS动力响应的影响。同时也研究了海床倾斜情况与结构动力响应间的关系。     

波浪作用下黄河口多层粉质土海床动力响应特征差异性分析

以黄河水下三角洲埕岛海域5种典型层序粉质土海床为模型,以Biot理论为基础,采用有限差分法计算10m深度内海床土应力场、位移场和超静孔隙水压力场分布,并与实际观测结果进行对比。研究揭示在波浪荷载作用下,多层海床土位移、孔隙水压力除在表层粉质土中出现1个极大值点外,在下覆软弱层中还将出现第2个极大值点,而应力在界面位置将急剧减小。表层粉质土中出现的第1个极值是引发小规模浅表地质灾害的动力学因素,而大规模地质灾害的发生和下覆软弱层中第2个极值直接相关。海床土沉积层序对土层稳定性影响大,其中“上硬下软”的沉积结构最不稳定,在强浪作用下容易发生大规模地质灾害。     

黄河口粉质土海床液化过程的现场试验研究

在黄河口海床若干深度处埋设孔压探头,海床表面利用活塞施加水压循环荷载以模拟波浪荷载,观测土体内孔隙水压力变化过程,研究黄河口原状和重塑粉质土在波浪循环荷载作用下的液化特征。通过研究发现,原状土和重塑土的孔压激发曲线模式不同,原状土孔压经历四个阶段,即先上升、后下降、再上升和剧烈波动;而重塑土孔压只有上升和剧烈波动两个阶段,这两种模式与循环荷载作用下粉土的微结构变化有关。分析波浪荷载的特点,将孔压出现剧烈波动的时刻作为完全液化的标志。土体液化与固结程度有关,固结程度越大,越不易液化。实际波浪荷载作用下,土体液化时间比文中试验测得的要短。     

波浪荷载下海底单桩与土共同作用的数值分析

采用三维数值分析方法研究了波浪荷载作用下饱和海床与埋入单桩的相互作用特性,考虑了海床饱和土体的流固耦合和桩土界面的接触特征,并采用准静态方法模拟短峰波作用于海床的三维波压力分布与变化特征。根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下海床土体内的孔压和应力变化规律、海底单桩的变形和内力分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床的结果进行比较。结果表明桩端附近土体的孔压出现局部放大现象,桩身水平位移主要受土体位移影响。采用桩土耦合模型将夸大土体内的附加应力和孔压变化,且桩身内力和桩底的应力集中现象也更为明显。     

孔隙水-力耦合作用下高速铁路轨道-路基结构动力响应分析

以某段高速铁路实际运营情况下轨道路基结构为工程背景,建立孔隙水-力耦合有限元模型,计算移动列车荷载作用下高速铁路路基动力响应,进而分析上部列车移动荷载作用下路基内孔隙水对轨道-路基结构动力响应的影响。研究结果表明,在孔隙水渗流和移动列车荷载的耦合作用下,基床表面以下应力分布较均匀,而基床表面以上的支撑层和钢轨承受较大应力;移动列车荷载在钢轨表面加载位置处存在应力扩散,钢轨表面中点位移变化及基床表面中点应力变化存在明显的锯齿状分布;路基内孔隙水头及列车行驶速度均会对路基动力响应产生影响,即路基动力响应主要受孔隙水头和列车行驶速度控制。     

动主应力旋转下砂土孔隙水压力发展及海床稳定性判断

海洋波浪荷载可以简化为连续行进的无限长简谐荷载，它在海床内土体中引起的动应力的特点是动应力幅恒定，动主应力方向连续旋转。本文介绍用双向振动的动力扭剪仪实现这种加载方式的试验结果，着重研究这种加载条件下土样中孔隙水压力的发展规律。通过对系统试验资料的回归分析，将孔隙水压力表示为振动次数的函数或者是广义剪应变的函数。最后通过算例说明利用孔隙水压力公式判断海床土体在波浪荷载作用下发生破坏的可能性，并用常规动扭剪试验资料作对比，说明不考虑动主应力旋转可能带来的差别。     

波浪-海床-结构物相互作用离心模型试验及数值模拟

针对波浪-海床-结构物相互作用这一海洋结构物设计中需考虑的重要问题,采用离心模型试验及数值分析模型两种手段进行研究。离心模型试验采用浙江大学自行研制的超重力造波试验装置及ZJU400土工离心机完成,观测到波浪作用下砂质海床内部孔压累积的渐进特性;所采用的数值分析模型基于Biot固结理论,结合可准确描述砂土液化前后力学行为的“交变移动”土体本构模型,可对波浪作用下海床与结构物相互作用及液化现象进行合理模拟。通过与离心模型试验的对比验证该数值模型的有效性,随后利用该模型针对海底埋置管道这一近海区域常见的海工结构物周围土体在波浪作用下的动力响应进行详细分析。结果表明：海底管道的存在会加快管顶及管侧的超静孔隙水压力累积,管道周围土体的弱化及超静孔隙水压力累积导致的额外上浮力两者的耦合作用是海底管道发生上浮的主要原因。     

波浪作用下海床土体强度非均匀化数值分析

波浪在传播的过程中,产生的附加应力会使海床土体强度沿深度产生非均匀性变化。利用Biot固结理论,分析了波浪作用下海床土体的体积应变随深度分布情况,在此过程中考虑了土体的渗透系数、剪切模量、海床厚度、波浪周期和水深对海床土体的体积应变的影响。分析结果表明:对于无限厚度的粉质海床,波浪作用下在0.12个波长深度处有强度硬层存在;当沉积物的厚度小于0.5个波长时,波浪引起的强度硬层位于海床表面,当沉积物的厚度大于0.5个波长时,波浪引起的强度硬层所处的深度随着海床厚度的增加而增加;波浪引起的土体强度随着土体的剪切模量、水深、波浪周期及其渗透系数的影响在深度上呈现明显的非均匀变化。     

随机地震荷载作用下黄土的液化特性

 以场地未来50 a超越概率10%的地震波作为输入激振波,对取自宁夏南部西吉县夏家大路喜家湾滑坡后壁的黄土开展动三轴试验,研究随机地震荷载作用下黄土中孔隙水压力的增长基本特性、影响效应及孔隙水压力增长规律。由试验结果可知,在随机地震荷载作用下,孔隙水压力对输入动荷载的响应具有明显的滞后性,其增长主要集中在地震荷载的有效持时范围内。输入地震荷载的幅值、有效持时以及固结压力对黄土的液化特性有较大的影响,幅值较大、持时较长、固结压力较小时,更有利于孔隙水压力的发展。由于孔隙水压力的增长是源于孔隙的压缩引起的,因此,可以将孔隙水压力比表示为残余应变的函数,据此,可得地震荷载作用下,黄土不同变形情况时孔隙水压力的发展水平及液化程度。     

State-space solution of seabed–geotextile systems subjected to cyclic wave loadings

Analytical solutions for dynamic responses of seabed–geotextile systems subjected to cyclic wave loadings are presented in this paper, which contains the solutions of the transient and harmonic responses. The theory is based on the Biot consolidation equations in which the pore fluid as well as the soil skeleton is considered compressible and the flow in the porous seabed is assumed governed by Darcy's law. The present analysis is completely based on the state-space formulations, which is very effective for laminated systems analysis. Together with Laplace–Fourier transform techniques, state-space methods are used to solve the governing equations. Responses of seabed–geotextile systems can be calculated by using the matrix theory, boundary conditions and inverting integral transform. As illustrative examples, laboratory experiments, which conducted at the Oregon State University Wave Research Facility in USA by McDougal [1981. Ocean wave–soil–geotextile interaction. Ph.D. Dissertation, Oregon State University], are analysed. It is shown that the numerical results are in good agreement with those obtained from laboratory experiments, and the distinction between the transient and harmonic response should be taken into account for design of marine geosynthetic systems. Under the transient condition, the seabed is apt to liquefy. Seabed stability may be increased by placing geotextile beneath an armour layer. The numerical evaluations of the solution in the seabed–geotextile systems can be easily achieved with high efficiency and accuracy.     

海床砂土应力分析及动态强度特性

探讨了海床土壤与陆上土壤应力状态的差异,在三轴试验中利用反水压力作为静水压力以模拟原海床水深,回复海床土壤在原海域环境中的应力状态,并探讨水深对海床砂土动态强度的影响。另外,探讨了海床砂土受到长、短波浪周期作用时,其动态强度特性。研究结果显示,水深越大,海床砂土的液化阻抗强度越低;海床土壤在长周期的波浪作用下,有较高的液化阻抗强度,同时引起海床砂土液化有一最低的门坎值。     

软土地层中越江盾构隧道的地震响应分析

在有效应力动力分析方法的基础上,采用等效线性化方法的动力计算模型,研究了在7度地震下隧道-土体体系的地震反应.计算中采用唐山地震波作为水平输入的地震波,得到隧道周围土层的反应加速度、动孔压比、动剪应力比等地震反应,并估算了地基土的震陷值,为工程的抗震措施提供必要的参考依据.