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。     

驻波作用下有限厚度海床动应力路径特性研究

基于驻波作用下有限厚度海床动力响应的解析解,推导了海床内土体单元在以轴向偏差应力的一半为横坐标,剪应力为纵坐标的应力平面上的动应力路径,得出土体单元位于波节处的动应力路径为纵轴上的一条线段;位于波腹处为横轴上的一条线段;位于波节与波腹之间为非标准椭圆形。以北海区域为例对确定动应力路径的初始相位差?、轴向偏差应力幅值的一半a、剪应力幅值b 3个参数进行分析,得出在0~0.35倍海床深度范围内时,波节与波腹之间土体单元的动应力路径趋近于线段,而在0.35~1倍海床深度范围内时,动应力路径为非标准椭圆形,且初始相位差?沿相对深度的增加在-180°~-150°范围内变化。通过海床渗透系数、波浪周期、海床厚度对海床内土体单元动应力路径的影响分析可得:海床渗透系数、波浪周期的变化不会改变海床内相同位置土体单元a,b的取值,而对?的取值会有影响。当海床渗透系数不小于10-2 m/s时,海床内土体单元的动应力路径均为线段;而在不同波浪周期下,?在海床下部区域的变化范围均为-180°~-150°。当海床厚度较薄时,动应力路径在表层0~0.03倍波长范围内趋近于线段;当海床厚度在0.3~2倍波长范围内时,随着海床厚度的增加,海床表层动应力路径趋近于线段的深度范围逐渐增大。     

波浪作用下海床液化-重固结移动边界分析模型及离心模型试验验证

改进了已有的移动边界分析模型,考虑了流体黏度和有限海床深度对波浪作用下海床液化-重固结行为的影响。采用层流Navier-Stokes方程替换原模型中的势流方程,从而合理描述液化/流态化海床和外部流体形成的黏性双层流体系统;同时,在控制方程中采用了有限深度海床的波致剪应力计算模型。通过与砂土和黏土中波浪–海床相互作用离心模型试验验证了该模型的有效性。结果表明液化海床尤其是砂土海床具有较大黏度,忽略流体黏度会高估液化/流态化海床表层的运动幅值;海床深度边界显著影响海床内部波致孔压分布规律,与以往无限深度海床计算结果存在较大区别。同时,该模型能够较好反映波浪作用下海床地基重固结后硬壳层的形成机制,以及海床地基内部孔压幅值放大效应。     

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。     

宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

一种可发生旋转的吸力贯入式锚泊基础

埋入式吸力锚是利用桶形基础进行贯入海床的一种锚泊基础,其抗拔承载力主要由桶壁与土体的摩擦及兜住海床土体的自重产生,传统埋入式吸力锚沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小,故其承载力相对较小。提出一种吸力贯入旋转式锚泊基础,通过张拉锚链使左半壳体与右半壳体发生相对旋转,能兜住较大面积的海床土体,从而具有较大的抗拔承载力。     

波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

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,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;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波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。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,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明：海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^-2 m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较...     

波浪作用下弹性海床的动力反应及其影响因素分析

基于二维广义动力Biot固结理论,提出了线性或线性波浪作用下饱和弹性海床时域内动力响应的有限元数值解法,静力平衡条件和Biot固结方程组成的边值问题方程组可视为其特例,在比较算例中,数值计算得到的超静孔隙水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解十分吻合,进而通过具体数值计算分析了土体剪切模量,渗透系数和孔隙率等因素对弹性海床超静孔隙水压力和有效应力幅值的影响程度,土骨架和孔隙流体的加速度对超静孔水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布影响很小。     

考虑砂土渗透性变化的吸力锚沉贯及土塞特性研究

吸力锚负压沉贯过程中锚内部常常产生土塞现象,这将阻碍锚体的进一步沉贯,影响吸力锚在海床土体中的安装深度,最终导致吸力锚承载力的降低,本研究通过1g条件下室内模型试验研究土塞的形成机理。通过试验模拟吸力锚水下砂土中吸力沉贯过程,借助高分辨率相机记录锚体整个沉贯过程,同时利用微型孔压传感器测量锚内外负压值随沉贯深度变化情况。试验过程中发现吸力锚内部土柱在向上渗流作用下发生细颗粒迁移现象,且随着沉贯深度的增大,土塞隆起的高度逐渐增加。提出土塞的形成是由于吸力锚内部土体膨胀引起的,进而引起渗透系数的增加。本研究分析了渗透系数在锚体沉贯过程中的变化情况,并对Houlsby和Byrne提出的吸力锚砂土中沉贯吸力计算模型进行了改进,从而获得更加准确的沉贯吸力随沉贯深度变化关系理论计算方法,为吸力锚的工程设计和施工提供理论依据。     

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。     

Nonlinear standing wave-induced liquefaction in loosely deposited seabed

Wave-induced residual liquefaction in loose seabed floor brings great risk to the stability of offshore structures in extreme climates. Understanding the characteristics of wave-induced residual liquefaction due to pore pressure buildup in loose seabed is meaningful for engineers involved in the design of offshore structures. In this study, standing wave-induced residual liquefaction is investigated deeply and comprehensively adopting a validated integrated numerical model. The time history of standing wave-induced pore pressure, effective stress, shear stress, lateral pressure coefficient \(K_0,\) stress angle, and displacement of seabed surface are all quantitatively demonstrated. The variation process of progressive liquefaction, stress path, as well as the stress-strain relation also are illustrated in detail. It is shown that the integrated numerical model FSSI–CAS 2D (FSSI: fluid–structures–seabed interaction, CAS: Chinese Academy of Sciences) incorporating the PZIII soil model can effectively and precisely capture a series of nonlinear dynamic response characteristics of loose seabed floors under standing wave loading. The computational results further confirm that the wave-induced liquefaction in loose seabed soil is progressive downward, initiating at the seabed surface. In addition, it is found that two physical processes, including vertical distribution of oscillatory pore pressure and time history of stress angle possibly could be used to judge the occurrence of wave-induced residual liquefaction in loose seabeds. Furthermore, it is also found that the progressive liquefaction process is significantly affected by wave height, permeability and saturation of seabed soil.     

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。     

波浪对黄河水下三角洲浅表沉积物非均匀改造过程监测与机制研究

 黄河水下三角洲浅表沉积物的空间非均匀性导致了一些地质灾害的发生。为揭示非均匀化形成机制,在实验室模拟波浪对粉土体作用过程并实时监测土体强度、孔压和粒径组分变化。监测结果显示土性非均匀变化和强浪后期改造作用直接相关。强浪作用导致沉积物液化后,细粒物质向上迁移引起垂向非均匀变化的同时,一定深度位置还会出现强度和粒径非均匀体。在三角洲潮滩上原位模拟波浪循环荷载作用,利用电阻率测试等技术监测的土体状态变化特征进一步表明：除垂向迁移过程外,深部液化区细粒物质还会发生横向迁移;两个变化过程共同对浅表沉积物进行非均匀改造。波致超孔隙水压力急剧增大是造成物质迁移的主动力,波浪剪切作用造成的土颗粒横向位移对迁移起促进作用。研究还同时发现波浪作用过程中液化区下部始终有稳定层存在。     

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。     

波浪荷载下海床稳定性的总应力法分析

评价海床稳定性是海工建筑物设计所考虑的重要部分。基于经典弹性理论,采用半逆解法,推导了线性波浪荷载下成层弹性海床的总应力解答,在此基础上根据莫尔库仑破坏准则进行了海床剪切破坏分析,分析表明：随海床深度线性增加的土体剪切模量对应力角分布具有明显影响,特别是当海床厚度小于半倍波长时,最容易发生破坏的位置位于海床表面以下一定深度,而对于均质海床,最容易发生破坏的位置位于海床表面。软弱夹层对海床的稳定性存在影响,埋深越浅的软弱夹层越容易导致其上部土层的剪切破坏。     

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。