波浪作用下海床液化的数值分析

较大的风浪会使海床发生液化,波浪引起的海床液化问题是海岸及近海工程必须要考虑的关键问题之一。当海床内部土骨架的有效应力转移给孔隙水压力进而变为零时,土体将丧失剪切强度出现液化现象。基于Biot固结理论,利用软件FLAC,分析波浪作用下海床的动力响应,可推出波浪作用下海床最大液化深度,同时也可以得出波浪作用下海床液化的过程,即孔隙水压力上升、土层液化、液化后土层下沉压缩以及孔隙水压力消散,所得结果较好地反映了波浪作用下海床液化的规律。     

波浪加速度不对称性对海床液化的影响

为研究加速度不对称波浪作用下的海床响应特征,基于Biot多孔弹性介质理论建立了波浪作用下海床响应数学模型,采用水槽实验数据对模型进行了验证。通过引入加速度不对称波浪压力边界条件的计算方法,模拟分析了波浪加速度不对称性对海床内部孔隙水压力、有效应力以及土体液化的影响。结果表明,波浪加速度不对称性会引起海床表层正向孔压幅值的显著衰减,使孔压的空间分布变得偏斜,减小了液化深度和宽度,使海床液化区域变得窄而浅。     

立波作用下海床的有效应力与液化分析

波浪作用下海床的稳定性与液化分析是海底管线、防波堤和海洋平台设计中必须仔细考虑的问题。本文推荐了一个循环荷载作用下土体的弹塑性实用本构模型，并给出了一种粉土的模型参数。该模型直接根据初始应力状态和循环应力的大小与作用时间计算土体的塑性应变增量，在有限元计算中不需要引入弹塑性矩阵。采用Biot理论和有限单元法，对海床有效应力的变化过程分析表明，波腹点下海床存在较大的液化可能性。波浪作用对海床存在一定的压密作用。     

波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析

为了探讨波浪作用下海床的液化特性与孔隙水压力发展过程，本文在海床动力响应弹性分析的基础上，将不排水条件下孔压增长模式与动力固结方程相结合，对波浪作用下海床中瞬态与残余孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析；对善功企与山崎浩之所提出的海床液化评判准则进行了修正，根据所估算的总孔隙水压力，对波浪作用下海床的液化势进行了评价。     

波浪作用下黏性土海床动力响应数值分析

波浪作用下黏性土海床的动力响应对于海洋建筑物的稳定性具有重要的影响。在大型有限元软件ABAQUS平台上进行二次开发,根据重复性原理(repeatability principle)在有限元模型中设置侧向边界条件,采用Carter等(1982)提出的改进剑桥动力本构模型模拟海床土体。首先通过与有关弹性海床在波浪荷载作用下力学响应的解析解的对比,在一定程度上验证了有限元模型的合理性。进而通过参数对比研究,探讨了波高、波浪周期、海床土体的渗透系数等因素对于弹塑性黏性土海床力学响应的影响。计算结果表明,在波高较大、周期较短、土的渗透系数较低情况下,容易导致黏性土海床丧失稳定性。     

基于分形理论的饱和土孔隙水压力计算模型

孔隙水压力是一种作用于土体孔隙间的应力,其定量分析对于探究土体的抗剪强度等力学性能有着至关重要的作用。传统的孔隙水压力计算方法忽略土体内部孔隙中流体流动及流量变化对孔隙水压力的影响,导致计算结果偏小。为修正此计算误差,基于孔隙数目-尺寸分形模型,推导出土颗粒材料孔隙度与分形维数之间的演化公式,并结合孔隙水流动方程及压力方程推导出饱和土孔隙水压力与分形维数、孔隙水压缩模量及孔隙间流量变化之间的函数关系。并使用此孔隙水压力计算公式对饱和黏土边坡进行数值分析验证公式准确性及实用性。所得公式可用于饱和土体的有效应力及抗剪强度计算修正,并可应用于饱和土体宏观-微观的多尺度液相-固相耦合渗流分析。     

直立式防波堤基底波浪渗流压力解析解

直立式防波堤的波浪荷载除了来自波浪场中的作用力外,还有海床渗流引起的波浪渗流力的作用,后者也是不容忽视的环境因素之一。本文对无限厚度可渗可压缩海床情况,给出了直立式防波堤下海床中波浪渗流压力的封闭形式的解析解,进而可以给出作用在防波堤基底上的浮托力和倾覆力矩。分析中考虑了土介质变形和孔隙水压缩性,渗流压力的控制方程为P=C_8P/t。海底面上的波浪压力采用了线性波浪理论的结果。     

奥罗维尔土坝三维排水有效应力动力分析

本文采用三维排水(考虑孔隙水压力扩散与消散)有效应力动力分析方法,研究了美国奥罗维尔(Oroville)土坝在7度地震作用下的动力反应。研究中将地震孔隙水压力与土坝的变形和团结紧密结合起来,将地震孔隙水压力引入皮奥(Blot)方程,用三维等参数有限元法求解变形和残余孔隙水压力,计算了地震动应力、动应变、加速度、残余孔隙水压力及其随时间的变化等。最后,用二维排水有效应力动力分析的结果与之比较。     

液化场地堤坝地震响应动态土工离心试验及模拟

基于动态土工离心机试验和多重剪切机构模型的有效应力分析方法,研究了不同地震强度下,液化场地堤坝的地震响应和大变形特征。动态土工离心机试验的液化场地模型,由相对密度为30%的饱和砂土构成,输入正弦波峰值分别为0.8056、1.7903和3.133m/s2。并采用有效应力分析有限元程序对堤坝的动点响应进行数值模拟,计算结果与模型试验结果相吻合。在此基础上研究了堤坝的加速度、变形以及下卧液化场地中的超孔隙水压力分布规律,分析了液化场地不同位置土层中的有效应力路径变化规律。研究得出,液化场地堤坝顶和坝趾在地震作用下会发生较大的沉降和侧向扩展,且随地震强度加大而增大。堤坝下卧浅层液化土的超孔隙应力比相对较小但其体积变形较大,坝顶的残余沉降可达1.4m,地震中堤坝底部土体同自由场地土体的有效应力路径和应力-应变特征不同。土工离心机试验结果同数值解析结果基本吻合。     

波浪荷载对SPM重力锚承载力影响的研究

为确保重力锚在工程中的安全使用,基于弹塑性增量有限元方法,分析了波浪荷载作用下重力锚周围海床动力响应规律以及重力锚水平承载力的变化规律。通过分析发现:波浪荷载作用下,锚底土体超孔隙水压力呈波动式上升,累积超孔压比最高可达０．９左右,从而使土体有效应力减小导致重力锚的水平承载力下降;且锚前沿土体塑性应变随循环周次的增加而逐渐累积是重力锚的水平承载力下降的另一主要原因。并得出随着土体弹性模量、黏聚力和内摩擦角的增大,土体累积超孔压逐渐减小;弹性模量越大,重力锚前沿土体的累积塑性应变数值也越大;然而随着黏聚力和内摩擦角的增大,重力锚前沿土体的累积塑性应变数值在减小。     

波浪引起海床土体液化的概率研究

摘要：评判海床土体能否液化大多采用有效应力法或液化势法，这些方法无法计算液化的概率，为解决这个问题，本文首先根据波浪荷载在海床内产生的循环应力比和海床土体的循环阻抗比，采用可靠性分析法，建立土体抗液化安全余量的表达式。根据一次二阶矩法，考虑波浪和土体参数的变异性，计算黄河水下三角洲埕岛海域某石油平台附近场地在6、8和10级风浪下的液化概率。风浪等级越大，抗液化安全系数越小，液化概率越大。如果该场地要求液化概率控制在5％以内，安全系数需大于1.8，可靠指标需大于1.6。然后分析了参数变异性对可靠指标的影响，得出波高比波长和土体标贯击数比粘粒含量对液化可靠指标的影响大的结论。最后研究参数之间的互相关性对液化可靠指标的影响，对可靠指标大于零的情况，忽略参数之间的互相关性会得到偏大的可靠指标，高估海床土体的抗液化性能。     

沉管隧道周围砂质海床波致液化进程研究

考虑土骨架－孔隙流体两相介质动力耦合效应，采用由Ｍａｓｉｎｇ法则构造的Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ本构模型描述土骨架的非线性滞回特性；在ＦＬＡＣ３Ｄ中将Ｂｙｒｎｅ提出的循环荷载作用下土体塑性体积应变增量公式引入到Ｂｉｏｔ动力固结方程中用以描述海床累积孔压的增长和液化进程。建立可液化海床－沉管非线性动力相互作用二维分析模型，分析结果表明:土的非线性对波浪作用下沉管－海床系统的动力响应有重要影响。沉管周围海床的渐进液化特征不同于远场，远场海床液化仅沿深度发展，呈一维特征。近场海床的液化首先发生在沉管的顶部和底部，随后液化区域沿沉管周边发展，呈明显的二维特征；埋置于海床中的沉管结构改变了海床内的初始应力状态，波浪作用下沉管和海床之间的相互作用导致近场海床产生复杂的应力路径。因此沉管周围海床的循环剪应力比Ｃｃｓｓｒ明显大于远场海床，较好地解释了沉管周围海床不同于远场的渐进液化特征。     

土工建筑物动力固结的耦合振动分析

本文从达朗贝尔原理出发,根据有效应力原理推导出饱和土体的二维动力固结方程,将其与孔隙水压力的计算结合起来,并利用有限单元法,即可对土坝(或地基)进行考虑孔隙水压力产生、扩散与消散的非线性土、水耦合振动系统的有效应力动力反应分析。本分析方法的特点是以动力固结方程为基础,将土体的振动与固结结合到一起考虑,较好地反映了土体在振动过程中的实际性态,比目前以太沙基或比奥静力固结方程为基础的静-动交替分析法更为合理。此外,比奥静力固结方程可作为动力固结方程的特例而得到。     

非饱和土孔隙压力系数研究

由于非饱和土性状主要受三个状态变量(σif—外加应力、u_w—孔隙水压力、u_w—孔隙气压力)及其历史的控制,因此,孔隙水、气压力的理沦和实验就成了研究非饱和土强度和变形特性的前提,也是验证土骨架应力应变模型的有效手段之一。本文基于吸力方程和笔者提出的广义非线性应力应变模型,根据质量守恒原理,导出了恒温不排气、不排水条件下求解孔隙压力系数的一般迭代算式。通过计算分析与试验验证表明:(1)本文的方法可以用于定量地揭示复杂应力条件下非饱和土孔隙压力的生成规律,并能实现由非饱和逐渐向饱和状态的平衡过渡,(2)非饱和土孔隙压力系数的影响因素很多,不仅与土骨架的压缩性、剪胀性、土体初始状态有关,而且还与外加压力及土体现时状态有关;(3)文中所给的四种广义非线性应力应变模型中,只有E-u-K模型能较好地模拟非饱和土孔隙压力的生成,而其它模型所预测的结果不是偏大就是偏小。     

粘性土剪切带与屈服应力的探讨

利用全自动三轴仪,对南京地区典型的粉土、粉质粘土试样进行了固结不排水剪试验,研究具有剪切带性状试样的孔隙水压力随偏应力的变化关系,分析屈服应力、孔隙水压力和土体分叉之间的关系.试验结果表明,孔隙水压力的峰值可以表征土体局部开始屈服,并出现应变局部化的状态.围压的增大会延迟土体分叉,而干密度较大时易出现剪切带.可用土体初始分叉点来确定土体的强度参数.     

动水荷载作用下粉土围坝力学响应研究

为揭示动水荷载作用下粉土围坝力学参数的变化规律,通过室内试验和数值模拟,分别研究了干湿循环及风浪影响下粉土围坝的力学响应。结果表明:原状粉土在经历2次以上干湿循环后,抗剪强度显著降低,且随干湿循环次数的增加,降低幅度逐渐减小;在周期性波浪荷载作用下,粉土围坝迎水坡产生震荡超孔隙水压力,且随时间动态累积,有效应力降低严重;孔隙水压力增大到一定值后将趋于稳定,孔压稳定时间随波浪周期的增大而增大。该结论的得出为天然粉土坝坡的短期和长期稳定性评价、揭示粉土围坝滑坡机理以及建立坝坡坍塌预测模型奠定了理论基础。     

波浪引起海床土体液化的概率研究

首先根据波浪荷载在海床内产生的循环应力比和海床土体的循环阻抗比,采用可靠性分析法,建立土体抗液化安全余量的表达式。根据一次二阶矩法,考虑波浪和土体参数的变异性,计算了黄河口水下三角洲埕岛海域某石油平台附近场地在6、8和10级风浪下的液化概率。风浪等级越大,抗液化安全系数越小,液化概率越大。如果该场地要求液化概率控制在5％以内,安全系数需大于1.8,可靠指标需大于1.6。然后分析了参数变异性对可靠指标的影响,得出波高比波长和土体标贯击数比黏粒含量对液化可靠指标的影响大的结论。最后研究了参数之间的互相关性对液化可靠指标的影响,对可靠指标大于零的情况,忽略参数之间的互相关性会得到偏大的可靠指标,高估海床土体的抗液化性能。     

饱和土不排水柱孔扩张计算的通用半解析解

基于修正剑桥模型建立的不排水柱孔扩张解答仅适用于正常固结和弱超固结饱和黏土,不适用于严重超固结土和颗粒材料。采用统一状态参数模型（CASM）和Rowe剪胀方程推导土的弹塑性应力应变关系,结合大应变理论并引入辅助变量,用拉格朗日分析法推导了弹塑性土体有效应力和超孔隙水压力的相似解,在此基础上结合弹塑性区的边界条件,最终建立通用的饱和土中不排水柱孔扩张半解析解。计算结果表明,选择合适的间距比和应力-状态参数,所得结果与修正剑桥模型结果一致,并且对严重超固结土的计算结果更加合理;通过修正参数取值,该半解析解可用于更多类别饱和土中的不排水柱孔扩张计算。     

初始主应力方向对饱和中密砂动力特性影响的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪,以相对密度为50%的饱和中密砂为研究对象,在不同初始主应力方向角的固结条件下,进行了能够模拟海洋波浪荷载作用下主应力轴连续旋转的循环耦合剪切试验。通过试验着重探讨了初始主应力方向对砂土的动强度、孔隙水压力增长特性和残余应变发展的影响,并建立了孔隙水压力和残余应变随相对有效广义偏应力比的增长模式。试验研究表明:在振动过程中主应力轴连续旋转的条件下,初始主应力方向对砂土的动强度有显著的影响,当初始主应力方向角从0°增大到90°,土体的动强度降低可达30%左右。     

风浪作用下的库岸动力响应试验

利用波浪水槽试验,对风浪作用下库岸的表面波压力和介质孔隙水压力响应进行了研究。试验中观测了在不同波高、周期、水深、坡比和介质等条件下的库岸动力响应。试验结果分析表明：糙率和渗透系数对表面波压力影响较大,介质孔隙水压力与波陡、沿程相对位置、渗透系数密切相关,孔隙水压力响应随着深度增加存在幅值衰减和相位滞后现象。