波浪作用下黃河三角洲粉質(zhì)土海床不穩(wěn)定機制研究.pdf

1、隨著人類活動不斷向海洋拓展和各類海洋工程的大量興建,波浪作用下的海床響應(yīng)及海床地基穩(wěn)定性成為亟待深入研究的問題。本文以黃河三角洲為背景,在總結(jié)和借鑒國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上,從室內(nèi)模擬試驗和數(shù)值分析兩個方面入手,著力于探究波浪作用下海床響應(yīng)的物理機制和能夠有效描述該問題的數(shù)學(xué)模型,著重考察了高頻率小波高常規(guī)波浪和極端波浪條件下粉質(zhì)土海床的響應(yīng)特征,探討了海床失穩(wěn)機制并給出了相應(yīng)的評價方法。本文的主要工作和研究成果如下:
　　(1

2、)提出和研制了一種方形水槽試驗裝置,并將其應(yīng)用于波浪海床相互作用的模擬試驗研究當(dāng)中。試驗和分析表明方形水槽試驗裝置能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定的駐波,具有占地小、價格低、操作簡單等特點。駐波波腹以下海床內(nèi)部僅有附加循環(huán)正應(yīng)力,波節(jié)以下海床僅有附加循環(huán)剪應(yīng)力,行進波作用下海床內(nèi)部一點應(yīng)力狀態(tài)可以分解為駐波作用下波腹和波節(jié)之下海床內(nèi)部一點應(yīng)力狀態(tài)之和。方形水槽試驗裝置為區(qū)分和考察波浪導(dǎo)致的海床內(nèi)部正應(yīng)力、切應(yīng)力兩種附加應(yīng)力對振蕩和累積孔隙水壓力的貢獻機

3、制發(fā)揮了獨特作用。
　　(2)通過水槽試驗,發(fā)現(xiàn)駐波波節(jié)處發(fā)生海床流化現(xiàn)象并伴隨有明顯的孔隙水壓力累積;波腹處海床無不穩(wěn)定現(xiàn)象僅伴隨有振蕩孔隙水壓力。分析表明,波浪導(dǎo)致的海床內(nèi)部附加正應(yīng)力引起可恢復(fù)的彈性體變,對應(yīng)于振蕩孔隙水壓力;波浪導(dǎo)致的附加剪應(yīng)力引起的彈性體變對應(yīng)于振蕩孔隙水壓力,同時產(chǎn)生的不可恢復(fù)塑性體變則是產(chǎn)生孔隙水壓力累積的決定性因素。高頻率小波高常規(guī)波浪作用下,粉質(zhì)土海床不能發(fā)生液化,試驗中觀察到的流化現(xiàn)象其本質(zhì)是一

4、種剪切破壞,應(yīng)采用穩(wěn)態(tài)強度指標(biāo)進行穩(wěn)定性判別。
　　(3)根據(jù)波浪荷載的特性以及波浪導(dǎo)致海床內(nèi)附加應(yīng)力對于兩種孔隙水壓力的貢獻機制,引入飽和土動力固結(jié)有限元軟件SWANDYNEⅡ和基于廣義塑性理論的Pastor-zienkiewiczⅢ動力本構(gòu)模型,分別建立了前進波和駐波作用下粉質(zhì)土海床響應(yīng)的水槽試驗有限元模型。計算結(jié)果表明,有限元模型能夠較好地模擬水槽試驗中的試驗現(xiàn)象和土體響應(yīng)特征,土體位移變化與孔隙水壓力變化相互耦合,孔隙水壓

5、力同時表現(xiàn)出振蕩和累積升高的特征。振蕩孔隙水壓力幅值隨海床深度增加不斷減小;累積孔隙水壓力絕對值隨海床深度增加而增大,但其增速逐漸減小。
　　(4)以黃河三角洲埕島海域為背景,基于現(xiàn)場的波浪條件、土層沉積特征和土性參數(shù),建立了波浪作用下黃河三角洲粉質(zhì)土海床的有限元模型。其中特別考慮和分析了5年、50年一遇的極端波浪條件和海床表面“硬殼層”的影響。瞬態(tài)和累積孔隙水壓力都是液化分析中必須要考慮的因素,采用總超孔壓準(zhǔn)則對海床進行液化分析