波浪作用下黃河三角洲粉質土海床不穩(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,在總結和借鑒國內外已有研究成果的基礎上,從室內模擬試驗和數值分析兩個方面入手,著力于探究波浪作用下海床響應的物理機制和能夠有效描述該問題的數學模型,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土海床的響應特征,探討了海床失穩(wěn)機制并給出了相應的評價方法。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,并將其應用于波浪海床相互作用的模擬試驗研究當中。試驗和分析表明方形水槽試驗裝置能夠產生比較穩(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部僅有附加循環(huán)正應力,波節(jié)以下海床僅有附加循環(huán)剪應力,行進波作用下海床內部一點應力狀態(tài)可以分解為駐波作用下波腹和波節(jié)之下海床內部一點應力狀態(tài)之和。方形水槽試驗裝置為區(qū)分和考察波浪導致的海床內部正應力、切應力兩種附加應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,波浪導致的海床內部附加正應力引起可恢復的彈性體變,對應于振蕩孔隙水壓力;波浪導致的附加剪應力引起的彈性體變對應于振蕩孔隙水壓力,同時產生的不可恢復塑性體變則是產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)象其本質是一

4、種剪切破壞,應采用穩(wěn)態(tài)強度指標進行穩(wěn)定性判別。
　　(3)根據波浪荷載的特性以及波浪導致海床內附加應力對于兩種孔隙水壓力的貢獻機制,引入飽和土動力固結有限元軟件SWANDYNEⅡ和基于廣義塑性理論的Pastor-zienkiewiczⅢ動力本構模型,分別建立了前進波和駐波作用下粉質土海床響應的水槽試驗有限元模型。計算結果表明,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,建立了波浪作用下黃河三角洲粉質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,采用總超孔壓準則對海床進行液化分析