波浪荷载引起海床土体与桩动态响应

以Navier-Stokes方程作为波浪控制方程,并采用VOF(Volume of Fluid)法进行自由表面追踪来准确模拟海洋表面波浪运动,建立了波浪-海床-桩基动力问题的数值模型来模拟波浪对桩基和海床的作用.把海床视为多孔介质,以Biot动力理论为基础,考虑土体骨架的加速度,并用孔隙水位移的速度场(位移-孔隙水压力动态模型)来模拟海床土体动态响应的过程.在模型验证的基础上,分析了水深对桩身弯矩、水平位移的影响,以及波高和海床渗透系数对桩周孔隙水压力的影响,并且对不同渗透系数时桩周土体的液化特性进行了讨论.     

波浪作用下管线-海床模型动态响应及液化

基于Biot动力方程,利用COMSOL多物理场有限元计算软件构建了波浪-海床-管线动力响应的计算模型,模拟了一阶斯托克斯波作用下管线周围土体孔压和有效应力分布情况,对海床土体的液化情况进行判断,研究了波浪诱发海床液化及管线失稳的机理.研究过程中采用Partly dynamic动力方程(u-p模式).在Partly dynamic模型中,将海床视为多孔弹性介质,并且将孔压和位移视为场变量,考虑土体位移加速度,忽略孔隙流体惯性项的作用.模型得到验证后的参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及管线埋深、波高等参数对海床的孔压和有效应力影响显著.     

椭圆余弦波作用下考虑桩身振动的桩-土相互作用

针对海洋中浅水区域的单桩基础,建立了包含波浪、海床和单桩的三维数值模型,考虑浅水环境中椭圆余弦波与海洋风浪引起的桩身振动的共同作用,研究了桩-土耦合系统的动态响应问题.其中,波浪模型的椭圆余弦波采用Navier-Stokes方程控制,海床模型视为各向同性的多孔介质,并采用Biot方程模拟土体与孔隙水的动态响应,单桩视为可变形弹性体,并引入周期性的水平位移来模拟桩身振动.同时,在验证模型准确性的基础上,分析了椭圆余弦波作用下桩身位移、桩周的海床孔隙水压及海床液化等变化情况,并对波浪及海床的主要特性参数进行了分析.结果表明:桩身振动会导致桩顶区域的海床孔隙水压出现局部变化,并使孔隙水压沿海床深度方向的减小趋势变缓;波浪与海床的特性参数对孔隙水压的分布影响显著.     

多孔介质海床对波浪传播影响理论分析

假定海床为刚性、不透水边界的传统波浪理论难以模拟多孔介质海床对波浪传播的消能影响.基于完全动力响应模式,建立了能够考虑波浪-海床相互作用的波散方程,通过变动海床厚度、海洋土渗透系数和饱和度及波浪角频率,采用复波数解析方法,围绕量纲一参量波长比和能量衰减因子进行数值计算和参量分析,结果表明波浪在传播过程中会受到海床不同程度的消能作用,表现为波幅衰减及对应的波长变化.     

波浪作用下海床动力反应有限元数值模拟与液化分析

基于二维广义动力Biot固结理论,提出了线性波浪作用下饱和弹性多孔介质海床动力反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控制方程组可视为其特例。提出的数值模拟方法能够模拟多层非均质海床等复杂土质和地层条件,这是一般解析法难以处理的。讨论了波浪诱发海床液化机理与液化判断准则,对比计算表明驻波造成的最大液化深度往往是推进波导致液化深度的数倍。     

海洋场地Rayleigh波传播特性及其影响因素分析

为研究饱和弹性半空间中Rayleigh波在不规则海床的传播与衰减特性及其对海床的影响,结合Zienkiewicz给出的土动力学基本方程,建立了简化的不规则海底场地动力模型. 通过改变边界条件,推导了水-土接触界面为平整界面时,有无上覆海水两个退化模型的Rayleigh方程,推演出了渗透系数、孔隙率、泊松比、界面条件等因素影响下不同场地条件中Rayleigh波的频散和衰减曲线,基于复杂海床模型,分析了各因素在Rayleigh波传播时对海床的孔压、变形等参数的动力响应影响规律. 结果表明：土体参数、弹性模量、渗透系数、孔隙率,以及上覆水、水土交界面等因素均会影响海床的动力响应. 不同Rayleigh波波速对土体力学参数沿土层深度的影响范围和影响程度不同;弹性模量和泊松比是决定土体性质的重要参数,是讨论Rayleigh波传播特性和土体动力响应的先决条件,它们的改变会改变渗透系数、孔隙率等参数的影响规律;在两个简化模型中,岩石地层E=6.017×1010 Pa,泊松比为0.38的条件下,孔隙率与渗透系数对Rayleigh波传播特性曲线有规律性影响.     

波浪作用下非均质各向异性海床响应的数值模拟

波浪作用下真实海床动力响应的研究具有重要的工程意义，为此，基于Biot固结理论建立了波浪作用下海床动力响应的二维有限元数值模型，并通过试验和解析解验证了模型的合理性．针对非均质各向异性海床，通过具体的数值计算分析了土的渗透系数与剪切模量连续变化时对海床孔隙水压力与有效应力的影响．结果表明，在土体其他条件保持不变时，波浪引起的海床响应对透水性各向异性不是很敏感；而海床的非均匀性对砂质底床的孔隙水压力和有效应力的影响显著．     

高渗透性海床对波浪衰减作用的数值分析

为研究高渗透性海床对波浪衰减的影响规律,建立了波浪与粗颗粒高渗透性海床相互作用的同步耦合数学模型.波浪域采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,采用PLIC-VOF法追踪波浪自由表面,采用非线性Forchheimer方程描述高渗透性海床内孔隙流场,计算分析海床参数对波高沿程衰减的影响.结果表明:随着海床厚度、粒径、孔隙率、固有渗透率的增大,沿程波高衰减加快;但当海床厚度达到1.8倍水深后,对沿程波高衰减基本没有影响;孔隙率增大到0.65后,沿程波高衰减幅度反而减小.     

波浪荷载作用下桩周土体孔隙水压力试验研究

基于改造的圆筒试验设备,通过加载装置控制模型土体上方的波压力,实现对波浪荷载作用下的桩周土体响应试验的模拟.研究不同的波浪周期、波压力和土体相对密实度等参数对桩周土体孔隙水压力的影响;分析试验中土体孔隙水压力最大振幅值随深度的变化情况以及液化情况.结果表明:较小的波浪周期、波压力会使土体内孔隙水压力最大振幅值随深度衰减得更快;桩底附近的土体内孔隙水压力出现突然增大现象,即出现桩端孔压放大效应;波浪周期、波压力等对桩端孔压放大效应的影响较大.     

波浪荷载引起不同埋深管线周围海床响应和液化分析

为了研究波浪荷载引起海底管线周围海床的液化问题,以Biot方程的部分动力响应模型,即u-p模型为基础建立二维埋管海床数值模型,研究海底管线及其周围海床在波浪荷载作用下的动态响应问题,波浪荷载通过孔压边界施加到海床表面.在验证模型的基础上,研究埋管海床在波浪荷载作用下的响应与液化,分析不同管线埋深下海床土的孔压、竖向有效...     

非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析

海床上的沙纹对泥沙输运和波浪衰减有着重要的影响.通过数值波浪水槽研究了非线性波作用下非对称沙纹床面底层的流动特性.控制方程为雷诺时均方程和 k-ε紊流模型.入射波为椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面.通过数值模拟得到了不同波浪条件下的瞬时速度场和涡量场.计算结果表明:非线性波作用下,非对称沙纹床面两侧的涡动强度不相等,涡量值与波浪参数密切相关;波浪非线性增强,涡量值增大,最大涡量值对应的相位角减小;涡量值大小的变化与外流场速度变化不同步达到最大,随着Ursell数增大,涡量值在小相角下达到最大值.     

波浪-流作用下分层海床稳定性分析

基于Biot固结理论,结合波流相互作用理论,采用数值模型分析了分层海床在波浪-流共同作用下的响应,尤其是分层海床的液化可能性及剪切破坏深度.结果表明,顺流的存在不仅会增加液化风险,还会使剪切破坏深度增加,而采用高渗透性土作为覆盖层不仅能有效降低原海床液化风险,且能减小甚至避免原海床的剪切破坏,可用于海床保护.     

动载下砂土体孔压的累积和消散及其参数分析

基于OpenSees有限元软件平台,采用循环荷载下土体的多屈服面模型,对振动台上土体的孔压的累积和消散进行了数值模拟,并与VELACS动力离心机NO.1模型试验结果进行了对比,得到二者有较好的吻合性.进而对影响孔压的有关参数进行了敏感性分析,结果表明:土体孔压变化对饱和土体密度、流体密度、渗透系数、剪缩参数四个参数较为敏感,对剪胀参数及液化参数不敏感.饱和土壤密度、剪缩参数越大,孔压累积与消散速度越快,峰值孔压越大;流体密度越大,孔压累积与消散速度越慢,峰值孔压越小;渗透系数越大,孔压累积越慢、消散越快,峰值孔压越小.随着测点埋深增大,剪缩参数和渗透系数变化对节点峰值孔压的影响更加明显,而饱和土壤密度和流体密度则表现出相反的特点.     

波浪作用下埕岛海域粉质土海床的累积液化

给出基于一维比奥固结理论的粉质土海床波致累积液化的简化计算方法.以黄河口埕岛海域海床为例,通过动三轴试验测试粉土孔压增长状况,回归得到孔压增长参数a=0.613,b=0.185.通过计算表明,埕岛海域粉质土海床水深7～8m处,海床液化深度最大,在50a一遇的波浪荷载作用下,液化深度达到5.2m,这与该区地质灾害扰动深度和地质灾害在此水深处相对集中相对应.     

短峰波作用下饱和海床中的单桩响应分析

采用准静态三维数值分析方法直接模拟短峰波作用于海床表面与桩身的三维波压力分布,在考虑了海床土体的流固耦合和桩土界面的接触特征的基础上,研究了短峰波荷载作用下饱和砂质海床中的单桩响应问题.根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下土体的孔压变化规律、桩柱的位移和弯矩分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床和完全埋置单桩的模型结果进行比较.结果表明:泥线附近与桩端处土体的响应局部现象明显;采用桩土耦合模型时,孔压与弯矩响应相比于接触面模型有放大效应,而位移响应则正好相反.完全埋置桩在波浪作用下的响应主要受海床影响,在桩柱伸出海面的模型中,波浪荷载在桩柱上的影响起主导作用.     

波浪作用下的海床响应及其对建筑物稳定性的影响

应用动弹性固结有限元法,求解了随机波浪作用下饱和海床土体中的孔隙水压力、有效应力和位移的瞬态响应,并对海洋建筑物的稳定性进行分析。建立的有限元计算模型中采用了动弹性固结理论和线性渗流理论,海床可为具有任意边界条件的分层分块弹性多孔介质;利用简单条分法对海床和建筑物进行稳定性分析,在滑动面上考虑波浪附加应力的影响。孔隙水压力响应的理论计算结果与模型实验的量测值吻合的较好。计算表明,近海工程中考虑海床土体受到的波浪附加应力时,海床和建筑物的整体稳定安全系数将降低,降低幅度主要与海床面上的波浪压力、海床的渗透性有关。     

波浪作用下无限深海床中无限长桩横向稳态响应分析

考虑孔隙水的影响,在Biot固结理论的基础上,采用文克尔地基梁模型来模拟桩土之间的动力相互作用,得到了波浪作用下海床的响应,建立了波浪作用下桩的水平运动方程.分析了孔隙率、渗透系数、桩土刚度比、波浪圆频率等因素对桩的横向稳态响应的影响,为海洋开发、桩基检测等提供了依据.     

风浪荷载共同作用下的海洋桩基动力响应

为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.     

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.     

波流共同作用下砂质海床动力响应

摘要：
基于饱和土两相混合u-p(土骨架变形-饱和土孔隙水压力)理论,采用基于上下负荷面和各向异性的砂土液化本构模型,建立一个多孔介质弹塑性海床模型,用于分析波流共同作用下砂质海床动力响应规律.计算分析了波流共同作用下,砂质海床瞬时振荡孔隙水压力与残余孔隙水压力累积的响应规律,并获得了海床液化深度的变化规律.此外,比较了采用弹性与弹塑性砂土本构模型时,海床在波流作用下的动态响应差异. 关键词：
两相混合理论; 波流; 砂性海床; 波浪参数; 液化深度; 弹塑性本构 中图分类号： TU 443
文献标志码： A