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.     

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.     

波浪荷载对单桩承载力影响的水槽模拟试验研究

针对浅海环境下的单桩基础,在水槽试验室中建立砂土-桩基-波浪缩尺模型,进行波浪作用下单桩静载荷试验.测试桩周海床土孔隙水压力和不同荷载作用下的桩基沉降,分析在波浪荷载下单桩和海床土相互作用机理和单桩荷载沉降曲线特性,探讨不同桩径下桩周海床土超静孔压(ps)对单桩竖向承载力的影响.结果表明:单桩的存在会增大桩周海床土ps...     

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.     

波浪作用下渗透率各向异性的海床液化分析

为探究波浪荷载作用下渗透率各向异性的海床的瞬态液化问题,分别以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和Biot多孔弹性方程作为波浪运动和海床响应的控制方程,采用LSM (LevelSet Method)法对自由表面进行追踪,以保证波浪运动模拟的准确性,并建立了波浪-海床相互作用的二维耦合数值模型.在验证数值模型合理性的基础上,进一步分析了波浪参数、海床土体的饱和度和渗透性对海床瞬态液化的影响.结果表明:波浪参数和海床土体饱和度对海床瞬态液化的影响显著;海床的瞬态最大液化深度随着波浪的高度、周期的增大而增加,随着海床土体饱和度的增大而减小;相比于海床土体的水平方向渗透系数,海床的瞬态最大液化深度对垂直方向渗透系数的变化更加敏感.     

波浪与地震荷载共同作用下桩的动力响应

海洋风机单桩基础会受到波浪荷载的循环作用,同时会面临地震荷载的威胁,因此,海洋单桩基础所处的环境较为复杂.然而,目前大多理论研究主要考虑波浪荷载或地震荷载作用下的桩基动力响应问题.本文采用有限元方法建立了波浪-地震-桩-海床耦合模型,数值分析方法基于Abaqus隐式动力分析.采用Morison方程模拟波浪对于桩基础的作用,海床采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩为弹性介质,地震波通过加速度的形式添加在模型底部.主要研究埋置在海床中桩的动力响应问题,如:加速度、位移、弯矩以及剪力等.结果表明:地震荷载对于海上风机单桩基础具有重要影响.在地震荷载作用下,桩的加速度以及位移响应均有一定程度的放大.土体性质以及桩的参数对于海上风机单桩基础设计至关重要.     

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.     

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．     

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.     

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.     

海岛地区管桩静压沉桩与固结数值模拟研究

利用ABAQUS有限元,对海岛地区预制混凝土管桩静压施工以及工后桩周土体固结进行数值模拟。得到静压沉桩过程中桩周土体位移的变化规律,以及沉桩施工完成后桩周土体超孔隙水压力的产生与消散规律。结果显示,静压沉桩对桩周土体产生位移与孔隙水压力。推测沉桩对土体位移的影响范围约为8倍桩径;孔隙水压力的径向影响范围约为10倍桩径,消散需要约55 d。     

考虑土体结构劣化的高原山区桩-土体系数值分析

高原山区土体常年受冻融循环作用,结构不断劣化,导致桩-土界面作用削弱,对 构筑物稳定性产生不利影响 . 本文开展室内试验结合数值模拟,构建了土体在冻融循环作用 下的结构劣化模型,建立了考虑土体结构劣化的水-热-力耦合数学模型并验证了其可靠性 . 基于此,对服役期内高原山区桩-土体系稳定性进行了数值分析 . 试验结果表明,冻融循环条 件下,土体渗透系数及孔隙比随冻融次数增加呈对数型增大,土体黏聚力随冻融次数增加呈 指数型减小,内摩擦角随冻融次数增加呈对数型增大. 服役期内,桩周土体最大冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,最大融沉位移逐年增大,桩周土体整体呈融沉趋势;桩基冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,融沉位移逐年增大,冻胀融沉增长速率不断减小,但桩基融沉位移大于 其冻胀位移. 试验结果可为高原山区桩基础设计提供技术支持与理论指导.     

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。     

海洋平台打入式桩基抗拔承载力的时效性分析

采用ABAQUS软件对海洋平台打入式桩基的抗拔承载力的时效性进行了数值模拟分析,研究了海底土体的渗透系数对桩基的超孔隙水压力消散及桩基径向有效应力的增长规律,进行了桩基上拔的模拟分析,得到桩基抗拔承载力随时间增长规律,建立了上拔荷载—位移的关系,并考虑了上拔过程中桩底负压对抗拔承载力的影响。并提出关于无纲量时间因数T和土压力系数K的抗拔承载力时效公式,并现场测试数据进行了验证。研究结果表明,渗透系数越大,超孔隙水压力消散越快,桩基的径向有效应力增加得越大,桩基的抗拔承载力增加得也越大。桩底负压虽然对桩基的抗拔承载力是有利的,但是其在桩基承载力中所占比例很小。     

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、竖向有效应力和液化范围的区别,并探讨波高、海床土渗透系数和饱和度等参数的影响.结果表明:管线埋深对周围海床土在波浪荷载作用下的响应和液化影响明显;管线的存在使得管线周围海床土的竖向有效应力出现应力集中现象;波高、海床土的渗透系数和饱和度对波浪引起管线周围海床土的响应影响明显.研究结果对海底管线在海洋环境中的安全稳定提供理论依据.     

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     

横观各向同性土中大直径桩的纵向振动分析

桩-土动力特性研究一直是桩基工程领域的重要问题,针对受纵向振动荷载下的横观各向同性土中大直径桩动力特性进行研究。基于横观各向同性材料本构方程,忽略土体径向位移,建立轴对称条件下土体的动力平衡方程,结合边界条件求解方程,得到土体的位移和剪切力表达式。根据Rayleigh-Love杆模型建立大直径桩的纵向振动平衡方程,结合边界条件求解得到大直径桩在横观各向同性土中纵向振动的解析解,随后分析了桩土参数对土体、桩顶动力响应的影响。将理论解进行退化分析,并将理论解与数值模拟解进行对比,进而验证了该理论解的正确性。     

粉喷桩施工过程对桩周土影响机理分析

通过对现有粉喷桩施工过程喷粉压力的分析,提出了粉喷桩施工过程喷粉压力对桩周土体作用的分析模型,该模型可以考虑施工过程桩周土体中超静孔隙水压力随深度变化.分析了粉喷桩施工过程的桩周土体超静孔隙水压力产生与消散规律.利用平面圆柱扩张理论分析某一深度处超静孔隙水压力,求解出粉喷桩施工对桩周土体产生塑性区半径大小的解析式.由理论计算结果与实测结果表明,桩边附近的超静孔隙水压力的理论值与实测值较为吻合,而由于假设条件与实际情况存在着一定的差异,导致理论计算结果的塑性区半径偏大.但由理论计算表明,理论公式能较好反映粉喷桩施工对桩周土体的影响规律.