波浪-流作用下饱和砂质海床响应及稳定性分析

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海洋构筑物是海洋开发不可或缺的基础条件,作为海洋构筑物地基的海床更是受到海洋荷载(包括波浪、流等)的长期作用,导致海床与陆上地基有较大差异,研究海床在海洋荷载作用下的响应和稳定性具有重要的现实意义。之前有关海床响应的研究工作主要关注的是波浪作用下的海床响应,而较少考虑洋流对海床响应的影响。实际上洋流广泛分布于大洋之中,其中许多是稳定的环流,流的速度最大可超过2 m/s,我国近海地区也分布着众多流速不等的洋流,其中包括世界第二大洋流“黑潮”。可以预见,随着海洋开发范围的扩大,海洋工程将很难完全避开有流海域,因此研究波浪-流共同作用下海床的响应和稳定性,有着重要的意义。  本文以波浪-流共同作用下海床响应为切入点,首先在忽略波面毛细影响条件下,推导了三维重力短峰波与均匀流相互作用的解析解;接着将波浪-流相互作用的解析波浪-流压力与数值海床模型相结合,形成海床响应分析数值模型,通过对比解析解和试验数据,验证了该数值模型的可靠性,并通过计算得到了孔隙水压力在液化对比分析中的定性规律;之后应用验证过的数值模型分析了波浪-流作用下二维埋管海床和分层海床的孔压等响应及稳定性;最后分析了三维重力短峰波与均匀流作用下三维自由海床的响应和液化稳定性问题。研究结果表明:  (1)无论是二维行进波还是三维短峰波,流的存在都会改变波浪特性:顺流(流的方向与波浪传播方向一致)会增大海床表面处的波浪-流压力,使波长变大而波数减小;反之,逆流(流的方向与波浪传播方向相反)会减小波浪-流压力,同时波长减小而波数增加。  (2)在利用孔隙水压力对比分析不同工况下自由海床或埋管海床的液化状态时,应采用波谷下方附近的负孔隙水压力绝对值进行对比分析,而不是波峰下方的正孔隙水压力。同一海床在不同波浪(流)荷载作用下,波谷下孔隙水压力绝对值越大,海床液化深度或可能性也越大;而波浪(流)作用于不同海床(如不同渗透系数海床)时,波谷下孔隙水压力绝对值越大,此时液化深度或液化可能性反而越小。  (3)二维埋管海床在波浪-流共同作用下,顺流使海床内孔压增加,而逆流会降低海床内孔压;流对海床内孔压的影响在浅水和短周期波浪条件下会更加明显,且随着土体的渗透系数和管线埋深的减小而增加;当设置管沟时,管沟的几何参数对管沟内孔压分布影响较小,但高渗透性管沟填料会导致管线周围孔压的上升,可有效阻止管线周围土体发生液化,达到保护管线的目的。  (4)双层海床在波浪-流共同作用下,顺流使孔压增加,逆流使孔压减小;海床内孔压随上、下层渗透系数比(k1/k2)的增加而增加,意味着海床液化可能性也随之降低;当上层海床厚度(h1)增加而下层海床厚度(h2)不变时,12k?k海床中上层海床孔压上升,有效应力却下降,说明采用低渗透性的上层海床时,其厚度增加反而会降低液化程度或者液化可能性;当h2变化而h1不变时,对于12k?k的双层海床,当下层海床厚度约为波长(L)的五分之一时,上层海床内的竖向有效应力最大,液化可能性也最大;利用高渗透性土对低渗透性海床进行稳定性加固处理,在波浪-流压力几乎不受影响时,增加上覆层法比局部替换法能更好地避免原海床的液化和剪切破坏,可用于海床保护。  (5)三维自由海床在重力短峰波-流共同作用下,相对于无流时,顺流(U1>0)会使海床内孔压和海床土应力增加,逆流(U1<0)将使海床内孔压和应力减小;液化分析表明,三维液化区域是球冠状坑,顺流不仅会增大液化面积,还会使液化深度增加,不利于海床的稳定,逆流则起到相反的作用,有利于海床稳定;作为三维波浪,短峰波入射角(θw)和流的入射角(θc)越大,引起海床内孔压也越大,同时流对于孔压的影响也越大;三维行进波-流作用下三维海床响应与相应退化后二维海床响应完全一致,说明三维行进波-流作用下的海床,可以采用二维平面应变模型进行模拟分析。
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