波浪作用下海床累积孔隙水压力响应与液化分析

论文摘要

本文着重研究了波浪引起的海床中的孔隙水压力响应,讨论了由于孔隙水压力的累积引起的液化问题。首先,运用数学物理方法求解Terzaghi固结方程,研究成层海床的孔隙水压力扩散和消散规律,对含夹层土体的固结计算提出了较精确的方法。通过算例分析,得到了含夹层土体中孔隙水压力的空间变化规律和土体变形发展过程中固结度随时间的增长过程。进一步地进行变动参数研究,发现夹层土的渗透性、压缩性以及厚度对含夹层土体的固结有很大影响,工程中常用的平均固结系数法不能真实地反映夹层土的渗透性和压缩性的影响。在此基础上,结合选定的孔隙水压力发展模式,运用含有孔隙水压力源项的Terzaghi固结方程,分析了成层海床在波浪作用下的残余孔隙水压力响应,运用格林函数法求解控制方程,得出了海床在波浪作用下残余孔隙水压力的发展规律,并进行液化评判。通过算例分析发现,成层海床内孔隙水压力累积曲线与均质海床情况有很大差别,表面低渗透性土层的存在很大程度地限制了孔隙水压力消散。海床表层土体的物理参数对于整个海床的抗液化性能有很大影响,置换法是有效的防止液化的途径。针对两层粘性流体,建立了粘性界面波模型,模拟在一定厚度的海床发生液化时形成的“水-液化海床-未液化海床”复杂体系。讨论了无粘性界面波模型中存在的不足,认为推导过程中如果考虑流体界面上的切向速度连续条件,则会出现方程无定解的问题。并且鉴于试验中液化砂土表现出较大的粘滞性,将海水和液化后砂土都看作粘性流体,采用层流Navier-Stokes方程来描述两层流体体系的运动。结合物质守恒方程得到问题的控制方程,考虑底部和自由表面的边界条件及层间连续条件,确定定解问题,求解得出“海水-液化流体-未液化海床体系”的波高、波数、流体深度、流体压力、界面波幅值之间的关系。为了考虑液化的渐进性,运用所建立的粘性界面波模型,根据解析解计算特定时刻的海床不同深度处的剪应力,结合Terzaghi固结理论,以某一时刻液化面为动边界,得到定解问题。以差分法为基础编制计算程序,进行变动参数研究,讨论土质参数和波浪参数对液化过程和最终液化深度的影响。计算表明无粘性界面波模型会高估液化的最大深度,根据海床初始表面处的波压力P0保持不变的假定反推得出波高增加,这一结果违反了能量守恒定律。论文提出波高保持不变,采用粘性界面波模型,进行算例分析。计算结果表明液化土的粘性对液化过程有很大影响,液化土的粘滞系数越大,最终液化深度越小,而且孔隙水压力发展模式中的特征参数对液化过程和液化深度有很大影响。海床中波浪引起的剪应力数值对孔隙水压力的产生具有直接影响,论文比较了剪应力的有限厚解答和无限厚解答对液化模拟的影响,分析发现采取无限厚解答计算有限厚度海床中的剪应力,将低估海床的液化深度。对液化的判别准则进行了讨论,认为目前部分文献中采用的液化判别准则是错误的,并分析了土体单元的有效应力和孔隙水压力变化,得出了液化判别准则的正确形式。文中还探讨了建立能够准确地反映波浪荷载特点的孔隙水压力发展模式的方法,以及在研究液化的模型试验中选择试验荷载时需要注意的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 弹性自由场海床响应
• 1.2.2 塑性自由场海床响应
• 1.2.3 海洋建筑物周边海床响应
• 1.2.4 海洋建筑物地基响应
• 1.2.5 现场观测与模型试验
• 1.3 论文研究目的和主要内容
• 2 成层海床残余孔隙水压力响应简化分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 成层土体一维固结分析
• 2.2.1 Terzaghi一维固结理论
• 2.2.2 成层土体定解问题及其求解
• 2.2.3 算例分析
• 2.3 波浪作用下成层海床孔隙水压力响应分析
• 2.3.1 控制方程与定解问题
• 2.3.2 不排水条件下孔隙水压力增长模式
• 2.3.3 齐次初边值条件下问题的Green函数
• 2.3.4 定解问题的一般解
• 2.3.5 算例分析
• 2.4 小结
• 3 弹塑性海床液化分析中的界面波模型
• 3.1 引言
• 3.2 两层流体体系
• 3.3 无粘性流体界面波模型
• 3.4 粘性流体界面波模型
• 4 粘性界面波模型在海床渐进液化分析中的应用
• 4.1 海床渐进液化边值问题
• 4.2 无限厚海床中的循环剪应力
• 4.3 有限厚海床中的循环剪应力
• 4.4 控制方程数值求解
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 与Sassa解法的比较
• 4.5.2 粘性效应和剪应力的影响
• 4.5.3 孔隙水压力发展模型中的参数影响
• 4.5.4 波浪要素和土质参数的影响
• 4.5.5 孔隙水压力时程曲线
• 4.6 小结
• 5 波浪荷载作用下海床液化分析中的关键问题研究
• 5.1 引言
• 5.2 液化判别标准
• 5.3 孔隙水压力发展模式
• 5.4 试验荷载选择
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢