波浪作用下黄河水下三角洲粉质土体海床响应研究

论文摘要

本学位论文以山东省自然科学基金项目“波浪导致的黄河三角洲海床地形变化及对海底管线稳定性的影响”为依托,旨在对黄河水下三角洲粉土海床在波浪作用下的演化、液化破坏、强度变化等展开研究,并进一步提出了确定海底滑动面的简便方法。波浪荷载作用下海床的动力响应和液化特性一直是海洋工程设施设计与建设中的关键技术问题。波浪在海床表面传播时所产生的波压力和剪应力会引起海床内部孔隙水压力和有效应力的变化,从而导致海床液化甚至是失稳破坏,造成巨大的生命和财产损失。粉土在在河口三角洲地区分布广泛,是介于砂土与粘土之间的一种土,在波浪等动荷载的作用下动力学行为比较复杂。因此本文将波浪作用下黄河水下三角洲粉土海床的响应作为研究课题。本文的研究工作主要包括：(1)粉土海床对波浪荷载动力响应的室内水槽模型试验研究,包括波浪作用下海床形态演化、孔隙水压力变化、海床土体物质运移情况以及土体强度变化。(2)粉土海床对波浪荷载动力响应的室内动三轴试验研究,包括不同条件下粉土的孔压发展变化以及液化破坏时间,以及土体动应力应变关系。(3)粉土海床对波浪荷载动力响应的数值计算分析,主要分析波浪作用初始时的弹性阶段,包括有效应力、孔隙水压力以及剪应力应变的分布变化情况。通过研究,主要得出以下结论：(1)粉土海床在承受波浪荷载时,表层土体迅速液化形成一层随波浪作用来回运动的振荡层,此振荡层的范围不断扩大直至稳定状态,与下部的稳定土层之间形成一条明显的滑动面。波浪作用过程中,原本均一的海床土体产生分异,土颗粒在波浪导致的渗流力和剪应力的共同作用下从原来的位置上脱离并重新排列,滑动面处的土颗粒错动较为剧烈,在这个过程中,土颗粒选择了最稳定的位置安顿下来因此形成了这个区域土颗粒的最优化排列,同时,良好的排水条件加速了这一部分土的固结,因此在波浪作用之后滑动面附近形成了一层连结紧密、级配良好、贯入强度高的硬层。停止波浪作用之后再次施加相同的波浪荷载,滑动面的位置会下移,多次波浪作用之后,滑动面位置稳定。上述现象可以解释实际黄河口地区硬壳层的形成过程及易移动的特性。(2)通过动三轴试验可得知大波高、长周期的波浪荷载更容易引起海床土体内部的孔压积累继而发生液化破坏,而在相同的波浪荷载作用下,浅层的粉土先液化,深层的粉土后液化。动荷载作用下粉土的动应力应变本构关系符合等效粘弹性模型理论,经过数据拟合,得出了形式简便的Gd=G(γd)和λd=λ(γd)拟合公式,由于条件所限本文的数值计算中没有考虑粉土动本构模型的非线性和滞后性,但本文所得的拟合公式可为今后的黄河三角洲粉土动力响应研究提供一定的参考。(3)通过数值计算可得,孔隙水压力随着波浪荷载作用时间的增加从海床表面传播到海床深处,而有效应力会随波浪作用而快速增长并且自下而上逐渐发展,但是表层土体却一直处于液化状态,这证实了波浪荷载对上部土体有弱化作用,对下部土体有压密作用,与水槽模型试验中所得到的土体贯入强度是一致的。波节处孔隙水压力和波致剪应力均出现极值,说明波节处土体的液化可能性最大。土体最大剪应力连线的形状与实际观测到的土体滑动面形状类似,并且位置高度吻合,因此数值计算的结果可以为预测波浪作用下海床土体滑动面位置提供参照。本文从水槽模型试验、动三轴试验、数值模拟试验三种方法研究波浪作用下黄河水下三角洲粉土海床的响应问题,得出了些许新发现和新结论。本文的研究方法和技术路线都有创新之处：三种方法互相验证,互相补充,较为全面的研究了粉土海床对波浪的响应过程；数值计算中利用ADINA将行波动荷载,处理成逐步施加的静荷载,研究波浪作用初期海床弹性阶段的瞬时响应行为,得出了与水槽试验一致的现象,这种处理方法也是前人没有尝试过的。本论文的研究成果对预测粉土海床在波浪作用下的演化过程以及海床地基中滑动面的位置具有工程实践意义,丰富了粉土海床对波浪动力响应的试验研究,提出了许多新问题、新推测,对今后的进一步研究有促进作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 波浪作用下海床响应研究现状
• 1.2.1 海床动力响应的理论模型
• 1.2.2 海床动力响应的室内模拟实验
• 1.2.3 黄河三角洲海床稳定性研究现状
• 1.2.4 粉土动力特性研究现状
• 1.3 海床对波浪响应研究的发展方向
• 1.4 本文研究工作
• 1.4.1 研究思路与内容方法
• 1.4.2 取得的重要研究成果
• 2. 波浪作用下粉土海床响应室内水槽试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验装置、材料和方法
• 2.2.1 试验装置和材料
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 滑动面演化
• 2.3.1 试验现象
• 2.3.2 实验分析
• 2.4 孔隙水压力变化
• 2.4.1 积累孔隙水压力变化
• 2.4.2 瞬态空隙水压力变化
• 2.4.3 孔隙水压力数据分析
• 2.5 水中悬浮颗粒的浊度变化
• 2.6 土体物质组成变化
• 2.6.1 波浪作用后分层海床土体颗粒组成
• 2.6.2 波浪作用后海床土体横剖面颗粒组成
• 2.7 海床土体的强度变化
• 2.7.1 波浪作用后海床土体强度变化
• 2.7.2 波浪作用后硬层分布图
• 2.8 模型实验分析
• 2.9 小结
• 3. 黄河口粉土动力响应特性的动三轴试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验装置及土样制备
• 3.2.1 动三轴仪器设备介绍
• 3.2.2 土样制备方法
• 3.2.3 试验方法
• 3.3 动三轴模拟波浪荷载作用下粉土孔压响应
• 3.3.1 不同埋深的海床粉土的孔压响应
• 3.3.2 不同波高的粉土海床孔压响应
• 3.3.3 不同周期的粉土海床孔压响应
• 3.3.4 试验液化深度与模型计算液化深度的比较
• 3.4 粉土动模量和阻尼比试验
• 3.4.1 等效粘弹性模型介绍
• 3.4.2 试验结果与分析
• 3.5 小结
• 4 波浪作用下土体内应力分布数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 ADINA介绍
• 4.2.1 ADINA多孔介质求解公式
• 4.2.2 ADINA有限元计算流程
• 4.3 模型计算
• 4.3.1 本构关系
• 4.3.2 边界条件与荷载
• 4.3.3 网格剖分
• 4.4 ADINA有限元计算结果
• 4.4.1 孔隙水压力
• 4.4.2 波致有效应力
• 4.4.3 波致剪应力与剪应变
• 4.5 ADINA有限元计算结果与水槽试验对比分析
• 4.6 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 附表1 海床颗分数据表
• 1、S₂贯入强度数据表'>附表2 波浪作用前后S₁、S₂贯入强度数据表
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文