波浪作用下海床液化機理及分析方法研究

《波浪作用下海床液化機理及分析方法研究》是依託大連理工大學,由王忠濤擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：波浪作用下海床液化機理及分析方法研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王忠濤

項目摘要

海洋工程設施建設和使用中，波浪荷載引起的海床和海洋地基液化及失穩是亟待解決的關鍵技術問題。已有研究主要側重於室內土工試驗和液化前海床的動力回響數值分析，所建立的經驗液化評判準則缺乏模型試驗驗證，無法揭示液化機理和反映液化後海洋土體的工程特性。本項目將聯合運用一維土柱和離心模型試驗、數值計算分析等方法，以波浪作用下海洋軟土變形機制、強度變化及海床內部超孔隙水壓力增長模式為研究重點，通過在自主研發和改進的模型試驗儀器中引入先進的自動控制和數據採集系統，實現對液化前後軟土海床內超孔隙水壓力、土體強度及變形等多物理參數同步實時測量，進行相似理論分析，推導影響海床液化深度的無量綱參量，建立預測模型，發展軟土海床動力回響與液化及變形的非線性數值分析方法。探究液化機理，提供簡化經驗公式和工程圖表，對海洋軟土地基液化評價和加固設計提供建議和方案。

結題摘要

波浪荷載引起的海床和海洋地基液化及失穩是亟待解決的關鍵技術問題。本項目聯合運用室內土工試驗、離心模型實驗和數值計算分析等方法對波浪作用下海床的動力回響問題進行了研究。首先在以往成果基礎上補充了密砂在不同主應力軸方向載入條件下的剪下試驗；在具備相對完整的不同密實度，不同主應力軸方向以及不同初始條件下土工試驗數據結構的條件下，通過2類方法考慮主應力軸旋轉效應和狀態依賴性建立了彈塑性本構模型，其中提出了一個含有主應力方向的狀態參量，並將其同時引入剪脹方程和塑性模量，以此為基礎建立了砂土彈塑性本構模型；將主應力方向作為不變數引入屈服函式和塑性勢函式，修正了經典的Pastor-Zienkiewicz III彈塑性本構方程，並在Diana有限元程式中數值實施。基於臨界狀態理論對模型的修正，合理考慮了砂土初始狀態對孔隙水壓力增長模式的影響。通過與相關試驗數據的對比和分析，驗證了新建彈塑性本構模型的有效性。實驗結果和數值分析表明，主應力軸旋轉對海床動力回響影響較大，必須引起足夠的重視；離心模型實驗方面，結合研究課題對國內首台土工鼓型離心機進行了功能性拓展，包括建立完善了1g和Ng條件下的伺服電機驅動的自動灑砂裝置，改進無線數據採集系統以滿足高頻率、大快取的採集要求，改進虹吸管設計以滿足精確控制水位面要求，改進線路以滿足大功率直流伺服電機平穩運行等。在進行了完備的相似理論分析和系統驅動功率分析的基礎上，基於伺服電機驅動的控制載入系統，自主研發了造波系統，目前可生成不同頻率和不同波幅的線性推進波。與項目負責人2011年在劍橋大學研製的造波機相比，大連理工大學新建的造波機更為穩定、可靠，生成的波浪更符合波浪理論。引進T-bar、SCPT等原位強度測試儀，系統測試了新型孔隙水壓力感測器，在海洋土體變形機制研究中引入了PIV量測技術。土工離心機功能拓展及配套設備的集成為對液化前後軟土海床內超孔隙水壓力、土體強度及變形多物理參數的同步測量奠定了技術基礎；建立了同時包含波浪參數和海洋土體物理參數的改進波散方程，考慮多孔介質海床對波浪傳播影響，採用復波數解析方法，通過變動海床厚度、滲透係數、飽和程度及波浪角頻率等特徵參數，系統比較分析了考慮波浪海床相互作用時波長與傳統方法波長的差別，求解了波幅在海床消能影響下隨著傳播距離的衰減程度。研究成果為海洋軟土地基液化評價和加固設計提供了建議和方案。