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波浪作用下黄河三角洲粉质土海床不稳定机制研究

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摘要

随着人类活动不断向海洋拓展和各类海洋工程的大量兴建,波浪作用下的海床响应及海床地基稳定性成为亟待深入研究的问题。本文以黄河三角洲为背景,在总结和借鉴国内外已有研究成果的基础上,从室内模拟试验和数值分析两个方面入手,着力于探究波浪作用下海床响应的物理机制和能够有效描述该问题的数学模型,着重考察了高频率小波高常规波浪和极端波浪条件下粉质土海床的响应特征,探讨了海床失稳机制并给出了相应的评价方法。本文的主要工作和研究成果如下:
　　(1)提出和研制了一种方形水槽试验装置,并将其应用于波浪海床相互作用的模拟试验研究当中。试验和分析表明方形水槽试验装置能够产生比较稳定的驻波,具有占地小、价格低、操作简单等特点。驻波波腹以下海床内部仅有附加循环正应力,波节以下海床仅有附加循环剪应力,行进波作用下海床内部一点应力状态可以分解为驻波作用下波腹和波节之下海床内部一点应力状态之和。方形水槽试验装置为区分和考察波浪导致的海床内部正应力、切应力两种附加应力对振荡和累积孔隙水压力的贡献机制发挥了独特作用。
　　(2)通过水槽试验,发现驻波波节处发生海床流化现象并伴随有明显的孔隙水压力累积;波腹处海床无不稳定现象仅伴随有振荡孔隙水压力。分析表明,波浪导致的海床内部附加正应力引起可恢复的弹性体变,对应于振荡孔隙水压力;波浪导致的附加剪应力引起的弹性体变对应于振荡孔隙水压力,同时产生的不可恢复塑性体变则是产生孔隙水压力累积的决定性因素。高频率小波高常规波浪作用下,粉质土海床不能发生液化,试验中观察到的流化现象其本质是一种剪切破坏,应采用稳态强度指标进行稳定性判别。
　　(3)根据波浪荷载的特性以及波浪导致海床内附加应力对于两种孔隙水压力的贡献机制,引入饱和土动力固结有限元软件SWANDYNEⅡ和基于广义塑性理论的Pastor-zienkiewiczⅢ动力本构模型,分别建立了前进波和驻波作用下粉质土海床响应的水槽试验有限元模型。计算结果表明,有限元模型能够较好地模拟水槽试验中的试验现象和土体响应特征,土体位移变化与孔隙水压力变化相互耦合,孔隙水压力同时表现出振荡和累积升高的特征。振荡孔隙水压力幅值随海床深度增加不断减小;累积孔隙水压力绝对值随海床深度增加而增大,但其增速逐渐减小。
　　(4)以黄河三角洲埕岛海域为背景,基于现场的波浪条件、土层沉积特征和土性参数,建立了波浪作用下黄河三角洲粉质土海床的有限元模型。其中特别考虑和分析了5年、50年一遇的极端波浪条件和海床表面“硬壳层”的影响。瞬态和累积孔隙水压力都是液化分析中必须要考虑的因素,采用总超孔压准则对海床进行液化分析的结果表明:拥有表面硬层的海床更容易液化;考虑三维效应的海床更容易液化;5年一遇波浪条件下,最大液化深度为1.8m;50年一遇波浪条件下,最大液化深度在3m左右。计算得出的液化深度与已有调查发现的黄河三角洲在海地貌深度能够较好的对应,表明了动力固结理论用于波浪导致海床动力响应研究中的有效性,极端波浪导致的海床液化是影响海底地质灾害形成演进的重要因素,同时也是海洋工程设计和安全评价必须要考虑的因素。

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