波浪荷載下海床響應(yīng)的實驗研究.pdf

1、近淺海區(qū)域是一個特殊的地質(zhì)、物理和生物區(qū)域，具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟和文化價值。隨著人類對海洋開發(fā)力度的不斷增大，該區(qū)域在資源、運輸、能源、貿(mào)易、漁業(yè)和旅游行業(yè)中均起到重要作用，因而大量的海洋結(jié)構(gòu)物（如防波堤、樁基、石油平臺、管線等）在該區(qū)域不斷興起和建設(shè)。與陸地環(huán)境不同，海洋結(jié)構(gòu)物往往處在復(fù)雜的波浪荷載中，從而造成承載海洋結(jié)構(gòu)物的海床地基易發(fā)生液化現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)物在竣工后短短幾年內(nèi)功效大幅降低。因此研究海床在波浪荷載下的響應(yīng)和穩(wěn)定

2、性仍是當(dāng)前海洋土力學(xué)的首要課題之一。
　　本文首先對波浪和海床相互作用理論進行詳細介紹及數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在細砂質(zhì)海床中，海床內(nèi)孔隙水壓力在接近于海床表面處呈現(xiàn)急劇變化，即孔壓不連續(xù)現(xiàn)象，但是該現(xiàn)象目前無任何理論能提出適當(dāng)及合理的解釋。因此本文通過一維圓筒實驗對波浪荷載下的均勻土海床響應(yīng)問題進行實驗研究，在驗證理論的同時并試圖測得、分析孔壓不連續(xù)現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，本文又依次對不同類型的混配土海床（細砂中混有一定比例黏土）和成層土海床（

3、三層土海床、非均質(zhì)海床、兩層土海床）在波浪荷載下的響應(yīng)及穩(wěn)定性進行了實驗研究。研究結(jié)果表明：
　?。?）通過均勻土實驗結(jié)果與前人理論解的對比驗證了實驗數(shù)據(jù)的正確性，同時部分實驗組中測得了孔壓不連續(xù)現(xiàn)象，印證了往昔理論和本文數(shù)值計算中求得的孔壓不連續(xù)現(xiàn)象確實存在。通過分析可知海床液化是導(dǎo)致孔壓不連續(xù)現(xiàn)象發(fā)生的重要原因。實驗中同時觀測到孔隙水壓力的衰減和相位滯后現(xiàn)象，通過分析可知該現(xiàn)象是海床瞬態(tài)液化的重要原因。另外，波浪參數(shù)（波浪周期

4、、波浪高度、波浪循環(huán)次數(shù)）和海床土體參數(shù)（滲透系數(shù)、飽和度）對海床液化均有重要影響。隨著波浪周期、波浪高度、波浪循環(huán)次數(shù)的增加，海床的最大液化深度隨之增加；隨著海床滲透系數(shù)、海床飽和度的增加，海床的最大液化深度會隨之減??；
　?。?）黏土混配比例（CC）對混配土海床的孔隙水壓力響應(yīng)和液化有重要影響。當(dāng)混配土海床內(nèi)黏土混配比例增加時，波浪引起的孔隙水壓力最大振幅隨之減?。幌喾吹?，當(dāng)混配土海床內(nèi)黏土混配比例繼續(xù)增加至黏土混配比例閾值后

5、，波浪引起的孔隙水壓力最大振幅會大幅增加。另外，海床的最大液化深度將隨著黏土混配比例的增加而增加，但是當(dāng)黏土混配比例增加至黏土混配比例閾值后，海床的最大液化深度會迅速減小。最后，隨著混配黏土塑性指數(shù)的增加，黏土混配比例閾值會隨之降低。該結(jié)論將黏土塑性指數(shù)和黏土混配比例聯(lián)系起來，即無論在何種波浪條件下，這兩個指標(biāo)將決定混配土海床的液化情況；
　?。?）通過成層土海床的參數(shù)分析可知，隨著波浪周期和波浪高度的增加，成層土海床內(nèi)孔隙水壓力

6、最大振幅值也會隨之增加。另外，通過對成層土海床的液化分析可知：第一，當(dāng)三層土海床中粗砂在上時，其抗液化性更強；第二，海床的最大液化深度會隨著海床滲透系數(shù)的減小而增加，即密實海床的抗液化性更差；第三，當(dāng)海床內(nèi)替換一定厚度的液化防護層后，海床表面附近的孔隙水壓力值會有較大增加，這將導(dǎo)致超孔隙水壓力減小，從而大大降低海床液化現(xiàn)象。以本研究為例，當(dāng)替換的液化防護層厚度為0.1 m時，可以降低約56％的海床液化；而當(dāng)替換的液化防護層厚度達到0.2

7、 m時，海床完全不發(fā)生液化現(xiàn)象；
　?。?）無論在均勻土實驗、混配土實驗或成層土實驗中，均發(fā)現(xiàn)海床土體會隨著波浪荷載的施加而出現(xiàn)沉降的新現(xiàn)象。海床液化和海床相對密度的變化共同導(dǎo)致海床沉降現(xiàn)象的發(fā)生。海床液化過程和海床沉降現(xiàn)象是相互聯(lián)系的，即海床液化導(dǎo)致海床沉降的發(fā)生，而海床沉降的發(fā)生又加劇了海床液化過程。此外，波浪周期的增加、波浪高度的增加或海床飽和度的減小均會造成更大的海床沉降。這是因為海床液化是導(dǎo)致海床沉降現(xiàn)象發(fā)生的重要原因，