波浪作用下黃河水下三角洲粉質(zhì)土體海床響應(yīng)研究.pdf

1、本學(xué)位論文以山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“波浪導(dǎo)致的黃河三角洲海床地形變化及對(duì)海底管線穩(wěn)定性的影響”為依托,旨在對(duì)黃河水下三角洲粉土海床在波浪作用下的演化、液化破壞、強(qiáng)度變化等展開(kāi)研究,并進(jìn)一步提出了確定海底滑動(dòng)面的簡(jiǎn)便方法。
　　 波浪荷載作用下海床的動(dòng)力響應(yīng)和液化特性一直是海洋工程設(shè)施設(shè)計(jì)與建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。波浪在海床表面?zhèn)鞑r(shí)所產(chǎn)生的波壓力和剪應(yīng)力會(huì)引起海床內(nèi)部孑乙隙水壓力和有效應(yīng)力的變化,從而導(dǎo)致海床液化甚至是失穩(wěn)破壞,造

2、成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。粉土在在河口三角洲地區(qū)分布廣泛,是介于砂土與粘土之間的一種土,在波浪等動(dòng)荷載的作用下動(dòng)力學(xué)行為比較復(fù)雜。因此本文將波浪作用下黃河水下三角洲粉土海床的響應(yīng)作為研究課題。
　　 本文的研究工作主要包括:
　　 (1)粉土海床對(duì)波浪荷載動(dòng)力響應(yīng)的室內(nèi)水槽模型試驗(yàn)研究,包括波浪作用下海床形態(tài)演化、孔隙水壓力變化、海床土體物質(zhì)運(yùn)移情況以及土體強(qiáng)度變化。
　　 (2)粉土海床對(duì)波浪荷載動(dòng)力響應(yīng)的室內(nèi)動(dòng)

3、三軸試驗(yàn)研究,包括不同條件下粉土的孔壓發(fā)展變化以及液化破壞時(shí)間,以及土體動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
　　 (3)粉土海床對(duì)波浪荷載動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算分析,主要分析波浪作用初始時(shí)的彈性階段,包括有效應(yīng)力、孔隙水壓力以及剪應(yīng)力應(yīng)變的分布變化情況。
　　 通過(guò)研究,主要得出以下結(jié)論:
　　 (1)粉土海床在承受波浪荷載時(shí),表層土體迅速液化形成一層隨波浪作用來(lái)回運(yùn)動(dòng)的振蕩層,此振蕩層的范圍不斷擴(kuò)大直至穩(wěn)定狀態(tài),與下部的穩(wěn)定土層之間

4、形成一條明顯的滑動(dòng)面。波浪作用過(guò)程中,原本均一的海床土體產(chǎn)生分異,土顆粒在波浪導(dǎo)致的滲流力和剪應(yīng)力的共同作用下從原來(lái)的位置上脫離并重新排列,滑動(dòng)面處的土顆粒錯(cuò)動(dòng)較為劇烈,在這個(gè)過(guò)程中,土顆粒選擇了最穩(wěn)定的位置安頓下來(lái)因此形成了這個(gè)區(qū)域土顆粒的最優(yōu)化排列,同時(shí),良好的排水條件加速了這一部分土的固結(jié),因此在波浪作用之后滑動(dòng)面附近形成了一層連結(jié)緊密、級(jí)配良好、貫入強(qiáng)度高的硬層。停止波浪作用之后再次施加相同的波浪荷載,滑動(dòng)面的位置會(huì)下移,多次波

5、浪作用之后,滑動(dòng)面位置穩(wěn)定。上述現(xiàn)象可以解釋實(shí)際黃河口地區(qū)硬殼層的形成過(guò)程及易移動(dòng)的特性。
　　 (2)通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)可得知大波高、長(zhǎng)周期的波浪荷載更容易引起海床土體內(nèi)部的孔壓積累繼而發(fā)生液化破壞,而在相同的波浪荷載作用下,淺層的粉土先液化,深層的粉土后液化。動(dòng)荷載作用下粉土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系符合等效粘彈性模型理論,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合,得出了形式簡(jiǎn)便的Gd=G(γd)和λd=λ(γd)擬合公式,由于條件所限本文的數(shù)值計(jì)算中沒(méi)有考慮粉

6、土動(dòng)本構(gòu)模型的非線性和滯后性,但本文所得的擬合公式可為今后的黃河三角洲粉土動(dòng)力響應(yīng)研究提供一定的參考。
　　 (3)通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得,孔隙水壓力隨著波浪荷載作用時(shí)間的增加從海床表面?zhèn)鞑サ胶４采钐?而有效應(yīng)力會(huì)隨波浪作用而快速增長(zhǎng)并且自下而上逐漸發(fā)展,但是表層土體卻一直處于液化狀態(tài),這證實(shí)了波浪荷載對(duì)上部土體有弱化作用,對(duì)下部土體有壓密作用,與水槽模型試驗(yàn)中所得到的土體貫入強(qiáng)度是一致的。波節(jié)處孔隙水壓力和波致剪應(yīng)力均出現(xiàn)極值,說(shuō)明

7、波節(jié)處土體的液化可能性最大。土體最大剪應(yīng)力連線的形狀與實(shí)際觀測(cè)到的土體滑動(dòng)面形狀類似,并且位置高度吻合,因此數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以為預(yù)測(cè)波浪作用下海床土體滑動(dòng)面位置提供參照。
　　 本文從水槽模型試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)三種方法研究波浪作用下黃河水下三角洲粉土海床的響應(yīng)問(wèn)題,得出了些許新發(fā)現(xiàn)和新結(jié)論。本文的研究方法和技術(shù)路線都有創(chuàng)新之處:三種方法互相驗(yàn)證,互相補(bǔ)充,較為全面的研究了粉土海床對(duì)波浪的響應(yīng)過(guò)程;數(shù)值計(jì)算中利用ADI