波浪诱发海床液化导致海洋结构物破坏的非线性数值分析

论文摘要

波浪作用下海床地基的动力稳定性是近海和海岸工程建筑物过程中必须考虑的重要问题之一。海洋表面传播的波浪在海水-海床的交界面处施加了循环波压力。这种循环的波压力作用引起海床孔隙水压力和有效应力的变化，使海床出现变形、剪切破坏、液化等现象，导致海床的失稳，乃至座落于海床上结构物的破坏。因此研究波浪作用下海床的动力响应具有重要的理论意义和工程实用价值。本文采用Oka基于修正流动法则和非线性运动硬化规律提出的循环弹塑性本构模型来描述波浪作用下的海床饱和土的非线性特性，根据二维广义动力Biot理论，得到以土骨架位移u和超静孔隙水压力p为变量的u～p形式的控制方程，利用有限元法和有限差分法进行空间离散，采用Newmark-β逐步积分法求解时域内动力方程。通过对不同波浪荷载及地质地形条件下的海床土在波浪荷载作用下的动力响应数值模拟，以揭示液化及变形破坏发生的规律。文中首先对波浪荷载作用下一定深度的海床模型进行了动力响应分析，检验本方法模拟波浪诱发海床液化的可行性。分析中，讨论了波浪周期和水深这两个因素对于海床液化进程及液化程度的影响，总结了海床液化的相关动力特性。进而，对具有一定坡度的海床液化过程进行了模拟，获得了海床液化后流动变形的特征。随后，对带有海洋结构物的可液化海床在波浪作用下的动力响应进行了分析，模拟了波浪诱发海床液化导致海洋结构物失效的过程，给出了结构物沉降的时程曲线以及海床土体的液化及变形过程的线图。通过对数据的分析，指出了液化深度最大的截面为结构物与基底交界面所在的截面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 国内外海床模型的研究进展
• 1.2.2 床面上的波浪压力计算模型
• 1.2.3 波浪和海床的相互作用
• 1.2.4 波浪、海床和结构物的相互作用
• 1.2.5 液化判别准则
• 1.2.6 数值方法
• 1.3 主要研究内容
• 2 广义Biot理论的有限元列式及Newark-β数值解法
• 2.1 循环弹塑性本构模型
• 2.1.1 屈服函数
• 2.1.2 硬化定律
• 2.1.3 剪切系数B折减的方法
• 2.1.4 超固结边界面
• 2.1.5 塑性势函数
• 2.1.6 流动法则
• 2.1.7 弹性应变增量
• 2.1.8 应力增量和应变增量的关系
• 2.2 广义Biot理论的有限元列式及其时域数值解法
• 2.2.1 平衡方程
• 2.2.2 连续方程
• 2.2.3 μ～p方程的空间离散形式
• 2.2.4 Newmark-β法的时域数值解
• 3 波浪诱发海床液化的弹塑性数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 海床动力响应边值条件
• 3.3 数值算例
• 3.3.1 计算模型的建立
• 3.3.2 计算参数的选取
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.3.4 波浪周期和水深的影响
• 3.3.5 倾斜海床响应
• 3.4 本章小结
• 4 波浪作用下土的变形引起的结构物动力响应
• 4.1 引言
• 4.2 数值算例
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 计算参数的选取
• 4.2.3 计算结果分析
• 4.2.4 结构物的沉降
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢