基于极限分析上限方法的海底粘性土边坡地震稳定性评价

摘要

海洋地质环境复杂且自然灾害频发，其中海底滑坡是危害性最大的一种。海底滑坡可直接破坏海洋油气平台、海底电缆等基础设施，给人类生命财产安全造成巨大损失。地震是触发海底边坡失稳的主要因素，因此海底边坡地震稳定性研究成为当前海洋岩土工程的热点问题。本文基于极限分析上限方法，考虑水平、竖向地震荷载，分别对海底层状、非均质粘性土边坡开展地震稳定性上限分析。基于极限分析上限方法，提出了海底边坡地震滑移量的快速评估方法。另外，考虑了地震荷载和土体强度的非均质性，对海底层状粘性土边坡的局部滑动机制进行了深入探讨。具体研究内容如下： 1.以海底层状边坡为研究对象，基于对数螺线破坏机构和直角坐标建模方法，推导了层状边坡的重力功率与内能耗散率的表达式；结合最优化方法和强度折减技术，实现了海底层状边坡安全系数和临界滑动面的求解，通过算例和数值方法验证了本文方法的有效性。 2.改进了含软弱夹层边坡的破坏机构，提出了一种对数螺线—直线复合破坏机构，并对该破坏机构下的外力功率和内能耗散率进行了推导，实现了含软弱夹层海底边坡稳定性的上限分析，结合典型算例验证了新破坏机构的合理性。 3.考虑拟静力地震荷载及其对孔隙水的作用，基于极限分析上限方法，推导了地震力对海底边坡的做功功率，建立了地震作用下海底层状边坡稳定性的临界状态方程；结合数值积分技术和优化方法，实现了安全系数和临界滑动面的求解。在此基础上，分别讨论了水平和竖向地震力对海底边坡的影响，结果表明水平地震加速度较大时，竖向地震力的影响变得十分显著，此时必须考虑竖向地震力的影响。 4.以黏聚力随深度线性增加的非均质海底边坡为研究对象，推导了非均质边坡的内能耗散率表达式，将地震力做功功率和内能耗散率建立极限状态方程，实现了非均质海底边坡的地震稳定性上限分析。在此基础上，针对南海北部陆坡区荔湾3-1油气田附近的典型非均质海底斜坡剖面开展了上限分析，计算结果对比表明，本文方法可以较好地实现该区域斜坡地震稳定性评价。 5.基于Newmark滑块位移法，采用极限分析上限方法实现了海底层状边坡地震屈服加速度的求解，并结合经验回归公式快速求解地震滑移量，进而实现海底边坡地震危险性的快速评估。典型算例的分析结果显示：不同经验回归式存在差异，未来应针对具体区域建立或修正相应模型从而提高计算准确性。 6.基于极限分析上限方法，改进了滑动面搜索方式和破坏机构，实现了多土层海底边坡及非均质海底边坡的局部滑动上限分析。针对上软下硬型和上硬下软型两种组合土层海底边坡以及非均质层状海底边坡，研究了地震条件下边坡的整体和局部稳定性，深入探讨了地震荷载对局部滑动机制的影响。

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摘要

Abstract

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1海底滑坡的地质调查

1.2.2海底滑坡的成因条件

1.2.3海底斜坡稳定性评价方法

1.3存在问题及本文研究内容

1.3.1存在问题

1.3.2主要研究内容

2海底边坡稳定性极限分析上限方法

2.1基本原理和方法

2.1.1上限定理

2.1.2上限方法在边坡稳定性分析中的应用

2.2海底层状边坡稳定性上限分析

2.2.1破坏机构

2.2.2坐标转换

2.2.3虚功率方程

2.2.4安全系数求解

2.2.5算例验证

2.3含软弱夹层海底边坡稳定性上限分析

2.3.1破坏机构

2.3.2滑体重力做功功率

2.3.3内能耗散率

2.3.4算例分析

2.4小结

3地震条件下海底层状粘性土边坡稳定性上限分析

3.1概述

3.2地震荷载下海底边坡稳定性上限分析

3.2.1重力和地震力做功功率

3.2.2安全系数求解

3.2.3算例验证

3.3参数讨论

3.4小结

4地震条件下海底非均质边坡稳定性上限分析

4.1概述

4.2内能耗散率

4.3安全系数求解

4.4算例验证

4.5非均质海底边坡实例分析

4.6小结

5海底边坡地震滑移量快速评估方法

5.1基本假设

5.2屈服加速度系数

5.3永久位移

5.4算例分析

5.5工程实例对比

粉细砂

5.6小结

6地震条件下海底边坡失稳的局部滑动机制探讨

6.1概述

6.2地震荷载下海底边坡的局部滑动分析

6.2.1破坏机构

6.2.2外力做功功率

6.2.3内能耗散率

6.2.4算例验证

6.3组合土层边坡局部滑动上限分析

6.3.1上软下硬型海底边坡

6.3.2上硬下软型海底边坡

6.4非均质边坡局部滑动上限分析

6.4.1内能耗散率

6.4.2静水条件下局部稳定性

6.4.3地震条件下局部稳定性

6.5工程实例分析

6.6小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研工作情况

致 谢

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