波浪作用下海床动力响应离心模型试验

摘要

近年来，海上工程事故频发，为此人们对诱发事故原因进行了深入研究，目前发现，海风的循环荷载，海底地震，波浪的循环荷载，浮冰的撞击作用，盐类的腐蚀等因素均可诱发海洋工程失事。本文研究内容为波浪作用下海床的动力响应，波浪荷载的循环作用会在海床-海水交界面处产生循环波压力，波压力向海床内部传递，引起海床内部有效应力和孔隙水压力的变化，使海床出现变形，严重时甚至出现液化，从而导致海床上部结构物的破坏。本文的研究手段采用离心物理模型试验，离心模型试验在模拟原型方面具有不可替代的优势，因此，近年来，受到越来越多研究者的青睐。大连理工大学引进了国内首台，目前也是唯一的鼓式离心机。本文的研究工作主要是在这台鼓式离心机上开展的，本文的研究内容主要分为两部分。
　　第一部分，主要是关于生成线性规则波浪的离心模型试验研究工作。其中自主开发了基于200W直流伺服电机驱动装置的机械造波系统，结合鼓式模型槽长度较大的技术优势，设置了由斜坡式多孔钢板构成的消波装置。整套造波系统可以生成不同浪高和频率的线性推进波，试验中通过微型孔隙水压力传感器和自制的浪高仪量测波压力和波高，并通过波浪理论验证了所生成波浪的有效性。与以往离心机中的造波装置相比，本套系统的优势在于能够在较大尺寸的环形波浪槽中生成更强烈度的波浪工况，为今后波浪诱发海床动力响应的研究提供了技术保障。
　　第二部分，主要是关于波浪作用下海床的动力响应问题的离心模型试验研究。本试验是将模型箱放入离心机鼓槽内，海洋土承受波浪荷载的作用，通过埋设于海床模型内部的孔压传感器来研究海床的动力响应。试验所研究的海床为均质海床，在1g条件下，通过自动撒砂装置将干砂均匀地撒入到模型箱内，然后使流体通过模型箱侧壁底部的进水口渗入到海床模型内，使砂样内部形成假粘聚力，确保在离心机未运转之前砂样直立不倒。海床模型所用材料是级配不良的细砂，砂样的平均粒径d50=0.1724mm，相对密度为38.9％，属于松砂，接近中密。通过一系列离心模型试验发现，海床表面的波压力在向海床内部传递的过程中会出现衰减现象，而且海床渗透系数越小，衰减现象越显著;海床模型在经过波浪荷载的循环剪切作用后，由于剪缩变形，砂样出现整体沉降;埋设在海床内部的孔压传感器所反映的孔隙水压力的动力响应与SASSA的研究成果一致，由于本试验装置所造波浪的烈度较低，未观察到海床液化现象，有待进一步完善。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 理论研究

1．2．2 现场观测试验

1．2．3 常规模型试验

1．2．4 离心模型试验

1．3 存在的问题

1．4 研究目的及主要内容

2 土工离心模型试验

2．1 离心模拟的基本原理

2．2 离心模拟技术的主要应用及其局限性

2．2．1 离心模拟技术主要应用

2．2．2 离心模拟的主要局限性

2．3 离心模型试验的误差

2．3．1 不均匀加速度场的误差

2．3．2 边界效应误差

2．3．3 量测系统的误差

2．3．4 相似比方面的误差

3 造波离心模型试验

3．1 试验原理

3．1．1 波浪理论

3．1．2 消波装置的效能评估

3．1．3 波浪物理模型试验相似比分析

3．2 试验装置

3．2．1 鼓式离心机

3．2．2 采集系统

3．2．3 波浪生成装置

3．2．4 消波装置

3．2．5 浪高仪

3．2．6 传感器

3．3 造波系统力学分析

3．3．1 克服波浪荷载所需功率的计算方法

3．3．2 驱动功率／扭矩的计算方法

3．4 试验步骤及结果分析

3．4．1 试验步骤

3．4．2 试验结果分析

3．4．3 多组对比试验的结果

4 波浪作用下海床动力响应离心模型试验

4．1 试验原理

4．1．1 液化定义及机理

4．1．2 液化的影响因素

4．1．3 液化的判别准则

4．1．4 时间比尺的耦合问题

4．2 试样制备

4．2．1 砂样参数

4．2．2 砂样制备

4．3 试验装置

4．3．1 模型箱

4．3．2 配重箱

4．3．3 波浪过渡装置

4．3．4 水泵

4．3．5 试验装置平面布置

4．4 试验结果分析

5 结论

5．1 总结

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