波流共同作用下防波堤周围的海床响应分析

摘要

海洋结构物在波浪和水流等动载荷的长期作用下会发生部分或整体结构失稳现象。本研究应用理论推导与数值分析相结合的方法分析了波流共同作用下结构物（防波堤）周围的海床动力响应问题，并分别针对瞬态孔压及累积孔压所导致的土体液化现象进行研究。与以往的相关研究不同，本文重点分析了均匀流对流场和海床土体响应造成的影响，并利用非弹性和弹塑性多孔介质土体模型对海床中由累积式孔隙水压变化所导致的残余液化深度发展进行计算。主要内容与成果如下：
　　（1）对波流共同作用下的自由海床响应问题进行解析求解，并利用该解析解对不同类型的海床土体响应规律进行分析。通过对不同均匀流流速及波浪工况对海床中瞬态液化深度发展的影响的相关计算发现，波浪尖锐度越大所对应的海床土体最大液化深度越大，顺向流与波浪的相互作用使土体中瞬态最大液化深度增加，而逆向流则使其减小。
　　（2）对前进波和均匀流的相互作用进行数值模拟，建立二维波流相互作用模型，该模型可对流场中的波压分布及速度分布进行计算。结果表明，顺向流与波浪相互作用会使流场中波长增大，波高减小，波浪尖锐度减小；而逆向流则会使波长减小，波高增大，波浪尖锐度随之增加。
　　（3）将波流相互作用模型与土体非弹性多孔介质模型相结合，建立二维波流共同作用下自由海床响应模型，实现了对土体中累积孔压的计算。在累积孔压液化判定准则的基础上对海床表面的残余液化现象进行分析，结果显示液化区域会由初始阶段的二维形态转化为一维形态。另外发现，相比于波浪作用下的海床土体，均匀流与顺向流的相互作用会使土体中孔压累积速率减小，土体不易发生残余液化，而逆向流则会增大孔压累积速率，使土体液化速率加快。
　　（4）将海床土体采用弹塑性多孔介质模型进行模拟，建立二维波流共同作用下自由海床响应模型，该模型可同时对土体孔压的累积和消散进行模拟。由于该模型中模型参数的数目相比于非弹性多孔介质模型较多，其实际应用难度增加。
　　（5）对二维波流共同作用下防波堤（潜堤）周围的流场形态及土体响应进行数值分析，考虑了预固结作用对土体中初始有效应力分布及孔压累积速率的影响。防波堤（群）的尺寸及布置会对其周围土体的液化发展造成很大影响，如增大防波堤宽度或减小其高度会使其前方土体的液化深度降低，增大防波堤群中两两之间的间隙会使土体液化深度增加。在实际工程应用中，与单防波堤相比，在波流共存的流场中布置防波堤群能更有效的降低其周围土体的液化发展速率。

目录

声明

答辩决议书

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状与进展

1.3 主要研究方法及内容

1.4 主要创新点

第二章 波流共同作用下自由海床响应解析解

2.1 引言

2.2 波浪和均匀流相互作用理论

2.3 孔压形成机理

2.4 土体响应计算控制方程及边界条件

2.5 二维波流共同作用下海床土体响应解析解

2.6 计算结果分析

2.7 土体液化研究

2.8 本章小结

第三章 二维波流相互作用数值模型

3.1 引言

3.2 波流相互作用理论

3.3 模型验证

3.4 均匀流对流场的影响

3.5 本章小结

第四章 非弹性多孔介质海床数值模型

4.1 引言

4.2 非弹性多孔介质模型

4.3 边界条件

4.4 数值计算流程

4.5 模型对比

4.6 液化分析

4.7 参数分析

4.8 土体各向异性研究

4.9 本章小结

第五章 弹塑性多孔介质海床数值模型

5.1 引言

5.2 弹塑性多孔介质模型

5.3 边界条件

5.4 试验对比

5.5 液化分析

5.6 参数分析

5.7 均匀流对土体响应的影响

5.8 本章小结

第六章 波流-结构物-海床相互作用数值分析

6.1 引言

6.2 计算模型及输入参数

6.3 数值计算结果

6.4 预固结作用对结构物周围土体液化发展的影响

6.5 防波堤周围海床土体响应数值结果分析

6.6 防波堤群周围土体稳定性分析

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究成果

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表及录用论文