隨機和非線性波浪作用下海床動力響應(yīng)和液化分析.pdf

1、波浪作用下海床和海洋地基的動力穩(wěn)定性是近海及海洋工程建筑物在設(shè)計和建造時必須考慮的重要問題之一。目前結(jié)合波浪荷載特點和海洋土的實際工程特性的研究和設(shè)計并不多見。作者考慮波浪和波浪荷載的隨機和非線性特性，同時考慮波浪一海床相互作用，建立了求解實際波浪荷載作用下海床動力響應(yīng)和液化深度的精確計算模型，對應(yīng)完善了解析解法和有限元數(shù)值解法，通過大量數(shù)值計算和對比分析，著重討論了波浪在傳播過程中受多孔介質(zhì)海床消能的影響，以及波浪荷載的隨機和非線性特

2、性對于海床動力響應(yīng)和液化深度的定量影響程度，為實際海洋環(huán)境條件下海床液化與穩(wěn)定性評價提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。論文的主要研究內(nèi)容如下： 1.重新推導(dǎo)和驗證了基于準(zhǔn)靜態(tài)模式和完全動力響應(yīng)模式的海床響應(yīng)解析解，并給出兩種模型的適用條件，為后續(xù)章節(jié)的研究內(nèi)容奠定了理論基礎(chǔ)； 2.采用復(fù)變量解析法，基于準(zhǔn)靜態(tài)模式和完全動力響應(yīng)模式推導(dǎo)和建立了能夠考慮多孔介質(zhì)海床對波浪傳播影響的波散方程。通過變動海床和波浪的主要特征參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值計

3、算和對比分析，探討和歸納了多孔介質(zhì)海床對于波浪傳播影響的規(guī)律和特性。結(jié)果表明，海洋土體和波浪參數(shù)的變動對波長比L/Ln和能量衰減系數(shù)ea都有不同程度的影響；基于兩種計算模式計算得到的波長比L/Ln和能量衰減系數(shù)P。隨海洋土體及波浪參數(shù)的變化趨勢基本相同；相同海況下，與準(zhǔn)靜態(tài)模式計算結(jié)果相比，基于完全動力響應(yīng)模式計算得到的波長比L/Ln和能量衰減系數(shù)ea更小；水深的變化對波長比L/Ln影響相對規(guī)則，與深水區(qū)相比，淺水區(qū)內(nèi)的波浪傳播更容易受

4、到海床的消能影響，深水區(qū)波浪傳播幾乎不受到海床消能的影響；海洋土體參數(shù)的變動對波長比L/Ln變化的影響程度基本相同，但滲透系數(shù)和剪切模量變動引起能量衰減系數(shù)ea的變化更明顯；多孔介質(zhì)海床對低頻波浪傳播的影響明顯高于對高頻波浪傳播的影響； 3.應(yīng)用線性疊加法，采用平均JONSWAP譜模擬隨機波浪，并考慮隨機波浪一海床的相互作用，建立了新的求解隨機波浪荷載作用下海床動力響應(yīng)和液化深度的精確數(shù)值分析模型，并采用復(fù)變量解析法進(jìn)行求解。結(jié)

5、果表明，在隨機波浪荷載作用下，海床動力響應(yīng)具有較強的不規(guī)則性。同時由于波壓力向海床內(nèi)部傳播具有時滯性，海床動力響應(yīng)的峰值在時程上與隨機波浪幅值的瞬時峰值不同步；由隨機波浪理論計算得到的海床動力響應(yīng)最大幅值沿海床深度方向的分布趨勢與根據(jù)線性規(guī)則波浪理論得到的分布趨勢基本相同，但數(shù)值上存在差異。其中采用傳統(tǒng)隨機分析方法的計算結(jié)果幅值最大，采用傳統(tǒng)線性規(guī)則波浪理論的計算結(jié)果幅值最小，基于改進(jìn)的隨機分析模型的計算結(jié)果介于兩者之間，三者之間的差值

6、比較明顯；根據(jù)隨機波浪理論計算得到的海床最大液化深度明顯大于線性規(guī)則波浪理論的計算結(jié)果，其中基于改進(jìn)的隨機分析模型得到的液化深度介于其他兩種分析方法的結(jié)果之間。因此在海洋地基設(shè)計和自由場地安全評估時應(yīng)該合理地考慮波浪荷載的隨機特性。 4.應(yīng)用一階橢圓余弦波和二階Stokes波等非線性波浪理論，考慮淺水區(qū)波浪傳播的非線性效應(yīng)，在時域上采用有限單元法對非線性波浪荷載作用下飽和砂質(zhì)海床的動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值求解，并與線性規(guī)則波浪荷載作

7、用下海床動力響應(yīng)進(jìn)行了對比分析。計算結(jié)果表明：當(dāng)波浪由深部向近岸淺部傳播而發(fā)生變形時，隨著無量綱參數(shù)L/d與T、 g/d的增大，波浪的非線性程度增大，海床中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的幅值明顯地增大；不同波浪理論計算結(jié)果表明，海床中有效應(yīng)力和孔隙水壓力幅值沿海床深度方向的變化趨勢基本相同，但數(shù)值存在差異，根據(jù)非線性波浪理論計算所得到的海床動力響應(yīng)均大于線性規(guī)則波浪理論的計算結(jié)果；由一階橢圓余弦波與二階Stokes波兩種非線性波浪理論所得到的海