波浪與砂質(zhì)海床相互作用的耦合模型.pdf

1、波浪與海床的相互作用過程及其機(jī)理是近海、海岸和巖土工程中有著重要理論意義和廣闊應(yīng)用價(jià)值的研究課題。建立波浪、海床及其周邊結(jié)構(gòu)物的耦合模型可以對(duì)于理解波浪對(duì)海床的壓力作用、海床對(duì)波浪的衰減效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)物周邊地基失穩(wěn)形式等提供更加全面的認(rèn)識(shí)。論文從波浪作用下砂質(zhì)海床的動(dòng)力響應(yīng)出發(fā)，推導(dǎo)并改進(jìn)了海床的彈性和彈塑性控制方程，結(jié)合波浪在海床上傳播的運(yùn)動(dòng)方程，建立了各種形式波浪在砂質(zhì)海床上傳播及變形的二維相互作用耦合模型，并以此為基礎(chǔ)分析了海床在波

2、浪作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，相比以往基于理論解析的研究方法具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
　　論文全面考慮了彈性砂質(zhì)海床的振蕩超靜孔隙水壓力響應(yīng)，給出了包含土骨架加速度和孔隙流體加速度效應(yīng)的比奧動(dòng)力響應(yīng)方程（“u-w”形式），并在前人的研究基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了比奧動(dòng)力響應(yīng)控制方程解析解的一般形式。該解析解與野外觀測(cè)資料及室內(nèi)水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果較為吻合。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)海洋環(huán)境中常見的波流共同作用荷載作用，探究了均勻流對(duì)彈性海床超靜孔隙水壓力

3、、應(yīng)力等的影響，結(jié)果表明在出?？诤秃恿鞯貐^(qū)等流速明顯的地方需要重點(diǎn)考慮流速引起的超靜孔隙水壓力和剪應(yīng)力的變化。
　　累積超靜孔隙水壓力的計(jì)算以比奧固結(jié)方程（“quasi-static”形式）為基礎(chǔ)，針對(duì)循環(huán)荷載作用下的交變剪切特性，引入了考慮砂土在循環(huán)剪切作用下塑性變形的簡化彈塑性模型。在此彈塑性模型基礎(chǔ)上，改進(jìn)了循環(huán)剪應(yīng)力比的定義，使其能夠應(yīng)用到低頻的二維波浪作用中。為了考慮液化后海床的再固結(jié)效應(yīng)，引入了反映液化后砂土超靜孔隙水

4、壓力消散過程的邊界層概念，并首次給出了邊界層的厚度表達(dá)式。與離心機(jī)試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果表明該模型能夠有效模擬砂土在波浪作用下的超靜孔隙水壓力的累積及消散現(xiàn)象。對(duì)于累積超靜孔隙水壓力在水平方向上的分布發(fā)展規(guī)律以及砂土在不同波浪荷載形式作用下的液化區(qū)域發(fā)展過程著重進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明不同波浪形式作用下，海床的液化過程也呈現(xiàn)與波浪荷載形式相關(guān)的液化區(qū)域發(fā)展模式。
　　論文建立了描述粘性波浪運(yùn)動(dòng)的N-S方程和雷諾平均方程，給出了數(shù)值造波、波

5、浪傳播、數(shù)值消波過程的主要數(shù)學(xué)方程和有限元實(shí)現(xiàn)方式。特別增加了對(duì)于可能存在的波浪破碎現(xiàn)象的模擬，求解了基于湍流耗散模型的雷諾平均方程。與解析解和室內(nèi)水槽試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果表明，提出的波浪數(shù)學(xué)模型和有限元求解過程可以較好的模擬波浪的產(chǎn)生、傳播、消散以及遇到結(jié)構(gòu)物時(shí)的破碎過程。
　　最后建立了描述波浪、海床與結(jié)構(gòu)物相互作用過程的完全耦合模型。將彈性海床控制方程、彈塑性海床控制方程和波浪運(yùn)動(dòng)基本方程通過對(duì)COMSOL有限元軟件二次開發(fā)進(jìn)行了