波浪作用下黃河水下三角洲粉質(zhì)土體海床響應(yīng)研究.pdf

1、本學(xué)位論文以山東省自然科學(xué)基金項目“波浪導(dǎo)致的黃河三角洲海床地形變化及對海底管線穩(wěn)定性的影響”為依托,旨在對黃河水下三角洲粉土海床在波浪作用下的演化、液化破壞、強度變化等展開研究,并進(jìn)一步提出了確定海底滑動面的簡便方法。
　　 波浪荷載作用下海床的動力響應(yīng)和液化特性一直是海洋工程設(shè)施設(shè)計與建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。波浪在海床表面?zhèn)鞑r所產(chǎn)生的波壓力和剪應(yīng)力會引起海床內(nèi)部孑乙隙水壓力和有效應(yīng)力的變化,從而導(dǎo)致海床液化甚至是失穩(wěn)破壞,造

2、成巨大的生命和財產(chǎn)損失。粉土在在河口三角洲地區(qū)分布廣泛,是介于砂土與粘土之間的一種土,在波浪等動荷載的作用下動力學(xué)行為比較復(fù)雜。因此本文將波浪作用下黃河水下三角洲粉土海床的響應(yīng)作為研究課題。
　　 本文的研究工作主要包括:
　　 (1)粉土海床對波浪荷載動力響應(yīng)的室內(nèi)水槽模型試驗研究,包括波浪作用下海床形態(tài)演化、孔隙水壓力變化、海床土體物質(zhì)運移情況以及土體強度變化。
　　 (2)粉土海床對波浪荷載動力響應(yīng)的室內(nèi)動

3、三軸試驗研究,包括不同條件下粉土的孔壓發(fā)展變化以及液化破壞時間,以及土體動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
　　 (3)粉土海床對波浪荷載動力響應(yīng)的數(shù)值計算分析,主要分析波浪作用初始時的彈性階段,包括有效應(yīng)力、孔隙水壓力以及剪應(yīng)力應(yīng)變的分布變化情況。
　　 通過研究,主要得出以下結(jié)論:
　　 (1)粉土海床在承受波浪荷載時,表層土體迅速液化形成一層隨波浪作用來回運動的振蕩層,此振蕩層的范圍不斷擴大直至穩(wěn)定狀態(tài),與下部的穩(wěn)定土層之間

4、形成一條明顯的滑動面。波浪作用過程中,原本均一的海床土體產(chǎn)生分異,土顆粒在波浪導(dǎo)致的滲流力和剪應(yīng)力的共同作用下從原來的位置上脫離并重新排列,滑動面處的土顆粒錯動較為劇烈,在這個過程中,土顆粒選擇了最穩(wěn)定的位置安頓下來因此形成了這個區(qū)域土顆粒的最優(yōu)化排列,同時,良好的排水條件加速了這一部分土的固結(jié),因此在波浪作用之后滑動面附近形成了一層連結(jié)緊密、級配良好、貫入強度高的硬層。停止波浪作用之后再次施加相同的波浪荷載,滑動面的位置會下移,多次波

5、浪作用之后,滑動面位置穩(wěn)定。上述現(xiàn)象可以解釋實際黃河口地區(qū)硬殼層的形成過程及易移動的特性。
　　 (2)通過動三軸試驗可得知大波高、長周期的波浪荷載更容易引起海床土體內(nèi)部的孔壓積累繼而發(fā)生液化破壞,而在相同的波浪荷載作用下,淺層的粉土先液化,深層的粉土后液化。動荷載作用下粉土的動應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系符合等效粘彈性模型理論,經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合,得出了形式簡便的Gd=G(γd)和λd=λ(γd)擬合公式,由于條件所限本文的數(shù)值計算中沒有考慮粉

6、土動本構(gòu)模型的非線性和滯后性,但本文所得的擬合公式可為今后的黃河三角洲粉土動力響應(yīng)研究提供一定的參考。
　　 (3)通過數(shù)值計算可得,孔隙水壓力隨著波浪荷載作用時間的增加從海床表面?zhèn)鞑サ胶４采钐?而有效應(yīng)力會隨波浪作用而快速增長并且自下而上逐漸發(fā)展,但是表層土體卻一直處于液化狀態(tài),這證實了波浪荷載對上部土體有弱化作用,對下部土體有壓密作用,與水槽模型試驗中所得到的土體貫入強度是一致的。波節(jié)處孔隙水壓力和波致剪應(yīng)力均出現(xiàn)極值,說明

7、波節(jié)處土體的液化可能性最大。土體最大剪應(yīng)力連線的形狀與實際觀測到的土體滑動面形狀類似,并且位置高度吻合,因此數(shù)值計算的結(jié)果可以為預(yù)測波浪作用下海床土體滑動面位置提供參照。
　　 本文從水槽模型試驗、動三軸試驗、數(shù)值模擬試驗三種方法研究波浪作用下黃河水下三角洲粉土海床的響應(yīng)問題,得出了些許新發(fā)現(xiàn)和新結(jié)論。本文的研究方法和技術(shù)路線都有創(chuàng)新之處:三種方法互相驗證,互相補充,較為全面的研究了粉土海床對波浪的響應(yīng)過程;數(shù)值計算中利用ADI