非线性波浪荷载作用下海上风机管桩基础周围海床液化研究

为研究近浅海领域内海上风机大直径单桩基础周围的砂质海床在非线性荷载作用下的瞬时液化的稳定性,在Open FOAM平台上建立波浪-单桩-海床三维数值模型(WSSI模型),采用ola Foam求解器求解RANS方程模拟波浪的非线性运动,将Biot方程作为海床模型的控制方程研究单桩周围海床的液化规律。对以往的数值解析结果和实验结果进行对比分析,验证本文建立三维波浪模型和海床模型的准确性和有效性。将建立的波浪-管桩-海床相互作用三维数值模型应用到实际工况中,对数值模型在实际工程中的海床响应进行分析评估。研究结果表明,单桩周围海床的孔隙水压力场和有效应力场在水深方向发生较大变化,在水平方向变化较小。在该工况下海床的最大液化深度可达到10 m,且在垂直于波浪运动方向的海床更容易发生液化,为实际工程预测海床液化提供一定的技术支持。

波浪诱发海床液化的弹塑性数值模拟

波浪作用下海床的液化分析是海底管线、防波堤和海洋平台设计中必须仔细考虑的问题。基于循环弹塑性本构模型和二维广义Biot理论,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的形式的有限元方程,并利用Newmark-逐步积分法求解时域动力方程,对海床在波浪作用下的分析表明,该方法能够较好地模拟波浪诱发海床液化的发展过程,通过变换波浪参数讨论了波浪周期对液化的影响。

波浪作用下单桩基础周围海床液化机制研究

建立波浪作用下单桩周围三维海床动力响应模型,考虑自重影响下的海床长时间固结过程。采用已有物理模型试验数据对模型进行验证,证实其具有较好的适用性。模拟波浪作用下单桩周围三维海床液化区域,通过定量分析超孔隙水压力和土体初始有效应力的变化,讨论单桩插入深度对海床液化的影响机制。研究表明,单桩插入深度发生变化时,土体初始有效应力对海床液化的影响要大于超孔隙水压力,且影响程度随着插入深度的增加而逐渐增大。

波致海床液化引发底边界高浓度悬浮体形成过程的试验研究

国内外众多现场原位观测的实测资料,其结果表明粉质土海床在波浪作用下,水体底边界会产生高浓度悬浮体。利用在黄河三角洲采集的粉质土制作试验土床开展室内水槽试验,旨在揭示波浪荷载持续作用下海床液化引发底边界产生高浓度悬浮体的过程及机制。根据试验现象及海床土体的孔隙水压力变化、水体悬浮泥沙浓度的时空分布,以及悬浮泥沙的粒度变化等特征,分析认为波浪导致的海床液化能够引发底边界高浓度悬浮体的形成。大量的土体细颗粒从液化土体的振荡边界与渗流通道中的析出,是导致高浓度悬浮体形成的重要原因。对进一步探讨黄河口区异重流现象的产生等科学问题具有一定的指导意义。

波致液化海床土中伞式吸力锚承载特性试验研究

伞式吸力锚作为一种新型海上风电基础,现已在数值模拟方面进行了大量的研究,但缺少相应的室内试验。本文对伞式吸力锚(USAF)水平静力承载特性和波致土体液化中伞式吸力锚承载特性进行了室内模型试验,并与无锚枝吸力锚(SAF)进行了对比试验。研究发现,USAF的锚枝使得锚体转动中心升高,锚体承载性能得到提升;在波致液化海床土中,USAF的承载性能优于SAF,并且具有一定的防冲刷效果。

波浪作用下可液化海床最大液化深度

较大的风浪会使海床发生液化,波浪引起的海床液化问题是海岸及近海工程必须考虑的关键问题之一。基于Biot固结理论,同时考虑了振荡孔隙水压力和残余孔隙水压力的液化准则,作者推出了波浪作用下可液化海床最大液化深度的解析表达式。同时分别采用解析表达式和FLAC数值模拟求解了相应的例子,两者得出的液化深度均和例子的基本相等。且从FLAC的结果可看出,加载波浪力时孔隙水压力开始累积,土体有效应力逐渐下降,当有效应力降到零时,海床土层液化,海床土颗粒重组后下沉压实,之后残余孔隙水压力开始消散,土层有效应力逐渐恢复。最后还就不同波高、波长和水深进行了解析解和数值解的对比,两者得出的结果比较吻合,并能较好地反映海床液化深度变化规律。

基于ASM-IV对波致海床沉积物再悬浮过程研究

波浪是导致沉积物再悬浮发生的主要动力条件之一,通过室内水槽试验利用浊度剖面仪(Argus Surface Meter IV,简称ASM-IV)研究15cm恒定波高的波浪持续作用下沉积物再悬浮的发生过程,试验过程中确立了黄河三角洲地区水体悬沙浓度与ASM-IV所测浊度之间的相关关系,研究了波致海床沉积物再悬浮的发生发展过程,分析计算波致沉积物再悬浮泥沙总量及其通量随时间和空间的变化规律,定量地计算出本次试验中波致悬浮泥沙总量以及液化所导致沉积物再悬浮量及其所占比例。研究发现,波致液化作用是沉积物再悬浮的主要动因,液化悬沙量占总悬沙量的76.4%,本试验对进一步探讨波浪作用下海床沉积物再悬浮过程具有一定的参考意义。

波浪作用下海底粉质土液化过程的速率特征

海底的粉质土在强烈波浪作用下会发生液化现象。粉质土从液化发生到最后形成流体有其变化的过程。本文针对黄河三角洲的粉质土,进行了波浪水槽试验和现场监测试验,记录了孔压在粉质土液化过程中的变化,给出了波浪作用下粉质土液化过程的速率特征。试验结果给出:海底粉质土在波浪作用下某一深度层的液化发展迅速,水槽试验重塑土用孔压增长速率反映的液化发展速率平均为0.15kPa/min,现场监测原状土液化发展速率平均为0.29kPa/min;水槽试验重塑土和现场监测原状土均出现液化深度自上而下的发展过程,本文水槽试验条件和现场条件给出的液化深度发展平均速率分别为0.01和0.10m/min。

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素。通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟。针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响。研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考。

河口海岸铁板砂研究进展

铁板砂是一种特殊的沉积地貌,其性质和形成演化涉及海洋沉积动力、海洋工程地质等学科方向,对海岸防护、航运安全和海洋工程建设有重要影响。介绍了铁板砂的概念、特征和分布,以铁板砂形成和演化机制为主线,从原生沉积、冲刷分选和液化渗流3种模式出发,对国内外铁板砂研究现状进行总结和论述,分析了3种模式的优缺点和适用条件,从研究思路和研究方法等方面对铁板砂的研究趋势进行了展望,指出基于海洋土力学与沉积动力学相结合的思路,开展水体-床面-床内耦合的多要素同步观测,构建机制清晰的物理模型和定量评价的数学模型是今后铁板砂研究的发展方向。

波流共同作用下海底人工边坡动态响应分析

为了研究波流共同荷载作用下开挖基槽附近海床动态响应和液化破坏情况,提出一个二维耦合计算模型,采用雷诺时均纳维-斯托克斯(RANS)方程描述波浪运动情况,通过设定侧边界条件实现稳定流场。海床部分通过求解Biot固结方程,得到波流荷载下海床中的应力和位移情况。将模型计算结果与水槽试验数据和解析解进行比较,验证了波流模型和海床模型的有效性。在此模型基础上,分析得到了开挖之后海床新的应力和固结状态。同时,通过参数分析得到了波流耦合情况下波浪形态的变化,以及海流对海床液化情况和孔压情况的影响。最后,通过线性回归计算得到最大液化深度与流速的拟合关系曲线。计算结果可用于判断基槽开挖后不规则海床的液化情况,对相关研究和实际工程具有一定参考意义。

浅层气区域海底管道的损坏及修复

杭州湾海域某油田直径10 in(1 in=2.54 cm)输油管道和直径14 in输气管道在距离杭州湾登录点53 km(KP53)处穿越浅层气沉陷区域,两条管道均已投产运营近20年,每次损坏都发生在台风过后。根据穿越浅层气沉陷区油管道损坏事故的调查资料进行原因分析,得出管道在遭遇台风期间土壤液化沉陷,从而受到疲劳荷载,导致断裂。针对该处工程特点设计了修复方案并指导修复施工,修复后的管道经历了数次台风考验,状态良好。研究成果对在浅层气地质灾害区域或有液化趋势海床的海底管道建设与维保具有重要指导意义。(图5,表2,参24)

海上风电吸力桶基础地震分析

为进行海上风电吸力桶基础地震安全评估,选取欧洲北海砂质海床中典型的吸力桶基础,基于三维砂土液化大变形统一本构模型,通过OpenSees有限元开源平台进行三维动力计算,分析了吸力桶基础的地震变形和倾覆转角。吸力桶基础的地震变形具体如下:基础产生一定的水平位移震荡,最终累积发展为大变形;桶基发生严重的不均匀沉降,桶基后部出现一定程度的上移;倾覆转角不断增加,最终达0.8°以上,远超过规范规定的安全稳定运营值,后期无法运营;基础转动中心在地震过程中不断调整;地震中海床孔压上升,桶基内出现一定的负孔压,可以提高抗倾覆承载力,地震结束时负压区消散。海床液化深度约3m,桶基前部产生刺入海床破坏。海床地震液化加剧了吸力桶基础的变形和倾覆,严重影响着海上风机的安全运营。