砂质海床波浪传播衰减试验研究

近岸海床对波浪传播的影响是客观存在的。为研究砂质海床上波浪传播的衰减情况,综合考虑砂质海床孔隙率、海床相对厚度、波陡和相对传播距离等影响因素,开展砂质海床上波浪传播衰减物理模型试验。通过分析各影响因素与波高衰减率之间的关系,应用单一变量与多元非线性回归拟合方法,分别得到砂质海床上规则波浪与不规则波浪的波高沿程衰减率的计算关系式。验证结果表明,该计算关系式具有较好的精确性与适用性。

近海欠密实砂质海床内波致渐进液化特征研究

利用一个经过广泛验证的数值模型FSSI-CAS 2D为计算工具,采用砂土的高级本构模型Pastor-Zienkiewicz-Mark III(PZIII)描述海床砂土的动态力学行为,定量研究松散海床地基土在波浪作用下,其内部的液化过程和特征,以加深对波致海床液化特征、性质的认识。计算结果分析表明,开发的耦合数值模型FSSI-CAS 2D能够很好地捕捉到波浪作用下欠密实海床的动力响应特征,以及海床内的累积液化过程等一些列的非线性物理现象。研究表明,波浪导致的松砂海床液化是一个渐进过程,海床表面首先液化,并逐渐向下扩展。

破碎波作用下砂质海床孔隙水压力响应试验

通过波浪水槽试验,研究规则波在1:30斜坡砂质海床上破碎时海床超静孔隙水压力响应规律,观察波浪破碎处的地形变化,并分析其形成原因.试验结果表明,在波浪破碎前后超静孔隙水压力有着明显的不同变化,破碎点处距底床表面最近的超静孔隙水压力值在整个过程中达到最大,且破碎带处超静孔隙水压力竖向衰减幅度均比破碎前、后要大,破碎点的超静孔隙水压力有明显增大;破碎前后超静孔隙水压变化与浪高变化呈正相关趋势,且破碎后两者的相关性没破碎前好;波浪破碎处地形变化剧烈,超静孔隙水压力在沙床顶部的变化较底部变化明显.砂层掏刷时,超静孔隙水压振幅变大;砂层堆积时,超静孔隙水压振幅变小.

水射流冲埋砂质海床土体数值模拟

基于SPH-FEM耦合算法,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立水射流与海床土体的2D模型,研究水射流冲埋砂质海床土体的过程,分析冲埋过程中的应力波特性及喷射压力和砂质海床土体物理力学指标对冲埋速率的影响规律。结果表明:应力波在海床土体内部沿水射流中心线方向形成,且在扩散过程中能量不断耗散,应力最大值在水射流中心线与海床土体表面接触点处。喷射压力越大,冲埋速率越快,同一时刻的冲埋深度随喷射压力的增大呈线性增长;对于具有相同密实度的砂质海床土体,冲埋速率随剪切模量的增大而降低,且水射流速度越大,剪切模量的影响越显著;对于细砂类砂质海床土体,冲埋速率随内聚力和内摩擦角的增大呈线性下降的趋势;土体孔隙率对冲埋速率的影响较小;经与相关参考文献中提供的侵蚀深度对比,证明数值模型的准确性。通过对数值模拟结果进行拟合,得到冲埋深度与时间的关系式,可作为不同海床土体条件下选择合适喷射压力的参考。

波流耦合作用下双层砂质海床累积液化特征数值分析

波流共同作用下双层砂质海床的稳定性,目前集中于对其瞬态液化特征的研究,由于海床瞬态液化深度一般较小,难以全面反映双层砂质海床的液化特征,故有必要对其累积液化特征进行分析。基于海床累积孔隙水压力发展控制方程,利用Comsol Multiphysics有限元分析平台,对波流耦合作用下双层砂质海床的累积液化特征进行了分析。结果表明,顺流会增大海床的液化深度,考虑到海床的累积液化效应,实际海况中的较大流速不容忽视;上下层海床的渗透系数及其相对厚度对双层海床的累积液化特征有重要影响。

不同坡度砂质海床波浪冲刷试验研究

通过自制水槽模型箱试验,考察不同坡度条件下的砂质海床在相同波浪作用下的冲刷情况,对比分析了波浪作用前后海床表层土体颗粒级配、渗透系数及床面贯入值的变化。试验结果表明,波浪作用会使海床土体发生粗化现象;随着颗粒的粗化,泥沙起动的开始时间推迟;波浪作用导致的泥沙起动破坏了土体原有结构,使海床表层土体渗透系数变大,床面贯入值出现减小趋势。

非线性立波作用下砂质海床动力响应及液化研究

利用傅立叶级数近似法求解非线性立波作用下海床表面波压力,基于波浪作用下海床动力响应的二维准静态模型以及液化判定标准,模拟非线性立波作用下海床动力响应以及液化深度。线性与非线性立波计算结果比较表明:当相对水深较大时,非线性立波波峰处波压力出现双峰,波谷处的波压力明显大于线性立波波谷处波压力;海床中孔隙水压力在波峰时也表现出双峰型特性,且波谷时的海床压力增大;在相同波浪条件下,非线性立波作用下海床更易液化,且液化深度大于线性立波作用下液化深度。

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明:由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。

随机波浪作用下饱和砂质海床弹塑性动力响应规律

为研究实际海洋环境中随机性波浪作用下弹塑性海床饱和土体真实的动力学行为及振动液化过程演化规律,该文结合Biot动力固结理论和本课题组提出的砂土震动液化大变形本构理论模型和处理液化时零有效应力状态的数值算法,采用JONSWAP频谱来模拟波浪,给出了随机波浪作用下饱和砂质海床土体中超静孔隙水压力瞬态变化与液化过程的弹塑性动力分析方法。该方法可很好地描述在随机波浪作用下,海床土体内超静孔隙水压力场在时空上呈现出的瞬态起伏变化和平均单调累积增长或消散的特性以及海床内达到零有效应力的液化状态在时间域上间歇性出现、在空间域上连续性移动的规律性。

螺旋桨洗流在实体式码头前沿砂质海床上的间歇冲刷试验研究

随着高功率发动机在船舶上的使用以及船舶机动性能的提高,螺旋桨洗流在实体式建筑物周围的冲刷正逐渐成为冲刷研究的重要内容之一。首先自行研发了一套一体化试验设备,之后利用该设备进行了螺旋桨洗流对实体式码头砂质海床的间歇性冲刷试验研究。通过对d_(50)=0.7 mm的原型砂土海床的间歇冲刷试验发现:在同等试验条件下,与连续冲刷相比,间歇冲刷会加深冲刷坑的深度,加深范围介于1.3%~24.8%;间歇冲刷时单次冲刷时间长度越短,冲刷次数越多,冲刷深度加深的越明显;且随着螺旋桨到码头面距离的增大,间歇冲刷引起的冲刷深度的增加越明显。最后提出了最大间歇冲刷深度的定量预测方法,该方法可为实体式码头前沿砂质海床的间歇冲刷防护提供理论支撑。

砂质海床条件下海底电缆埋深研究

[目的]为了得到海底电缆在砂质海床条件下的安全埋深,确保海底电缆免受船锚威胁,给出了海砂海床条件下的船锚的安全埋深的建议。[方法]为了建议验证埋深的合理和安全性,依托于海南联网一回工程,通过对船锚在典型砂质海床中的拖锚全过程进行数值仿真,建立了典型霍尔锚部件的三维有限元模型,同时建立了基于有限元-光滑粒子流(FEM-SPH)的三维砂质海床土体数值模型。对拖锚全过程进行模拟,得到不同船锚在砂质海床中的拖拽曲线,并分析船锚质量以及砂质海床土体本构参数等因素对船锚贯入深度、船锚拖拽力的影响。[结果]仿真结果表明:不同土质的砂质海床条件下海缆埋深不宜小于0.35 m。[结论]利用研究成果,能为砂质海床条件下的海底电缆保护设计工作提供了理论依据和技术支撑,能够对砂质海床条件下海底电缆的埋设深度进行优化。

波浪荷载下砂质海床液化抑制的试验研究

在波浪荷载作用下,砂质海床往往会由于海床液化最终导致海床的整体失稳,而海床整体失稳的发生将对其上部承载结构物(近海风机、石油平台等)的稳定性产生严重影响。为控制海床液化的影响,大量学者采用解析、数值和现场试验方法对分层海床的海床响应及液化抑制问题进行了研究,但相关的室内试验研究仍处于起步阶段。为进一步完善海床液化相关试验规律及数据,本文采用一维圆筒试验设备对波浪荷载下砂质海床的响应和液化抑制问题进行了试验研究,发现当替换一部分海床为液化保护层后,海床的液化会被极大地抑制,而当替换的液化保护层厚度达到海床总高度的10%以后,海床将完全不发生液化现象。

砂质海岸单桩基础的冲刷特征与防护措施试验研究

[目的]海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上风电基础支撑结构,近年来,单桩结构成为海上风电机组的主要基础形式。单桩基础在海洋环境中的局部冲刷问题对风机结构的稳定性有重要影响。[方法]通过开展系列物模试验,对某建于砂质海床并采用大直径单桩基础的风电场工程的桩基局部冲刷特征进行了研究,分析了不同直径、水深、波浪以及水流等因素对局部冲刷深度和范围的影响,并研究了砂被和沙袋等措施的防护效果。[结果]研究结果表明,对于直径7.0 m和6.5 m两种桩基,冲刷最深处均在单桩迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的0.8~0.9倍。[结论]采用无搭接方式铺设砂被并且采用沙袋填充冲刷坑可对桩基结构周围底床形成很好的防护,可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。

短峰波作用下饱和海床中的单桩响应分析

采用准静态三维数值分析方法直接模拟短峰波作用于海床表面与桩身的三维波压力分布,在考虑了海床土体的流固耦合和桩土界面的接触特征的基础上,研究了短峰波荷载作用下饱和砂质海床中的单桩响应问题.根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下土体的孔压变化规律、桩柱的位移和弯矩分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床和完全埋置单桩的模型结果进行比较.结果表明:泥线附近与桩端处土体的响应局部现象明显;采用桩土耦合模型时,孔压与弯矩响应相比于接触面模型有放大效应,而位移响应则正好相反.完全埋置桩在波浪作用下的响应主要受海床影响,在桩柱伸出海面的模型中,波浪荷载在桩柱上的影响起主导作用.

单向海流载荷下海底管道局部冲刷试验研究

采用量纲分析法建立了海底管道局部冲刷的相似准则,利用模型实验研究了管道局部冲刷的物理过程,以及极限平衡冲刷深度的影响因素。实验观测发现,对于初始嵌入深度较小的管道而言,局部冲刷一般可分为管道悬空、间隙冲刷、尾迹冲刷和平衡冲刷四个特征阶段。在亚临界流动范围内,管道极限平衡冲刷深度与雷诺数的相关性较小。在清水冲刷条件下,无量纲极限平衡冲刷深度随希尔兹数的增加而增大;在所研究的初始间隙比范围内(-0.25<e0/D<0.55),极限平衡冲刷深度与初始间隙比之间大致呈线性递减关系。

海底管道失稳过程的模型试验研究

直接铺设于砂质海床上的管道的失稳是一“流—管—土”耦合问题。本文利用U形水槽产生的振荡流对管道的失稳过程进行了模拟 ,通过改变管道水下重量、管径和加载历史研究管道失稳的条件。在试验结果的基础上 ,初步得到了管道失稳的临界Fr数与管重无量纲参数之间的关系曲线 。

海上升压站导管架基础的冲刷试验研究

[目的]海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上升压变电站,近年来,海上风电场升压站基础的主要形式为导管架结构。[方法]结合拟建于砂质海岸的某风电场工程,设计了不同比尺的导管架基础波流局部冲刷物理模型试验,分析了波浪、水流对局部冲刷深度的影响,研究了波流联合作用下桩基基础局部冲刷的范围、深度,以及砂被和沙袋的防护效果。[结果]研究结果表明:对于升压站导管架基础,冲刷最深处均在基础的迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的1.75倍。[结论]研究方法及有关结论可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。