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.

非饱和砂质海床在复合防波堤下固结的数值研究

本文以Biot动态方程(u-p公式)为控制方程,采用有限元方法和Generalized Newmark-β时间积分方法,在SWAN-DYNE的基础上发展了用于分析海床基础固结和动态响应分析的计算程序PORO-WSSI 2D。利用太沙基一维固结理论验证了POR-WSSI 2D中固结模块的有效性。利用该计算程序,深入研究了大型海床基础在大型复合式防波堤和静水压力作用下的固结过程以及最终的固结状态。计算结果表明计算程序PORO-WSSI 2D能够有效地分析评价海床基础在海洋结构物作用下的固结过程以及预测海床基础的剪切破坏行为。所确定的最终固结状态还可以为后续研究海床基础在波浪、地震等动力荷载作用下的动态液化和剪切破坏提供可靠的初始条件。

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。

波浪作用下砂质海床最大液化深度

根据线性波浪作用下饱和海床内孔隙水压力分布的解析解和波浪作用下海床液化的判别准则,推导了均匀海床最大液化深度的计算公式,并根据该公式提出了防止海床液化措施的建议。

P-SV波入射时海水-层状海床体系的自由场分析

基于势流理论及Biot多孔介质模型,分析了海水-饱和海床-弹性基岩体系在平面P-SV波入射情形下的动态响应。根据理想流体、饱和海床及弹性基岩之间的界面连续条件,运用Thom son-Haskell传递矩阵方法可得出饱和海床及其上覆海水层的稳态响应,并得到瞬态响应。通过算例验证了该方法的可行性以及所编程序的正确性。进一步分析了入射角度、海水层厚度对自由场响应的影响。结果表明,P-SV波入射时,入射角度和海水层对饱和土表面的响应具有较大影响,在确定海底地震动设计中不可忽视。对于地震波入射时,复杂海底地形的地震反应,以及海水-海床-结构相互作用分析,该方法可为其提供自由场输入。

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤,建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型,结合海底管道实际工作条件的变化范围,分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律,将6个参数作为输入层参数,以管道损伤作为输出参数,将数值模拟结果作为训练样本,通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明:坠物撞击能量越大,管道损伤越大,管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓;管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加,管道损伤减小;饱和黏土海床不排水抗剪强度越大,管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型,仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数,模型简单、便捷,能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤,数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件,具有很好的适用性,为海底管道损伤预测提供了新思路。

海水-海床体系在P-SV波入射时的动力响应分析

基于势流理论及Biot多孔介质模型,分析了海水-饱和海床-弹性基岩体系在平面P-SV波入射情形下的动态响应。根据理想流体、饱和海床及弹性基岩之间的界面连续条件,运用Thomson-Haskell传递矩阵方法可得出饱和海床及其上覆海水层的稳态响应,并进一步得到瞬态响应。数值结果表明,一定深度的海水层对饱和土表面的位移具有放大作用,饱和土中的动孔隙水压力会随着海水层深度的增加而增大。