波流荷载作用下桩基周围海床动力响应及液化机理研究

发布时间：2020-05-07 01:35

【摘要】：在复杂的海洋环境中,桩基会长期遭受波浪、水流等海洋动力荷载的侵袭。波流荷载不仅会对结构物本身造成一定的损伤,而且会诱使桩基周围海床土体中的应力发生变化。当海床土体中的孔隙水压力逐渐增大时,有效应力会逐渐减小,若有效应力趋于零,部分海床可能会发生液化,进而影响桩基的稳定性。此外,海床响应与泥沙冲刷的耦合机理已成为当前国际海洋土木工程领域的研究热点,而揭示波流荷载作用下结构物周围海床动力响应规律是进一步研究海床响应与泥沙冲刷耦合机制的重要前提。本文将通过理论分析与数值模拟相结合的方式对波流荷载作用下桩基周围海床土体的振荡响应、累积响应及液化机理分别展开研究,具体内容如下:1.将Biot多孔弹性理论(u-p模式)作为海床土体动力响应的控制方程,建立了孔隙水-土骨架耦合多孔弹性海床模型,将波流模型与新建海床模型相结合,基于OpenFOAM平台建立了描述波流荷载作用下结构物周围海床土体振荡响应的三维流-固-土相互作用数值模型,将新建模型与以往实验进行对比验证,结果表明本文振荡海床模型有效可靠,且计算效率和求解精度均较高。2.基于振荡海床模型分析了波流荷载作用下单桩周围海床土体振荡孔隙水压力及有效应力的分布规律,揭示了单桩周围海床土体的瞬态液化机理,并系统地研究了流速、波浪参数、土体特性及结构物几何特征对单桩周围振荡海床响应及瞬态液化的影响。3.改进了循环荷载作用下海床土体中剪应力比的定义,重新推导了累积海床响应的控制方程,基于OpenFOAM平台建立了描述波流荷载作用下结构物周围累积海床响应的三维数值模型,并对新建模型的有效性进行了验证,结果表明本文累积海床模型能够准确预测循环荷载作用下海床土体中孔隙水压力的发展变化。4.基于累积海床模型系统地研究了波流荷载作用下单桩周围海床土体中孔隙水压力的累积规律,改进了既有液化判定准则,使其能够同时考虑振荡孔压与累积孔压对海床液化的影响,揭示了单桩周围海床土体的残余液化机理,同时对波流荷载作用下海床土体累积孔压响应的影响因素开展了参数敏感性分析。5.基于本文建立的波流-结构物-海床相互作用数值模型系统地研究了波流荷载作用下群桩周围的振荡海床响应与累积海床响应,揭示了波流入射角与结构物几何特征对海床土体动力响应的影响机制,分析了群桩周围海床土体的液化发展规律。
【图文】：

海洋结构物因波浪诱使海床失稳而发生破坏：(a)胜利油田采油平台倾斜[6]

同加载频率和渗透系数下 Biot 流-固耦合模型三种不同形式的适用范上，，Jeng 和 Cha[43]通过解析方法分别求解了三种不同形式的解析结果系统地研究了惯性项对波浪荷载作用下海床响应iot 准静态流-固耦合模型的求解结果与另外两种形式的 Biot距较大，而 u-p 模式的求解结果与 u-w 模式的求解比较接近频率属于低频范围。此外，Jeng 和 Cha[43]还发现土的动力特力的影响比其对波浪引起的孔隙水压力的影响更加显著。基研究结果，Jeng 和 Cha[43]给出了在求解波浪-海床相互作用态方程的边界线，具体如图 1-3 所示
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1;P736

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本文编号：2652206