波浪荷载作用下海洋桩基及土体的力学特性研究

发布时间：2020-05-29 09:57

【摘要】：不管采用海洋桩基的是海洋开敞式码头,还是海洋平台,其桩基础都处于复杂、恶劣的海洋环境中,承受着多种随时间和空间变化的载荷,包括风、波浪、海潮、洋流、冰等。在国内外海洋工程开发中,曾有不少海洋桩基础失稳造成的事故发生,造成了重大的经济损失和不良的社会影响。由此可见,研究波流荷载作用下外海桩基,以及桩基周围海床土体水力学特性问题对提高海洋桩基承台的安全性、结构可靠性、延长使用年限等问题已成当务之急本文对波浪荷载下海洋桩基及土体的力学特性进行了研究。采用数值方法对波浪荷载下海床动力响应问题进行研究,并通过数值方法对实验结果进行理论验证。利用改进后的圆筒实验设备,对纯海床和埋桩海床土体在波浪荷载下的响应情况进行实验研究,分析水深、波高、周期等对海床土体响应的影响情况。具体研究内容和结论如下:(1)建立波浪-海床动力模型。使用Flow3D对线性波进行模拟,将波浪荷载作为外部荷载导入COMSOL,运用FEM方法解水土耦合的Biot动力方程,得到波浪荷载作用下土体有效应力、位移和孔隙水压力的数值解。通过将数值模型的结果与文献解析结果进行对比,验证了数值模型的正确性。将砂土海床的实验数据与数值模拟结果进行对比,证实了实验方法的正确性。为后续的模型试验提供了理论依据。讨论波浪周期、水深、土体渗透系数、饱和度等参数对土体孔隙水压力的影响。(2)纯砂土和粉土海床模型实验研究。采用一维圆筒试验装置,通过加载装置控制模型土体上方的波压力,可模拟长周期、大波高波浪海况。通过改变波浪周期、波高、水深和砂土、粉土级配等参数,对波浪荷载作用下砂土和粉土海床孔隙水压力响应进行研究。在海床实验中发现波浪周期T、波高H和土体渗透系数Kz的增加会使海床孔隙水压力最大振幅值增加;波浪周期越小,波高越高,土颗粒越粗,土体越松散,海床的液化深度越大。波浪荷载作用下不同深度的海床孔隙水压力相位与波浪荷载的相位相比,产生了滞后现象,底部孔压会比海床表面波压力滞后1-2s;在粉土海床中,土体孔隙水压力波形还会产生明显变形。(3)埋桩海床模型实验研究。对一维圆筒试验装置进行改造,改造后的设备能在筒内安装模型桩并可测量桩身附近的孔隙水压力。在试验中,通过改变波浪周期、波压力、水深、砂土的相对密实度等参数,测量桩周土体内的孔隙水压力分布,对不同参数的影响情况进行研究。实验中发现波浪周期和波高的增加,会使桩周土体的孔隙水压力最大振幅值增加,海床土体相对密实度的增加会使土体孔隙水压力最大振幅值减小;海床土体孔隙水压力在靠近桩底区域出现突然增大现象,出现桩端孔压放大效应,波浪周期、波高和渗透系数的增加,会增大这一放大效应;波浪高度的增加,波浪周期的减小会增加海床的液化深度,桩的存在会影响海床的液化深度,当桩发生上浮时,海床的液化深度会减小。
【图文】：

海洋结构物

（c）山东东营胜利油田 3 号钻井平台倾斜图 1-1 海洋结构物破坏Figure 1-1 Damaged marine structures究现状为最常见的基础形式，在海洋结构物中应用广泛，因基及土体的力学特性进行研究非常必要。本文将首先论，在此基础上进行波浪荷载下桩周海床响应的数值床在波浪作用下的响应情况以及埋桩时海床的响应情国内外在波浪和海床响应相关问题的研究现状和进展理论法的发展和现状

关系图,关系图,模型,动态模型

上海交通大学硕士学位论文浪荷载作用下的孔压响应问题进行了研究。在 Biot 固结理论中，忽略了土颗粒的惯性力，但实际情况中土颗粒的惯性能会产生一定的影响。所以 Biot[22]又提出了考虑流体和土体的速度以及土体度的 u-p 动态模型。之后 Biot[24]对 u-p 动力模型进行了修改，提出了同时考体和土体的速度和加速度的 u-w 动态模型。Jeng 等[25]在波浪荷载作用下海床的求解中引入了 u-p 动力模型。Jeng 和 Cha[26]、Ulker[27]，进一步将 u-w 动态引入到波浪荷载作用下海床响应问题研究中，并得了到与实测值更吻合的结述 Biot 固结模型、u-p 动态模型、u-w 动态模型之间的关系如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75

【参考文献】