波浪作用下单桩周围砂质海床瞬态响应研究

发布时间：2020-06-29 08:24

【摘要】：随着国家“海洋强国”和“一带一路”战略的发展,我国迎来了海洋结构物建设的高潮,特别是在跨海桥梁方面,成果更为显著。与内陆桥梁不同,跨海桥梁所处的海洋环境比较复杂,其下部桩基础往往承受较大的波浪荷载,影响桥梁结构的稳定性。周期性的波浪荷载一方面会直接对桩基础造成损伤,直接造成结构性破坏;另一方面,波浪会对桩基周围的海床响应产生影响,间接危害海洋结构安全。在波浪的传播过程中,会在海床表面施加周期性的波浪荷载,使海床中的应力发生变化,当其有效应力逐渐减小至零时,海床土体会发生液化丧失承载能力,进而导致上部结构物的失稳破坏。因此,研究桩基周围的海床动力响应对保障海洋结构物的安全有重要意义。本文基于建立的三维数值模型,结合物理模型试验对波浪作用下桩基周围海床土体的瞬态响应和液化机理进行研究。本文首先以RANS方程作为波浪的控制方程,用Flow 3D软件建立了波浪-结构物相互作用模型;然后将Biot多孔弹性方程(QS模式)作为海床响应的控制方程,基于COMSOL Multiphysics软件建立了多孔弹性海床的数值模型。将波浪模型与海床模型相结合,进一步建立了波浪-单桩-海床相互作用的三维数值模型。通过与以往解析解和试验数据的对比,证明了新建模型的准确可靠,能够较好地模拟波浪作用下单桩周围的海床响应。进行物理模型试验,对波浪作用下单桩周围海床的孔压响应进行了试验研究。根据所测数据,分析了单桩周围孔隙水压力沿波浪传播方向、沿海床深度方向和沿桩周环向的分布规律,并进行了相应的参数分析。基于波浪-单桩-海床相互作用的三维数值模型,分析了波浪作用下单桩周围海床振荡孔隙水压力的分布,揭示了多孔弹性海床的瞬态液化机理,并系统性地研究了波浪参数和桩径对单桩周围振荡海床响应和瞬态液化的影响。此外,根据数值模拟的结果,结合液化判别准则,对波浪作用下单桩周围液化情况的变化规律进行研究,拟合出一个单桩周围最大液化深度的计算公式,为实际工程提供参考。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U443.15;P75
【图文】：

海床,海洋结构物,失稳

对桥梁结构的稳定性带来危害。因此，对于波浪-海床-结构物相互作用的研究已经成为近年来土木工程及海洋工程领域的热点课题。波浪荷载对海洋结构的影响主要分为两个方面。一方面波浪力直接作用在结构上，可能会引起结构的振动响应，当作用的波浪力足够大时，直接造成海洋结构破坏；另一方面，波浪会对海床的力学性质产生影响。波浪传播时会在海床表面施加循环的波浪压力，在周期性的波浪压力作用下，海床中的孔隙水压力沿深度方向会有明显的衰减和相位滞后现象，沿海床深度方向存在压力梯度，从而产生渗流现象。海床在波浪等循环荷载的作用下，土骨架之间的孔隙水压力会增大，而有效应力则会减小，当其有效应力减小到零时，土颗粒会处于悬浮状态，海床将无法承受荷载，即出现海床液化现象，进而影响海床稳定性并导致海上结构物失稳破坏，如 2010 年我国山东的胜利油田 3 号作业平台的倾覆事故造成了巨大的生命财产损失[1]，而事故主要原因是“玛瑙”台风引起的巨型风浪作用于 3 号平台周围海床，导致其下覆软弱地层发生液化，随着液化不断发展，范围不断扩大，最终导致平台艏桩桩脚失稳，平台随之倾覆；此外，海床失稳也会导致防波堤破坏、海底管道上浮等事故(如图 1-1 所示)。

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西南交通大学硕士研究生学位论文第10页.3.2 研究方法本文通过数值模拟与试验分析相结合的研究手段，对波浪作用下单桩周围海床的荡响应和瞬态液化机理进行了研究。利用 Flow 3D 软件和 COMSOL Multiphysics 软分别建立波浪模型和海床模型，采用数据传输接口实现两模型的数据交互，以达到拟波浪-海床-结构物间相互作用的目的；通过对比新建模型与解析解和试验结果，对型的准确性和有效性进行验证。进行波浪水槽试验对单桩周围海床的孔压响应进行步研究，再基于建立的模型分析波浪参数和桩径对单桩周围海床振荡响应和液化的响规律深入研究并揭示波浪作用下单桩周围海床的孔压响应及瞬态液化机理，并拟出一个单桩周围最大液化深度的计算公式。综上所述，本文的技术路线图如图 1-2 所示。

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