波浪荷载作用下粉质海床土体累积孔压响应及力学性质分析

作     者：荣富 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王建华;周香莲;廖晨聪

授予年度：2019年

学科分类：070704[理学-海洋地质] 0709[理学-地质学] 07[理学] 0707[理学-海洋科学] 

主      题：粉质海床 长期动力响应 累积孔压 渗透率各向异性 力学性质 

摘      要：粉质海床土广泛存在世界上80%的海岸区,它的工程性质介于粘土和砂土之间,在海洋环境长期波浪荷载作用下,海床土体产生振荡超静孔隙水压力以及累积超静孔隙水压力,从而使土体的有效应力下降。波浪荷载长期作用对土体的力学性质也产生重要影响,力学性质直接决定地基的承载力,对海洋构筑物的地基稳定性具有重要的意义。本文采用数值方法建立了波浪-海床相互作用模型,考虑海床的渗透率各向异性,对海床累积超静孔隙水压力进行了深入地分析。同时,通过一维圆筒试验设备,对波浪荷载作用下粉质海床的长期动力响应进行研究,对波浪荷载作用前后的海床土样的力学性质进行分析。本文的研究内容和结论主要有以下三点:1、建立了考虑海床渗透率各向异性的二维累积孔压数值模型。以Biot多孔弹性方程作为海床的控制方程,并利用Comsol流固耦合方程求解。通过与室内波浪水槽试验结果进行对比验证,表明该二维模型可以较为准确地模拟波浪荷载作用下渗透率各向异性粉质海床的累积孔压响应。研究结果可见:累积孔压随时间变化逐渐上升,然后趋于平缓达到最大值;沿深度方向的分布为累积孔压值先增大后减小,远离海床中部的累积孔压小,沿海床水平方向,各位置随时间变化稳步增长;累积孔压的最大值随波浪高度和长度的增大而增大,随波浪周期、平均水深的增大而减小,并且波浪高度和平均水深的变化对累积孔压最大值的影响更加显著;累积孔压最大值随土体饱和度和剪切模量的增大而减小,随横向渗透系数和竖向渗透系数的增大而减小,对竖向渗透系数的变化更加敏感。2、利用一维圆筒设备对持续波浪荷载作用下粉质海床累积孔压全过程进行分析,并分别对均匀土和分层土孔压响应进行了研究。研究表明:海床表面主要呈现为振荡孔压,海床深部均有明显的累积孔压,随着时间的变化缓慢上升并达到最大值,随着海床深度的增加,累积孔压的最大值具有滞后现象;在波浪荷载的持续作用下,海床内的孔压经历上升、稳定和消散三个过程,上升的过程中,孔压的振幅会发生增大,消散的过程中,孔压的振幅降低,而累积孔压在消散后其平均值会保持恒定的孔压值;累积孔压随着波浪高度的增加而增加,随波浪周期和平均水深的增大而减小,对于分层海床,上部的砂土海床主要为振荡孔压,并伴随有振幅衰减和相位滞后的现象,下部的粉质海床的累积孔压变化不明显。3、利用固结仪和直剪仪对波浪荷载试验前后的粉细砂海床和试验后的粉土海床土体进行力学性质分析。结果表明:波浪荷载试验后的上层海床孔隙比变化值等于或略大于作用前,而中部和深部海床,试验前的孔隙比变化值要比试验后明显,对于深部海床,海床的最小孔隙比差别不大;粉土海床随着海床深度的增加,土体的压缩性明显减小;粉细砂的抗剪强度在波浪试验后有所增加,海床土体表面较为松散,表现为粘性,并且粉细砂和粉土海床的海床表面粘聚力要大于海床的中下部。