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海洋工程 2024年

作者：蔡明辉杨明辉杨汉厦门大学建筑与土木工程学院福建滨海土木工程数值仿真重点实验室

恶劣海况条件下由波浪荷载引起的海床液化是造成海洋结构物失稳的主要因素之一。为研究恶劣海况条件下海床最大液化深度的响应问题，首先将海洋波浪视为二阶非线性随机波，并以波浪频谱作为描述随机波浪的主要参数，推导了海床内部超孔... 详细信息

恶劣海况条件下由波浪荷载引起的海床液化是造成海洋结构物失稳的主要因素之一。为研究恶劣海况条件下海床最大液化深度的响应问题，首先将海洋波浪视为二阶非线性随机波，并以波浪频谱作为描述随机波浪的主要参数，推导了海床内部超孔隙水压力响应频谱与随机波频谱关系式。在此基础上，考虑了随机波浪荷载作用下海床动态响应计算结果的不确定性，依据基于瑞利变换的概率分析方法，结合二阶非线性波作用下超孔隙水压力动态响应解析解，提出了利用频谱为基础计算参数的非线性随机波作用下海床土体液化概率的求解方法，该方法可直接计算不同深度处海床液化概率值，概率计算过程简便高效，并与他人的试验数据对比，验证了该方法的实用性。最后，利用Jonswap谱作为输入频谱进行分析。分析结果显示，有效波高Hs与显著波周期Ts的增大会增大不同深度处的海床液化概率，且最大液化深度也随之增加；而在相同的波浪等级下，最大液化深度随水深d的减小而增大；非均匀海床上覆土层的性质主导了海床的液化概率分布情况。

关键词：二阶非线性随机波波浪荷载海床动态响应频谱液化概率

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波浪荷载下半圆形防波堤附近砂质海床地基动力响应和液化数值分析

波浪荷载下半圆形防波堤附近砂质海床地基动力响应和液化数值分析

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作者：吕絮青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,海洋资源不断得到开发,为防止波浪对海岸带造成破坏,新型防波堤不断被设计和开发,半圆形防波堤作为一种新型的海工防护建筑物应运而生。半圆形防波堤所处的运行环境恶劣,波浪荷载不仅会对防波堤产生冲击力,造成结构物自身破坏,... 详细信息

近年来,海洋资源不断得到开发,为防止波浪对海岸带造成破坏,新型防波堤不断被设计和开发,半圆形防波堤作为一种新型的海工防护建筑物应运而生。半圆形防波堤所处的运行环境恶劣,波浪荷载不仅会对防波堤产生冲击力,造成结构物自身破坏,同时会与海床地基相互作用,导致海床土体发生液化,影响结构物的稳定性,减少服役时间。海床地基的稳定是保证海洋结构物安全运行的重要前提之一,波浪荷载作用下结构物附近的动力响应和液化分析受到了众多学者的关注。因此,本文将采用数值模拟的方式对波浪荷载下半圆形防波堤周围海床土体的动力响应和液化问题展开研究,具体内容如下:基于OpenFOAM平台建立波浪-结构物-海床的耦合数值模型研究结构物附近海床的动力响应。其中流场模型基于现有Ola Flow求解器模拟波浪的产生、传播及其与防波堤结构物的相互作用。海床模型分别基于Biot固结模型和半动态模型进行数值开发,实现海床在结构物自重作用下的固结过程和波浪荷载作用下的动力响应过程,并基于上述模拟结果和液化判定准则进行海床液化分析。波浪模型和海床模型通过压力连续性边界条件进行耦合,即通过求解波浪水槽底部的波压作为海床表面荷载边界条件求解海床模型的控制方程。首先对建立的波浪-结构物-海床耦合模型进行网格收敛性分析,确保模型具备高计算精度的同时具备较快的计算效率。然后采用已有的水槽试验结果与数值模拟结果比对,验证本文所建立的数值模型的可靠性。分别验证无结构物和有结构物的水槽试验,分析不同位置处液面时程曲线和海床土体孔隙水压力变化,数值模拟结果与试验结果吻合度较高,表明本文建立的数值耦合模型能够较为精确地模拟波浪作用下防波堤周围的水动力特性及海床响应特性。研究分析不同波浪参数、海床参数和半圆形防波堤的几何参数对附近海床地基动力响应的影响。结果表明波浪荷载作用下,海床中的孔隙水压力最大值随海床深度的增加而减小;有效应力最大值随海床深度的增加呈现出先增大后减小的趋势,峰值出现在浅层海床处,防波堤与抛石基床连接处动力响应最强烈。波高、周期和渗透系数的增大会加剧海床土体的动力响应;水深的增加会减弱海床的动力响应;半圆形构件半径与海床的动力响应呈负相关;泊松比对海床的动力响应影响较小。基于上述模拟结果,结合液化判定准则,进一步研究不同参数变化下海床最大液化深度。研究了以半圆形防波堤为基础的分离式防波堤周围海床动态响应。研究结果表明,波浪与防波堤相互作用,结构物周围的波形发生改变,波峰处变尖,波谷处变缓。孔隙水压在浅层海床处骤减,在更深海床土体范围内基本保持不变。结构物下方海床地基在防波堤重力作用下发生渗流固结,有效应力增大,在动态波浪荷载作用下不易发生液化。分离式防波堤中间区域在某时刻下形成瞬态液化区,防波堤存在倾斜的风险,威胁结构物整体稳定性。

关键词：半圆形防波堤波浪荷载海床动态响应海床液化耦合数值模型

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波浪作用下海床稳定性评价模型及其工程应用

波浪作用下海床稳定性评价模型及其工程应用

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作者：刘涛中国海洋大学

学位级别：硕士

波浪在海床上传播时，与海床之间存在相互作用的问题：一方面海床吸收波浪的能量，使波浪发生衰减和变形;另一方面，波浪在海床面上产生波压力和剪应力，进而影响海床的稳定性。由于波浪力的时空变化性，致使海床中出现渗流，引起孔隙... 详细信息

波浪在海床上传播时，与海床之间存在相互作用的问题：一方面海床吸收波浪的能量，使波浪发生衰减和变形;另一方面，波浪在海床面上产生波压力和剪应力，进而影响海床的稳定性。由于波浪力的时空变化性，致使海床中出现渗流，引起孔隙水压力和有效应力的变化;使海床出现变形、软化、承载力下降、液化等现象，导致海床的失稳，乃至海床上建筑物的破坏。因此研究海床对波浪的响应是海岸工程建设中的一个重要课题。为深入研究海底土对波浪的动态响应，开展现场试验，开发了一套适合于海上土体原位静动态探测仪器及其配套的数据采集系统;成功进行了现场实验。并结合现场波浪潮汐情况和室内土工实验资料，通过实验数据对研究区海床在波浪荷载作用下的响应情况进行了不同时间尺度和空间尺度的分析，对发生的现象从机理上进行了分析。本文针对研究课题提出一种数学模型：基于Biot二维固结理论，采用多孔介质弹性模型，分别考虑海床中超孔隙水压力的瞬态响应和累积效应，对二维简化的海床在波浪作用下的动态响应进行了数值分析;并利用研究区海床和波浪的实际参数，与现场试验采集的数据进行了对比，通过实测数据对本文提出的数学模型进行了验证。并利用国内外各种规范标准及验证的数学模型，提出了一套海床对波浪作用下稳定性分析的评价模型，可以将波浪作用下海床中应力、位移、孔压等分布规律及海底土液化破坏分析用可视化的形式表现出来;系统还包括桩基、管线等海底结构物在波浪荷载下的稳定性分析;该系统可以为海洋工程设计和施工提供可靠、有效的土性参数，便于工作人员、施工单位参考，并进行分析和决策。这一系统结合工程应用对海底稳定性进行了评价，有利于海上石油平台安全监测和海洋工程地质环境评价。

关键词：波浪荷载海床动态响应现场实验数值模拟评价系统

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