（岩土工程专业论文）随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 波浪作用下海床和海洋地基的动力稳定性是近海及海洋工程建筑物在设计和建造 时必须考虑的重要问题之一。目前结合波浪荷载特点和海洋土的实际工程特性的研究和 设计并不多见。作者考虑波浪和波浪荷载的随机和非线性特性，同时考虑波浪一海床相 互作用，建立了求解实际波浪荷载作用下海床动力响应和液化深度的精确计算模型，对 应完善了解析解法和有限元数值鹪法，通过大量数值计算和对比分析，着重讨论了波浪 在传播过程中受多孑l 介质海床消能的影响，以及波浪荷载的随机和非线性特性对于海床 动力响应和液化深度的定量影响程度，为实际海洋环境条件下海床液化与稳定性评价提 供理论基础和技术储备。论文的主要研究内容如下： 1 重新推导和验证了基于准静态模式和完全动力响应模式的海床响应解析解，并 给出两种模型的适用条件，为后续章节的研究内容奠定了理论基础； 2 采用复变量解祈法，基于准静态模式和完全动力响应模式推导和建立了能够考 虑多孔介质海床对波浪传播影响的波散方程。通过变动海床和波浪的主要特征参数，进 行数值计算和对比分析，探讨和归纳了多孔介质海床对于波浪传播影响的规律和特性。 结果表明，海洋土体和波浪参数的变动对波长比厶和能量衰减系数岛都有不同程度 的影响：基于两种计算模式计算得到的波长比厶和能量衰减系数p 。随海洋土体及波 浪参数的变化趋势基本相同；相同海况下，与准静态模式计算结果相比，基于完全动力 响应模式计算得到的波长比厶l 和能量衰减系数更小；水深的变化对波长比工厶影 响相对规则，与深水区相比，浅水区内的波浪传播更容易受到海床的消能影响，深水区 波浪传播几乎不受到海床消能的影响；海洋土体参数的变动对波长比三三n 变化的影响程 度基本相同，但渗透系数和剪切模量变动引起能量衰减系数e 。的变化更明显；多孔介质 海床对低频波浪传播的影响明显高于对高频波浪传播的影响； 3 应用线性叠加法，采用平均j o n s w a p 谱模拟随机波浪，并考虑随机波浪一海 床的相互作用，建立了新的求解随机波浪荷载作用下海床动力响应和液化深度的精确数 值分析模型，并采用复变量解析法进行求解。结果表明，在随机波浪荷载作用下，海床 动力响应具有较强的不规则性。同时由于波压力向海床内部传播具有时滞性，海床动力 响应的峰值在时程上与随机波浪幅值的瞬时峰值不同步；由随机波浪理论计算得到的海 床动力响应最大幅值沿海床深度方向的分布趋势与根据线性规则波浪理论得到的分布 趋势基本相同，但数值上存在差异。其中采用传统随机分析方法的计算结果幅值最大， 采用传统线性规则波浪理论的计算结果幅值最小，基于改进的随机分析模型的计算结果 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析一 介于两者之间，三者之间的差值比较明显；根据随机波浪理论计算得到的海床晟大液化 深度明显大于线性规则波浪理论的计算结果，其中基于改进的随机分析模型得到的液化 深度介于其他两种分析方法的结果之间。因此在海洋地基设计和自由场地安全评估时应 该合理地考虑波浪荷载的随机特性。 4 应用一阶椭圆余弦波和二阶s t o k e s 波等非线性波浪理论，考虑浅水区波浪传播 的非线性效应，在时域上采用有限单元法对非线性波浪荷载作用下饱和砂质海床的动力 响应进行了数值求解，并与线性规则波浪荷载作用下海床动力响应进行了对比分析。计 算结果表明：当波浪由深部向近岸浅部传播而发生变形时，随着无量纲参数z d 与 z 、屉膨的增大，波浪的非线性程度增大，海床中孔隙水压力和有效应力的幅值明显地增 大；不同波浪理论计算结果表明，海床中有效应力和孔隙水压力幅值沿海床深度方向的 变化趋势基本相同，但数值存在差异，根据非线性波浪理论计算所得到的海床动力响应 均大于线性规则波浪理论的计算结果；由一阶椭圆余弦波与二阶s t o k e s 波两种非线性波 浪理论所得到的海床动力响应之间相互大小关系并不唯一，具体取决于波浪和海床条件 的组合。 关键词：海床：波浪荷载；相互作用；非线性；随机性 一1 i 大连理工大学博士学位论文 n u m e r i c a le v a l u a t i o nf o rd y n a m i cr e s p o n s ea n dl i q u e f a c t i o nb e h a v i o r o fs e a b e du n d e rr a n d o ma n dn o n - l i n e a rw a v el o a d i n g a b s t r a c t t h ea n a l y s i so fd y n a m i c r e s p o n s e o fs e a b e dd u et ow a v el o a d i n gi so fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ei nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fm a r i n es t r u c t u r e sa n do f f s h o r ei n s t a l l a t i o n s r e c c e n t l yc o n s i d e r a b l ee f f o r t sf o rt h i sp r o b l e mh a v eb e e nm a d ew i t hg r o w i n gi n t e r e s tb y m a n yr e s e a r c h e r sa n dm a r i n ee n g i n e e r s ，a n dm a n yr e p r e s e n t a t i v er e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d i ti so b v i o u st h a tw a v el o a d i n gp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h ee v a l u a t i o no fc o n s t r u c t i o ns a f e t y a n ds e a b e di n s t a b i l i t y b u tt h e r ea r ef e wr e s u l t so fr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gd e s i g nt h mc a n c o n s i d e rt h ef e a t u r eo f w a v el o a d i n ga n ds o i lp a r a m e t e r st o g e t h e r t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si s t oe s t a b l i s har e a s o n a b l eh u m e r i c a tm o d e lt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i e so fr a n d o m n e s sa n d n o n - l i n e a r i t yo fw a v el o a d i n g n l ed y n a m i cc o r r e a l t i o nb e t w e e nw a v ea n ds e a b e dc a na l s ob e d e s c r i b e dt h r o u g ht h i sm o d e l c o m p a r a t i v ep a r a m e t r i cs t u d i e sa r ep r i n c i p a l l ym a d eb e t w e e n t h ep r o p o s e da n a l y s i sc o n s i d e r i n ga c t u a lf e a t u r eo fo c e a ns i t u a t i o na n dc o n v e n t i o n a la n a l y s i s b a s e do nl i n e a rt h e o r yo fr e g u l a rw a v e t h ee f f e c to fr a n d o m n e s sa n dn o n - l i n e a r i t yo fw a v e l o a d i n go nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs e a b e di si n v e s t i g a t e d n en e c e s s i t yi sd i s c u s s e da b o u t c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fe l i m i n a t i n ge n e r g yo np r o p a g a t i n gw a v eb yp o r o u ss e a b e d t h e m a i n i n v e s t i g a t i o n sc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n sb a s e do nq u a s i c - s t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e la r ed e r i v e d a n dv e r i f i e d 1 1 l en e c e s s a r yc o n d i t i o no fa d o p i n gd y n a m i cm o d e li sd i s c u s s e d m o d i f e d e x p r e s s i o np r o v i d e st h ea c d e m i cb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 2 b a s e do nq u a s i s t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e l t h ea n a l y t i c a lm e t h o dw i mc o m p l e x v a l u ei sa d o p t e dt od e r i v ea n de s t a b l i s hw a v ed i s p e r t i o ne q a u t i o n ，w h i c hc a nb eu s e dt o c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fp o r o u ss e a b e do nw a v ep r o p a g a t i n g t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n s e a b e da n dw a v ea r ed e s c r i b e dt h r o u g hn u m e r o u sc o m p a r e dn u m e r i c a lr e s l u t so fp a r a m e t r i c s t u d i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i a t i o no fs o i lp a r a m e t e r sa n dw a v ed i a g n o s t i cp a r a m e t e r s h a v eg r e a te f f e c t so nw a v el e n g t hr a t i oz 厶a n dt h ec o e f f i c i e n to fe n e r g ya t t e n u a t i o n 气 1 1 1 er e s u l t so fa f o r e m e n t i o n e dt w on o n d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r sb a s e do nd y n a m i cs o l u t i o n a r el e s st h a nt h er e s u l t sb a s e do nq u a s i c s t a t i cs o l u t i o n n l ed i s t r i b u t i o n so f 正偈a n de a v e r u st h ep a r a m e t e r so fw a v ea n ds e a b e da l es a n l e 、 ，i t l le a c ho t h e rb e t w e e na n a l i t c a lr e s u l t s b a s e do nt w ok i n d so fm o d e l w h e nw a v ep r o p a g a t e so v e rs h a l l o ww a t e rr e g i o n ，t h ew a v e e n e r g yl o s e sm u c hr a p i d l yt h a no nd e e pw a t e rr e g i o n i ti se x p e c t e dt h a tp o r o u ss e a b e da l m o s t h a sn oe f f e c to nw a v ep r o p a g a t i n gi nt h er e g i o no f v e r yd e e pw a t e r , a m o n gt h ep a r a m e t e r so f s o i l ，p e r m e a b i l t ya n ds h e a rm o d u l u sh a v ed i s t i n c te f f e c t so nt h ec o e f f i c i e n to fe n e r g y a t t e n u a t i o ne a ，c o m p a r e dw i t l lt h es e aw a v eo fh i g hf r e q u e n c e t h es e aw a v ew i t hl o w i l l 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析 f f e q u e n c ei sm o r er e a d i l yt ob ei n f l u e n c e db yp o r o l l ss e a b e d t h ed i 丘b r e n c eb e t w e e n p r o p o s e dw a v ed i s p e r t i o ne q u a t i o na n dt r a d i t i o n a lw a v ed i s p e r t i o ne q u a t i o ni sc h e c k e d ，w h i c h i su e s f u lf o rp r a t i c a lm a r i n ee n g i n e e r i n g 3 i nc o n v e n t i o n a la n a l y s e so fs e a b e dd y n a m i c s w a v el o a d i n gi sb a s i c a l l yt r e a t e d 鹋a d e t e r m i n i s t i cp r o c e s sa n di su s u a l l yt a k e nh a l oc o n s i d e r a t i o nb yu s i n gl i n e a rt h e o r yo fr e g u l a r w a v e i nf a c t o c e a nw a v ei so fi n t r i n s i cr a n d o m n e s si nb o t ht i m es e q u e n c e sa n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o n t h er a n d o mn a t u r eo fb o t hw a v ea n dw a v c i n d u c e dl o a d i n gw i l ls u b s e q u e n f l y a f f e c td y n a m i cb e h a v i o ro fs e a b e d i nt h i st h e s i s t h ea n a l y s e sw h i c hc 托c o n s i d e r c h a r a c t e r i s t i c so fr a n d o m n e s so fw a v el o a d i n ga n dd y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e ns e a b e da n d w a v et o g e t h e r , a r ef o r m u l a t e di nas t o c h a s t i cf r a m e w o r k i n t e g r a t e dn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l i se s t a b l i s h e db ye m p l o y i n gw a v es p e c t r u m n l ec o m p a r a t i v es t u d i e sa r ec o n d u c t e da m o n g t h em e t h o d so ft r a d i t i o n a lr a n d o ma n a l y s i s ，m o d i f i e dr a n d o ma n a l y s i s ，a n dl i n e a rr e g u l a r w a v et h e o r y 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ea m p l i t u d e so f d y n a m i cr e s p o n s eo fs e a b e ds u b j e c t e dt o r a n d o mw a v el o a d i n ga r el a r g e rt h a nt h a to fr e g u l a rl i n e a rw a v el o a d i n g t h e r e f o r et h e s t o c h a s t i cf e a t u r eo fw a v el o a d i n gh a st ob ed u l yt a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ea n a l y s i sf o r d y n a m i cr e s p o n s eo fs e a b e d 4 t h en u m e r i c a la n a l y s e sa d o p t i n gf m i t ec l e m e n tm e t h o da r ep e r f o r m e df o rd y n a m i c r e s p o n s eo fs a n d ys e a b e ds u b j e c t e dt o 1 0 1 1 - l i n e a rw a v el o a d i n gi nt h es h a l l o ww a t e rr e g i o n n l en o n - l i n e a rw a v el o a d i n gi s r e p r e s e n t e db ys e c o n d - o r d e rs t o k e sw a v et h e o r ya n d f i r s t o r d e rc n o i d a l w a v et h e o r y n u m e r i c a lr e s u l t sa r ec a l c u l a t e df o rc o m p a r a t i v es t u d i e s b a s e do nt w on o n d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r s ，l da n dt 4 9 d c o m p a r e dw i t ht h en t t m e r i c a l r e s u l t sf r o mt h el i n e a rw a v et h e o r y , t h ea m p l i t u d e so fd y n a m i cr e s p o n s e sc o m p u t e db y n o n - l i n e a rw a v et h e o r i e si n c r e a s e i ti ss h o w nt h a tt h el i n e a rt h e o r yo fw a v eu s u a l l y u n d e r e s t i m a t et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs e a b e di nt h es h a l l o ww a t e rr e g i o n t h e r e f o r e ，t h e e f f e c to fn o n - 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fw a v el o a d i n gs h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni n p l a n n i n ga n dd e s i g no f v a r i o u sm a r i n eo ro f f s h o r ec o n s t r u c t i o n sa n df a c i l i t i e s k e yw o r d s ：s e a b e d iw a v el o a d i n g ；r n t e r a c l i n mn o n l i n m r l l y ；r a n d o m n e s s i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：童盗l 矗日期：型i 多 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 。1 研究背景与研究意义 资源短缺、人口膨胀与环境恶化己成为当今世界的三大共同问题，一些重要陆上矿 产资源濒临枯竭，因此，海洋资源的合理开发与利用日益受到重视，可以预见2 1 世纪 将是个“海洋的世纪”。海洋环境极端恶化，在海洋工程设施建设和使用过程中，海 床或海洋地基的失稳可能造成巨大的生命和经济损失。波浪作用下海床动力响应和液化 分析是目前海洋工程设施设计与建设中的一个关键的技术问题，虽然对于这一问题的探 索从未停止过，但是真正结合波浪荷载特点和海洋土的实际工程特性的研究仍然不够深 入，目前对于海床的液化机理及评判准则尚缺乏有效的解决方法。同时近年来为了应对 加入w t o 后国际航运市场的激烈竞争，我国港口工程建设与航道工程建设取得了前所 未有的发展，上海、天津、大连、秦皇岛、青岛等沿海港口管理局或集团公司纷纷加大 投资力度，无论从工程规模还是技术难度和复杂程度上都是历史空前的，所有这些为我 国海岸和近海工程的发展提供了前所未有的机遇和挑战。从学科发展来看，海洋学科自 身及与其他学科交叉形成的新兴学科也越来越引起人们的广泛重视【1 】。因此这一课题研 究不仅对于发展非线性海床动力学理论具有深远的学术意义，而且对于在海洋资源合理 利用和海洋空间开发中保障海洋构筑物与工程设施的安全方面具有重要的实际应用价 值。 由于港湾与海洋环境极端恶劣，地质条件复杂，不可避免地遇到了大量的软土和易 液化砂质土等不良地基口卅，并且厚度往往很大，覆盖范围也非常广泛，加大了工程建 设的难度，大大地增加了工程投资和风险。在港口与海洋工程设施建设与使用过程中， 由于暴风巨浪等恶劣海况或小波幅海浪的长期循环往复作用，海床土体中残余孔隙水压 力累积，导致海洋土竖向有效应力减小，部分海床失稳，甚至液化。一旦液化情况发生， 海底土会表现出类似液体一样的性状，从而大块土体被海底流迁移带走，造成海洋构筑 物的整体失稳或滑移。这种海床或海洋地基的失稳往往会造成巨大的生命和财产损失。 目前，在近岸区域中，无论是浅水区、海底斜坡、海岸线周边，甚至邻近深海区域都广 泛存在着海床失稳现象，很多现象表明众多的如重力式挡墙、沉箱、海底管线等近海构 筑物的失稳或破坏不再是由于其自身的结构强度破坏，而是归因于海床和海洋地基的失 稳。 近几十年来，关于波浪海床一建筑物的相互作用方面的研究日益引起了海洋工程 师和研究人员的广泛兴趣。而我国的海洋资源，尤其是深海油气田和浅滩边际油气田的 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析 开发还处于比较低级的粗放阶段，与世界上先进国家相比还具有非常大的差距，海洋工 程建设的装备与技术水平相对较低，对于在深海及恶劣海域施工或设计更缺乏经验。因 此加大海床动力学和海洋土力学的研究势在必行。 1 2 国内外研究现状 针对地震荷载作用下土的动力响应及液化特性，相关人员已经开展了比较系统而深 入的研究，相对来说比较完善，这为波浪荷载作用下海床的动力响应及液化特性的分析 奠定了研究基础。但是对于海洋工程来说，无论是在荷载特性还是海洋土的工程特性方 面，都具有其自身特点，在研究中必须合理地加以考虑。在波浪荷载作用下，由于沉积 环境、组成成分及固结状态等条件的不同，使得海洋土的工程特性、物理状态与陆地土 有很大不同。同时海洋土在小幅波浪的长期作用和暴风巨浪或地震等非常环境荷载的瞬 间作用下，同时与上部构筑物相互作用，所有这些因素都使得海床或海洋建筑物地基处 于复杂的应力状态，这与陆地上的建筑物地基或场地条件存在较大差别，主要体现在以 下四个方面： ( 1 ) 在波浪荷载的循环作用下，海洋地基或海床土体内主应力轴发生连续的旋转【“， 与以往在分析地震作用下陆上地基动力响应中忽略主应力轴旋转效应情况相比，土体中 的累积变形、孔隙水压力增长特性及抗液化能力都相应发生很大变化【6 ，”。所以在建立 海床中有效应力或者超静孔隙水压力时空分布的控制场方程时，需要考虑采用不同于地 震条件下的本构方程和合适的边界条件，以此为基础发展有效的理论分析或数值计算方 法。 ( 2 ) 区别于陆上自由场地或地基地震反应中超静孔隙水压力总是不断增长的模式， 波浪荷载作用下海床内部超静孔隙水压力一方面伴随着海床表面处的循环波浪压力而 发生交替变化，可能会出现瞬态液化：另一方面超静孔隙水压力将随着波浪的循环往复 作用而逐渐积累。海床中的超静孔隙水压力的上升乃至最终液化破坏是由循环的表面波 压力直接作用所致，海床中土体的循环压密和循环液化呈交替式发展进行【5 8 ，9 1 。此时海 床中超静孔隙水压力的产生、累积及海洋土液化破坏在工作机理及其变化特征等方面完 全不同于地震情况。 ( 3 ) 由于波浪作用时间往往较长，一次风暴的作用时间可能长达十几小时，期间海 床内部存在超静孔隙水压力的累积，同时在作用期间土层有充分的时间排水，引起海洋 土体固结变形并使超静孔隙水压力消散或扩散。因此在海洋环境作用下土的动力特性和 本构关系研究及海床动力响应分析中应该合理考虑部分排水效应i t1 0 】。 ( 4 ) 海洋建筑物与下覆海床地基及周围的流体形成一个复杂的多相介质耦合体系， 一2 一 大连理工大学博士学位论文 波浪荷载不仅直接作用在海床表面上，而且通过作用在结构上的波浪力间接传递给下覆 地基，同时地震荷载分别通过远场波动传播和作用在上部结构的惯性力直接或间接地传 递到下覆海床中。因此在海洋建筑物及其地基的分析与设计中应该合理地考虑三者的相 互作用效应【1 ”。 以往由于试验技术条件和认识水平的限制，对波浪荷载作用下海洋土的变形与强度 特性的研究仍然套用陆地上对于般场地与地基的试验和分析方法，显然这是不合适 的，应当建立和提出充分考虑海洋土的自身特点，并合理地计入波浪作用下海洋土的实 际应力一应变状态及其变形与破坏机理的理论和分析方法。根据海床和海洋建筑物地基 的受力特点，开展海洋土的变形与强度特性以及本构模型、海床与海洋建筑物地基的动 力响应分析方法、海洋建筑物地基现代设计理论等方面的研究势在必行，该研究课题具 有着重要的学术意义与工程实用价值，其研究成果不仅会推动海洋土力学学科的发展， 而且将为海洋资源的合理开发与利用提供技术支持。 国外早在2 0 世纪4 0 年代就对规则波浪荷载作用下海床土体动力响应等一系列海洋 土力学问题进行了初步探讨，但直到7 0 年代随着北海油田的开发，这个问题才得到了 海洋工程界和岩土工程界的进一步重视。当时受到试验条件和理论水平的限制，主要研 究成果集中在二维线性推进波浪作用下海床动力响应和液化分析的试验模拟和数值模 拟上。近些年来针对时空场内求解海床动力响应方面取得了较大的进步。主要研究成果 集中在以下四个领域： 1 2 1 海洋土工程特性的室内土工试验及模型试验研究 1 2 1 1 室内土工试验 国内外学者根据对不同海域粘土或粉质粘土试样进行了循环三轴和循环单轴剪切 试验 1 2 - 1 4 】，讨论了波浪荷载作用后土体不排水抗剪强度的衰减机理，并进行了定量描述。 针对海洋土的部分排水条件，黄峰 1 0 j 通过规定应力路径的动三轴试验探讨了排水条件对 海洋砂质土静、动强度的影响。对于近代沉积的淤泥质粘土，王建华等建议进行不固 结不排水的应变控制式动三轴试验，并根据试验结果提出了考虑剪切模量和阻尼比循环 弱化效应的粘弹性模型，进而应用到海洋软土场地的稳定性分析中。 注意到波浪能够引起海床土体主应力轴连续旋转现象，尤其是复杂应力状态下，不 规则的循环或瞬时波浪荷载会使海床土体单元发生多向位移，三个主应力轴方向在一定 范围内发生连续偏转，中主应力系数也不断循环交替变化【1 6 1 。海洋土体单元中的应力状 态如图1 ，1 所示。常规的动三轴仪仅仅依靠施加循环的偏差正应力来模拟动力剪切荷载， 循环扭剪仪只能施加循环扭矩使土体处于纯剪应力状态，两种试验中土体单元的主应力 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析 轴均只能发生9 0 0 的突然变化，均无法模拟波浪荷载的非比例循环加载特性和主应力轴 旋转效应，目前该领域比较先进的仪器设备是如三轴压缩一扭转剪切仪的新型多向循环 剪切仪，2 0 0 1 年初大连理工大学岩土工程研究所和日本诚研社联合开发了“土工静一动 力液压三轴一扭转剪切仪”，如图1 2 所示。该仪器通过同时独立地施加和改变空心圆柱 试样的扭剪应力和偏差正应力，能够模拟波浪荷载所产生的复杂应力路径下土的静力、 动力变形与强度特性。栾茂田和郭莹等利用该设备进行了一系列的试验研究工作 1 7 - 2 0 o 貔， ( b )0 )( d ) 图1 1 海洋土体单元的应力状态 f i g i 1s t r e s ss t a t eo f e l e m e n ti ns e a b e d 围1 2 土工静力动力液压三轴一扭转多功能剪切仪 f i g 1 2 m a c h i n ef o rs o i lt e s tu n d e rc o m p l e xl o a d i n g 一4 图 丧源 大连理工大学博士学位论文 由于海洋环境恶劣，地质条件复杂，海洋土尤其是深海中软土的取样与试验非常困 难，造价很高。为此，目前主要依靠两种技术手段：一是原状取样技术。在海底取样中， 要保证取样管尽可能深地钻( 贯) 入海底地层，保持较高的芯样采取率：最大程度地降低 对所取土( 岩) 样的扰动。通过对原状样的一些物理参数指标进行分析后，发展能够复制 原状土样主要物理与力学特性的重塑土样制各技术。二是原位测试技术。目前国外西澳 大利亚大学等在传统c p t 技术的基础上，发展并推广了t - b a r 、b a l l b a r 等测试技术【2 l ，2 2 1 ， 并将测试结果应用于桶形基础、吸力锚等海洋构筑物的地基设计中。因此，发展先进的 原状土取样和重塑技术以及原位测试技术具有重要应用价值，一方面通过获取高质量的 原状不扰动土样，进而采用先进的试验设备进行室内试验，测得土的变形与强度特性及 其工程参数；另一方面通过原位测试直接获得现场海洋土的强度与变形参数，并将两者 进行对比与综合分析，以便为分析与计算提供合理参数。另外针对海洋土难以取样的特 点，众多研究人员采取了一条变通途径，即人工制备与特定海洋土某些性质比较相近的 重塑土样，并模拟波浪作用的特定应力路径进行室内土工试验。 1 2 1 2 模型试验 理论分析与数值计算的正确性需要室内土工实验或现场观测的参数支持和结果验 证，同时根据模型实验可以揭示和探索某些新的物理现象，考察工程措施的有效性。然 而由于客观条件与经费的限制，无法开展大量的现场实验与原位观测。即使结合某些工 程项目可以进行个案研究，也无法取得系统性的研究成果【2 3 1 。同时模型试验设备复杂， 测量精度要求很高，现有仪器不能完全满足要求。为了验证各种理论的正确性和适用范 围，国内外研究人员在造波池中进行了一些模型试验 2 4 0 1 。但迄今为止在造波池中进行 的模型试验还不是很多，测得的数据也很有限，难以根据有限的数据积累做出较为准确 的判断。而且由于相似律难以实现，在造波池中难以产生引起土体失稳或液化的波浪。 真正结合野外实测的模型试验更少。因此必须发展专门的模型试验技术 9 1 与土工离一1 1 , 模 型试验技术【2 8 1 。近年来，传统的臂式离心机在各国的室内土工模型试验中得到了广泛应 用 2 8 ，研究人员就土工臂式离心机模型试验取得了很多重要成果【2 9 彤l 。但是由于模型槽 尺度的局限，臂式离心设备无法模拟海底管线等线型长结构，同时无法实现波浪推进过 程的物理时程模拟。英国剑桥大学著名土力学学者s c h o f i e l d 教授首次提出了鼓形离心 机模型实验系统，并由英国专业制作商t h o m a sb r o a d b e n t & s o n s 制作完成。研究人员 普遍认为鼓型离心机是近年来最前沿的土工模型试验技术之一。与传统的臂式离一1 1 , 机相 比，鼓形离一i i , 机模型实验系统非常适合于管线等线状结构和污染物运移过程的模拟，以 及波浪推进时程模拟的变动参数研究。1 9 9 7 年西澳大利亚大学与日本基础地盘咨询公司 开展合作，安装了鼓形离心机模型试验系统( 模型槽直径为1 2 m ) ，另外自行开发了自 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析 动控制与数据采集系统。日本东京工业大学也引进了相同规模的鼓形离心机。1 9 9 9 年日 本东洋建设株式会社自英国引进了大型鼓形离心机( 模型槽直径为2 m ) ，日本京都大学防 灾研究所s e k i g u c h i 教授等借用该离心模型实验系统进行了海床液化模拟实验，取得了 富有价值的研究成果 3 0 】。 1 9 9 7 2 0 0 1 年间大连理工大学邱大洪院士与西澳大利亚大学海洋工程基础系统研究 中心主任m a r kr a n d o l p h 教授开展的国际合作研究项目“h y d r o d y n a r a i c sa n dg e o t e c h n i c a l s t a b i l i t yo f o f f s h o r es t r u c t u r e s ”得到了两国政府的资助。通过这个合作项目，大连理工 大学岩土工程研究所共派出1 0 余人次赴西澳大利亚从事台作研究和学术交流，西澳大 利亚大学也派员来大连理工大学进行了相关的实验研究。通过合作研究和交流，为自动 控制和数据采集系统的部分无偿引进和技术援助及尽快掌握鼓形离心机模型实验技术 提供了方便条件和有力保障。在教育部组织的“2 0 0 4 年国家重点实验室设备更新改造项 目”中，大连理工大学岩土工程研究所依托海岸和近海工程国家重点实验室申报的“土 工模块化臂一鼓联合式离心机”获准资助。预计该离心机的鼓式部分将于2 0 0 8 年6 月 到货、安装和运行调试。新引进的土工鼓形离心机如图1 3 所示，该设备在技术参数上 达到国际领先水平，模型槽直径达到1 4 m ，最大离心加速度为4 5 0 9 t o n n e ，数据采集 采用6 4 位双通道控制饲服采集系统。将来在保持模块化离心机主体基座不动的前提下， 可以二次提升开发更换为臂式离心机，从而在最节约经费的前提下，实现土工模块化臂 一鼓联合式离心机的全部功能，届时将在大连理工大学建立起世界范围内为数不多的最 先进的土工试验和操作平台。这对于我国开展海洋土力学方面的应用基础性研究将起到 非常积极而十分重要的作用，对大连理工大学和我国海岸和近海工程学科水平的提升起 到巨大推动作用。 论文作者在大连理工大学引进“土工模块化臂一鼓联合式离心机模型实验系统”的 工作中投入了大量的精力，为该设备功能的后续开发与完善奠定了基础，使其具备施加 波浪荷载的功能，可进一步深入系统地试验和研究海床、海洋地基及新型海洋基础形式， 一方面对理论分析与数值计算结果进行验证，另一方面为所建立的实用设计方法确定相 关的经验修正系数。 一6 一 大连理工大学博士学位论文 图1 3 人连理工大学引进的土工模块化臂一鼓联合式离心机的鼓式部分 f i g 1 3t h ep a r to f d r u mc e n t r i f u g eo f t h em u d u l a rb e a m - d r u ms o i lc e n t r i f u g e i n t r o d u c e db yd a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 1 2 2 海床动力响应的现场观测 室内土工试验和模型试验有着操作方便、耗时短、费用低等优点。但存在自身缺点： 1 重塑样在模型制作过程中存在扰动、卸荷膨胀现象； 2 试样饱和度难以控制； 3 低围压状态下获取海床内土体的压缩模量等物理参数指标相对困难。 因此现场观测试验有着自身的优势。1 9 7 9 年b e n n e t t l 3 4 ，巧j 在密西西比河三角洲地带 量测了软粘土海床中孔隙水压力和静水压力。1 9 8 0 年o k u s a 和u c h i d a | 3 6 j 在1 2 m 水深、 海床表面以下1 5 m 深度处的扰动软粘土中量测了孔隙水压力；随后o k u s a 3 7 1 在1 9 8 3 年 量测了l m 水深、海床表面以下4 m 深度处粗砂中的孔隙水压力。试验结果表明，波浪 引起的海床表面波压力伴随着海床深度的增加，振幅逐渐衰减地传入海床内部。o k u s a ”1 的现场实测结果略大于m a d s e n i 5 l 和y a m o m o t o 3 s l 的计算预测结果，并伴随着相位迟滞。 同时，海床土的变形和渗透特性对海床表面波压力向海床内部传递孔隙水压力的振幅衰 减和相位迟滞影响程度较大。1 9 8 5 年o k u s a 弼1 综合各种波浪和海床土的状况进行了现场 观钡4 和分析，得出结论为越是短峰波，海床表面波压力向海床内传递孔隙水压力的振幅 衰减得越快。海床中实测孔隙水压力的衰减速度快于m a d s e n 5 】和y a m o m o t o 3 8 l 的预测结 随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析 果，原因可能是海床土体中存在着孔隙气和其他阻尼介质，数值模拟结果难以再现现场 的实际状况。 1 9 8 7 年m a e n o 和h a s e g a w a l 4 0 】在日本n a b a e 海岸，采用新的孔隙水压力量测方法测 得了海床表面土体的物理性质、变形和强度指标。试验结果表明海床表面波压力中低频 部分相比于高频部分更容易传递到海床内部。同时随着海浪频率的增加，海床表面波压 力与海床中的孔隙水压力的相位迟滞增大。1 9 9 1 年z e n 和y a m a z a k i l 2 叫在日本h a z a k i 海 域，对海床中的孔隙水压力和有效应力进行了现场观测。结果表明海床中的有效应力随 着海浪的推进呈周期性变化，同时证实波谷通过海床表面时，波浪引起的土体液化与上 表面波的渗流存在紧密关联。 在2 0 0 6 年国家自然科学基金重点项目申报中，大连理工大学( 栾茂田教授为项目 负责人) 、武汉岩土力学研究所( 汪稔研究员为项目负责人) 和河海大学岩土工程研究