（水工结构工程专业论文）波浪作用下海床动力响应与液化的数值分析.pdf

提要 波浪作用下海床或海洋地基的动力稳定性是近海和离岸工程建筑物在设计和建造 过程中必须考虑的重要问题之一 海洋表面传播的波浪在海水一海床的交界面处施加 了循环波压力 在这种循环波压力作用下 海床内土骨架的变形与孔隙流体的渗流运 动相互耦台 与常规陆上荷载不同 波压力不仅是外加的循环表面力 而且是海床表 面的超静孔隙水压力边界条件 在长时间的风暴作用过程中 土中超静孔压不断累积 同时也会由于部分排水固结发生消散与扩散 超静孔压的累积发展可能导致砂质海床 发生液化 本文着重研究砂质海床的自由场动力响应 在过去三十多年的研究中 通常将问题分解为两个相对独立的问题分别进行处理 即弹性海床的自由场动力响应与残余孔压的数值模拟 对于第一个问题 一般基于b i o t 固结理论 将海床视为理想线弹性材料 重点考察瞬时超静孔压与瞬时有效应力幅值 沿海床深度的分布 但不能给出波浪引起的累积变形与残余孔压 对于第二个问题大 都根据地震动力响应有效应力分析法发展而来 将波浪引起的海床复杂应力状态简化 为纯剪切应力 进而根据室内循环剪切试验确定海床土的等效粘弹性本构模型参数 然后进行动力方程与固结方程的解耦运算 每一计算小时段初引入时段不排水孔压增 量 将海床表面视为自由排水面 上述两种方法采用的土体本构模型都不能再现砂土 在暴风浪等非比例加载条件下的动力特性 本文基于广义b l o t 理论提出了波浪作用下 海床线性或非线性动力响应的耦合计算模型与稳定 高效数值算法 分别针对土的弹 性 粘弹性与弹塑性本构关系 对海床的动力响应进行了有限元数值模拟与分析 广义b i o t 固结理论能够完整地描述静 动力荷载作用下多孔介质材料骨架变形与 孔隙渗流的耦合作用 但其数值求解一直是土动力学中尚未很好解决的难点之一 本 文针对海床动力响应边值问题 推导了广义b i o t 理论 己 和h 叩两种形式的有限元列 式 实现了通常认为很困难的 叩形式直接解法 并将交叉迭代法扩展至两种 p 形 式的综合求解 详细比较广义b j o t 理论 u 形式直接解法 u p 形式直接解法与交叉 迭代法求解弹性 弹塑性问题的收敛性 稳定性与计算效率 认为以往较少应用的一己 形式直接解法刚度阵病态性弱 求解效率高 更适台土工问题的数值模拟 小风浪作用下海床的动力响应特性可视为弹性的 根据所提出的广义b i o t 固结理 论计算模型 通过线性数值分析考察了加速度项对海床动力响应的影响范围及影响程 度 指出对于高频波浪下的大厚度弹性海床 忽略加速度项可能低估某些范围内的有 效应力幅值 而传统的加速度作用判别准则并不总是成立的 实现了以往解析法和数 值法不能处理的非线性波浪 成层海床和斜坡海床等复杂工况的数值模拟 通过全面 系统的变动参数比较研究 系统分析了海床动力响应的主要影响因素 探讨了海洋不 透水基础下超静孔压和有效应力的分布 将线粘弹性本构关系引入所建立的计算模型和线性算法 考察了粘质土的粘滞性 对海床动力响应的影响 尽管忽略了粘土海床上波浪传播过程中的能量衰减 建立的 分析模型仍能定性解释波浪引起的淤泥质海床流动大变形 波浪荷载属于非比例循环加载 并导致海床土体发生主应力轴旋转现象 为此本 文进一步采用应力增量与应变增量方向相关的亚塑性边界面模型描述波浪加载路径下 砂土的应力一应变关系 而现有的广义b l o t 理论算例大多局限于线弹性本构关系或本 构刚度阵与应变增量无关的传统弹塑性本构关系 亚塑性边界面模型增量形式的本构 刚度阵不仅不对称 而且强烈地依赖于应变增量 将其引入计算模型 并研制了收敛 性较好的 高教的增量一迭代算法 分析模型中不再需要采用基于土工试验的不排水 孔压经验模式 考察两种代表性砂质海床在不同幅值波压力作用下的动力响应 弹塑 性有限元计算得到的超静孔压和残余孔压发展规律与离心模型试验中观察到的现象定 性上 致 辨析波浪作用下海床液化的两种机理解释 所提出的计算模型不需要专门的液化 判断准则 就能够成功模拟海床液化时的三种主要表象 初步再现了液化区的渐进扩 展过程 本文对海床或海洋建筑物地基的动力响应与液化分析所进行的线性和非线性数值 分析研究不仅具有一定的学术意义 而且将为海洋工程场地和海洋地基的安全性评价 提供技术支持 关键词 海床 海洋地基 波浪荷载 动力响应 液化 固结 本构关系 非线性 有限 元 数值分析 i i s u m 蛰i 歪a r y t h e a n a l y s i sf o rd y n a m i cs t a b i l i t yo f s e a b e d o ro f f s h o r ef o u n d a t i o nu n d e rw a v el o a d i n gi s o fp r a c t i c a ls i g l f i f l c a n e ei nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fo f f s h o r ea n dc o a s t a ls t r u c t l 盯e s w h e nw a v e sp r o p a g a t eo v e rt h eo c e a ns u r f a c e as e q u e n c eo fw a v ep r e s s u r ei si n d u c e do n t h em u d l i n eo rs e a f l o o r w h i c hc a l j s e st h ec o u p l i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed e f o r m a t i o no f s o i ls k e l e t o na n ds e e p a g em o v e m e n t s o f p o r o u sf l u i d d i f f e r e n tf r o mc y c l i cl o a d i n g a c t e d0 n o n s h o r ef o u n d a t i o n t h ew a v ep r e s s u r ep l a y sd o u b l er o l e sa s t h es u r f a c el o a d i n gi m p o s e do n t h em u d l i n ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no f e x c e s sp o r ep r e s s u r e d u r i n gt o n g t i m es t o r m t h e e x c e s sp o r ep r e s s u r e sw i l lb eb u i l tu p t h e nd i s s i p a t e da n dr e d i s t r i b u t e ds i m u l t a n e o u s l yd u e t op a r t i a ld r a i n a g e t h e ni ti sp o s s i b l et h ed e v e l o p m e n t so fe x c e s sp o r ep r e s s u r e sc a u s et h e l i q u e f i a b l es a n d ys e a b o d b e l i q u e f i e d i n t h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o d so fl i n e a ra n d n o n l i n e a ra n a l y s i sf o r d y l l a m i cr e s p o n s e s o f s a n d ys e a b e d u n d e rw a v e s l o a d i n g a r e d e v e l o p e d d u r i n gt h ep a s tt h r e ed e c a d e s a t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot w od i f f e r e n ti s s u e s a n a l y s i s f o rf r e e f i e l dd y n a m i cr e s p o n s eo fe l a s t i cs e a b e da n dn u m e r i c a le v a l u a t i o no fr e s i d u a lp o r e p r e s s u r ei nt h es e a b e d t h ef o r m e r i sb a s e do nb l o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r y a n dt h es e a b e d s o i li st a k e n a s l i n e a r e l a s t i c m a t e r i a l a c c o r d i n g t ot h i s m e t h o d t h ed i s t r i b u t i o no f a m p l i t u d e so f t r a n s i e n tp o r ep r e s s u r e sa n d t r a n s i e n te f f e c t i v es t r e s s e sa r ea s s e s s e d w h i l et h e r e s i d u a lp o r ep r e s s u r ea n da c c u m u l a t e dd e f o r m a t i n nc a n n o tb et a k e na c c o u n t t h ei a t t e ri s d e v e l o p e do n t h eb a s i so f t h ee f f e c t i v es n e s s e sa n a l y s i so f d y n a m i c r e s p o n s eo f s o i ls t r u c t u r e a n df o u n d a t i o nu n d e rs e i s m i cl o a d i n gi nt h ef i e l do f e a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g t h cc o m p l e x e f f e c t i v es t r e s ss t a t eo fs e a b e ds o i l su n d e rw a v e si s s i m p l i f i e d t o p u r e s h e a rs t r e s s a c c o r d i n g l y t h ep a r a m e t e r so f e q u i v a l e n t v i s e o e l a s t i em o d e la r ed e t e r m i n e d t h r o u g hc y c l i c s h e a r t e s t i n g t h e g o v e r n i n ge q u a t i o no f t h eb o u n d a r y v a l u e i s s u e f o r t h er e s p o n s eo f s e a b e d i ss e p a r a t e di r i t ed y n a m i ce q u a t i o na n dc o n s o l i d a t i o ne q u a t i o n a n dt h ei n c r e m e n t a le x c e s s p o r ep r e s s u r eu n d e ru n d r a i n e d c o n d i t i o nh a st b ei n c l u d e di n t oc a l c u l a t i o n 鑫tt h eb e g i n n i n g o fe v e r yt i m es t e p t m u d l i n ei st r e a t e da sd r a i n e db o u n d a r y i nf a c t t h ec o n s t i t u t i v e m o d e l se m p l o y e di nb o t hm e t h o d sc o u l dn o tr e p r o d u c et h ed y n a m i cb e h a v i o u ro fs o i lt o n o n p r o p o r t i o n a lc y c l i cl o a d i n g s u c ha sw a v e sl o a d i n g t os i m u l a t ed y n a m i cr e s p o n s e so f e l a s t i c v i s c o e l a s t i ca n de l a s t o p l a s t i cs e ab e d s l i n e a ra n d o rn o n l i n e a rn u m e r i c a lm o d e l s b a s e do n g e n e r a l i z e d b i o t st h e o r ya r e d e v e l o p e dt o g e t h e rw i t h s t a b l ea n de f f e c t i v e a l g o r i t h m t h ed i f f i c u l t yi nn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm a d et h eg e n e r a l i z e db i o t st h e o r yb ed i f f i c u l tt o b ep u ti n t op r a c t i c ei nt h ef i e l do f g e o t e c h n i c a t e n g i n e e r i n g f o rt h eb o u n d a r y v a l u ep r o b l e m s u c ha sd y n a m i cr e s p o n s eo fs e a b e d t h ef i n i t ee l e m e n tf o r m u l a t i o n so fu u a n d pf o r m s o f g e n e r a l i z e db i o t st h e o r yk l ee s t a b l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o nu s u a l l y t h ed i r e c ts o l u t i o no f u pf o r mi sv i e w e da sr a t h e rd i f f i c u l t a p r o c e d u r ei sd e v e l o p e db yt h ea u t h o r i na d d i t i o n t h es t a g g e rs o l u t i o np r o c e d u r ei se n l a r g e dt o 唧f o r mia n di i t h ed i r e c ts o l u t i o nf o r c a n d pf o r m t h es t a g g e rs o l u t i o nf o r pf o r ma r ec o m p a r e di nt h ec o n v e r g e n c y s t a b i l i t y a n de l f i c i e n c y f r o mw h i c hi ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef i r s ts o l u t i o nu s e dn o tw i d e l yb e f o r ei s c h a r a c t e r i z e dw i t hw e a k l yi l l c o n d i t i o n e ds t i f f n e s sa n dc o m p a r a t i v e l yh i g he f f i c i e n c y t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d sb a s e do nt h e s e t h r e e s o l v i n gp r o c e d u r e s a r e n u m e r i c a l l y i m p l e m e n t e d t h es e a b e ds o i lu n d e rw a v ep r e s s u r ew i t hs m a l la m p l i t u d ec a nb ev i e w e da se l a s t i c m a t e r i a l d e p e n d i n go nt h en u m e r i c a lm o d e lp r o p o s e d t h ee f f e c to fa c c e l e r a t i o n so fs o i l s k e l e t o na n dp o r o u sf l u i do nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fe l a s t i cs e a b e di se x a m i n e di ti s p o s s i b l et h a tt h ea m p l i t u d e so fe f f e c t i v es t r e s s e si nl a r g e t h i c k n e s ss e a b e dt oh i g h f r e q u e n c y w a v e sw o u l db eu n d e r e s t i m a t e di ns o m er e g i o n si ft 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l e m e n tm o d e l a n dt h ep r o p o s e da l g o r i t h m t h ee f f e c to f v i s c o s i t yo f c l a yo ns e a b e d r e s p o n s ei si n v e s t i g a t e d a l t h o u g ht h ee n e r g ya t t e n u a t i o nd u et ow a v e st r a v e l i n go v e rt h ec l a ys e a b e di sn e g l e c t e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lc a l lr e p r o d u c et h el a r g e d e f o r m a t i o np h e n o m e n ao fs e a b e di n d u c e d b y w a v e s a san o n p r o p o r t i o n a l l o a d i n gp a t t e m w a v el o a d i n gi s f e a t u r e dw i t ht h ef a c tt h a tt h e p r i n c i p a ls t r e s sa x e sw i l lb ec o n t i n u o u s l yv a r i e dd u r i n gac y c l eo fw a v e b o u n d i n g s u r f a c e h y p o p l a s t i c i t ym o d e ld e v e l o p e db yw a n ga n dd a f a l i a si se m p l o y e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt o r e p r o d u c e t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fs a n d ys e a b e d i nw h i c ht h ei n c r e m e n t a ls t r e s si s r e l a t e dt ot h ed i r e c t i o no fi n e r e m e n t a s t r a i n m o s to ft h en u m e r i c a la n a l y s e sb a s e do n g e n e r a l i z e db l o t l st h e o r ya r el i m i t e d t oe l a s t i cc o n s t i t u t i v e m o d e l a sw e l la st r a d i t i o n a l p l a s t i cm o d e lw h o s ei n c r e m e n t a ls t i f f n e s sm a t r i xi si n d e p e n d e n to fi n c r e m e n t a s t r a i n i n c o n t r a s t n o to n l y t h es t i f f n e s sm a t r i xo fb o u n d i n gs u r f a c e h y p o p l a s t i e i t y m o d e li s a s y m m e t r i c b u t a l s o d e p e n d sg r e a t l y o ni n c r e m e n t a ls t r a i n n l e b o u n d i n g s u r f a c e h y p o p l a s t i c i t ym o d e li si n c l u d e di n t ot h ep r o p o s e df i n i t ee l e m e n tm o d e l a n dt h eg e n e r a l i z e d i n c r e m e n t a l s t a g g e ra l g o r i t t u na d a p t e d t ot h i sc o n s t i t u t i v em o d e la n dt r a d i t i o n a l p l a s t i c m o d e li s d e v e l o p e d t h ee m p i r i c a lp a t c e mf o rd e s c r i b i n gd e v e l o p m e n to fp o r ep r e s s u r e u n d e ru n d r a i n e dc o n d i t i o nw h i c hi so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lt e s t si sn o tn e c e s s a r yi n b 妇n o n q i n e a rf i r d t ee l e m e n tm o d e l t h ed y n a m i cs t 蕊戮垮o f 错or e p r e s e n l a t i v es a n d y s e a b e d su n d e rw a v ep r e s s u r e sw i t hd i f i e r e n ta m p l i t u d e si ss h o w n t h et i m eh i s t o r i e so f e x c e s sp o r ep r e s s u r ea n dr e s i d u a lp o r ep r e s s u r eo b r a i n e df r o mt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la r e c o n c o r d a n c ew i t ht h ep h e n o m e n ao b s e r v e di nt h ee e n t r l f u g et e s t i n g v oe x p l a n a t i o n sf o rw a v e i n d u c e d1 i q u e f a c t i o na r et e s t i f i e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h e 暂a n s i e n tl i q u e f a c t i o n 浪e l a s t i cs e a b e da n a l y s i si an o n r e a s o n a n e t h e 斑s c r h n i n a n tr u l eo f t i q u e f a c t i o r t s a b a n d o n e d nf i n i t ee t e m e n tm o d e h e w e r o r t h r e e 怖a i np h e n o m e n a p r e d i c t i n gt h et r i g g e r i n go e c u i t e n c eo fl i q u e f a c t i o na n dt h ee x t e n s i o no fl i q u e f a c t i o nr e g i o n a r es i m u l a t e ds 镑e e e 韬如l v t h en u m e r i c a la n a l y s e sf o rd y n a m i cr e s p o n s eo f s e a b e d so ro f f s h e r ef o u n d a t i o n st ow a v e s l o a d i n g a t ep e r f o r m e di nt h ed i s s e r t a t i o n w h i c h i m p r o v e st h eu n d e r s t a n d i n so f t h ep r o b l e m a n dw i l lo f f e rt e c h n i c a ls u 弹e r r sf o re v a t u a t i o no f t h es a f e t y s 曲e d o f f s h o r e 奶u n d 撕o n u r t d e rw a v el o a d i n g x 蟛w o r d s s e a b e d s e a f l o o r o f f s h o r e b u n d a f i o n w a v el o a d i n g d y n a m i cr e s p o n a e l i q u e f a c t i o n c o n s o l i d a t i o n c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n t s n u m e r i c a l a n a l y s e s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近4 0 年来 石油 天然气和金属矿物等海洋资源的开发以及海洋空间利用日益引 起国内外的高度重视 海洋的开发利用已成为人类2 l 世纪支柱性技术产业之一 从而 为海洋工程科学与技术的发展提供了前所未有的机遇和挑战 然而海洋环境极端恶劣 在海洋工程设施建设与使用中 海床或海洋地基的失稳与液化往往造成了巨大的生命 和财产损失 我国渤海地区发生的平台滑移与倾斜 1 9 9 4 年胜利油田3 号钻井平台地 基液化和南海莺歌海盆地砂土液化都与海域土质的动力特性密切相关 因此 为配合 海洋工程设计与建设 必须发展海洋土力学分析理论与实验技术 由于沉积环境 组成成分及天然固结状态等条件的不同 使得海洋土的工程特性 物理状态与陆地上土存在较大的差异 海洋土经受巨大自重 小幅度波浪的长期作 用和暴风巨浪或地震等非常环境荷载的瞬间作用 同时与上部结构相互作用 所有这 些都使得海床或海洋建筑物地基处于复杂的应力状态 不同于陆地上建筑物地基或场 地条件 主要表现在如下方面 海洋表面波浪的周期性运动在海床表面产生了往复的波压力p j 在这种循环波压 力作用下 海洋地基或海床 体内的有效应力场和超静孔压场都随着时间和空间位置 而变化 波浪荷载在海床中产生的正应力偏差 竖向正应力与水平正应力之差 与剪 应力及由两者组台而成的总偏差应力都在不断循环变化 因此在波浪荷载的一个循环 过程中 海床中土体的主应力轴发生了连续不断的旋转1 4 与陆地上地震条件下不考 虑主应力轴旋转效应的地基情况相比 主应力轴旋转使得海床的累积变形 孔隙水压 力增长特性及抗液化强度发生了显著变化 7 j 陆地上场地或地基在地震作用下 振动孔隙水压力是由于基岩地震动在上覆土层 中引起的循环剪切应力产生的 同时由于地震历时极短 往往土层可看作是不排水的 因此孔隙水压力的不断累积可能导致无粘性土的液化 而在波浪作用下 海床中超静 孔隙水压力一方面在交替地循环变化 另一方面将随着波浪的循环作用而逐渐上升与 积累 海床中超静孔压的变化与累积上升 乃至液化破坏是由循环的表面波压力所致 海床土体的循环压密与循环液化可能交替进行 j 显然其孔隙水压力产生 上升及液 是连理工太学博士学位论文 1 1 化机理与地震情况不宪全相同 目前对于地震液化机理及其特点已取得了较深入的认 谖 嚣对予渡溃诱发滚耗迸寒嚣麓系统嚣全垂懿磺究 一次风爆的作用时间可能阪达十几小时 期间土体麟存在孔赝的累积 也会由予 郛分排求固然恧使孔掇发生港数与扩教旺医l 鞋 在海庶动力分析中应该考虑部分摊求 效应 波浪荷载对海上建筑物地基的作用可以分为甄种 一是波浪引起的循蝌 波压力盥 接捧霜于海臻上雳 超的囊出场确应 另一种燕波浪力通过海洋建筑物传递翻海寐蟪 基士体中 从而构成了复杂的 波浪一结构一地熬 多相介质耦合体系的相甄作用 此 对没渡不援嶷接产生海痣袁嚣戆渡压宠 孬盈遴避终受程缝擒躲承受鲍波滚力阉接缝 影响下覆地藻的稳定性 以挪威北海 n o r t hs e a 典型的海洋平台为例 j 其自重街 达2 5 l 旷k n 当遭黛到强烈风暴时 平台承受的求平帮瓣直波浪力分别迭6 x l o k n 4 x1 0 5 n 丽倾覆力瓶高达1 0 8 k n m 这些荷载激终将传递到海洋魂基中 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 者与波浪的相置作用效威 本文侧 耋予研究无建筑貔穗漉下蘸海藤或海洋场遗魏自由场动力璃痘 1 2 海洋主动力学研究现状及进晨 重努拳褒2 0 鲎缎4 8 年钱裁霹渡渡周麓蓑载下海霖主体动力拣应等一系列海洋 力学问题进行了初步探讨 但赢到7 0 年代随着北海油田的开发 逸个问题才真正引起 了海洋工毽器和岩 工程界的燕视e 避2 0 年来 因为擞产实践的需要 我蓬在这方 面也己开展了大量工作 以下分别综述近年来海洋土动力学研究中比较活跃 且与本 论文密切相关的四个领域 1 2 1 海洋土工程特性的室内试验研究 如翦掰遮 海洋主的镌避 力学瞧质与陆地 存在器著差异 困扰对海洋土进行 常规土力学实验时 必须考虑这种差异性对实验结果的影响 例如 海洋土富含有机 镌鸟盐努 溺量 礴毙重黠需器掺歪藏分鲍彩臻 因为晓霆馕豹糖发壹接影囔羁琵骧 比例 当海底获得的士样取上船后 由于压力减小 溶予水中的气体扩散出来 测得 的饱和度小予现场土撵真正锶靼发 应对测褥懿饱和瘦进 掌修正 i 在对g r e a tb a h a m a b a n k 海底沉积物进行现场试验与室内试验比较时发现 砂土试样受到扰动爝 其中的 细颗粒组分蓬新排列 堵塞了孔间渗流通道 试样的渗透羝数可能降低一个数量级 现场试验表明 海底撬获物豹现场落积度常在o 擘 i o 之闯 纲颗粒豹较糖主或粉 土比砂土更辑易包含不融于水的气泡 由于海底环境中的生化作用和生热效应 土中 2 第一幸培婚 的气体很可能不完全是空气 常含有甲烷等 当海床土体非完全饱和时 t e r z a g h i 宥效 磁力原理懿遥瘸健受到限嗣 宥人建滚 当 俸键羁菠夫子0 9 律中豹气体鬟是 土颗粒问流体中的孤立小气泡时 有效应力原瑷近似成就 这时可将水 气二相混合 豢痒一秘攀耀漉传套震 气体与隶艨承受鹩垂力摆等 健搬果 颗粒闻戆气泡壹经过 大 甚至形成空腔时 海洋 的工程力学性质 发生不棹忽略的照著变化1 1 1 i 由于海洋环境特殊 海底原状土样的获得十分困难 对于无粘性土尤其如此 掸受到的抗动主要来自以下潮方面u t l 1 样飙水下提出嚣 总应力突减 波力 状态也由备向异性变为各向同性 取样可能引起长期波浪荷载形成的强度的丢失 2 蔽样对 波渡雉用予鼗样器撬袭 撵 在运 鑫教割撵进程孛 榉逐霹戆爱雯 攘魂与 挤压 3 土样中溶于水中的气体释放出来 饱和度变化 4 某些海洋粉士或粘土的 灵镀度缀蒜 当海洋 的原赚结构受至4 扰动蔟 其动强发降低蠛度缀太 这裁要求抽 熬与实验谶程中尽赣谨慎操作 最大可能地降低扰动程度 试样取出后尽早进行室内 试验或将土样浸入接近现场激度的海水中保存l l 国内外学者针对不丽海域取得豹糨 或橙瘊糨土试徉迸幸亍了室内动三辅和动攀翦 试验 讨论了波浪荷裁作用蔚土体不摊水抗剪强度的衰减机理及其定量描述 1 7 1 9 顾 楚章陋唆耀鑫摄撞试验骚究了海底镱秘嵇 剪韬摸量与露结压力熬关系 海洋士取样的嗣难促使研究人员襁实验室人工制备与特定海洋土某些性质比较相 返的重塑样并模拟波浪作用的特定应力路径进抒室内试骏 当裁瓣内外的热点之一是 入工制备胶结钙质土 2 1 2 4 1 樊京平等 4 i 研究了分布在犬陆架和海岸线上的钙质砂在三 轴剪切过稷中的颗粮破碎及其对试样翦胀性和峰值强度的影响 刘崇权等f 2 5 和虞海 珍等 7 j 对我国南海钙凄砂遗纾豹 系列常蕊静 动力试辍表鹱 钙矮移赘涨性弱盘 臆缩性离 其力学性质深受颗粒破碎 剪胀和颗粒重排列的影响 在波浪椁循环荷栽 爨瘸下逶卷表现出键琴活动蠼 不会发生渡清蠛象 黄镑等黼硎针对部分搂采条 拳 通过规定威力路径的动三轴试验探讨了排水条件对海洋粉质土静 动强度的影响 对 于近代沉积的淤泥质糙土 篓建华等口 2 1 建议避行不固缎不搀水的应变控铡式动兰轴 窭验 并壤据实验结果提出了考虑剪切模量和黻尼比循环弱纯效应的粘弹性模型 进 而应用于海洋软土场地的稳定性分析 l s h i h a r a 帮t o w h a t a 4 1 最攀注意到了渡渡 i 起静海凑 俸主盛力辍连续旋转现象 按照m a d s e n 提出的弹性解l j j 在一个线性波作用过程中 无限深腕的弹性海床中一点 鹣蕊壤差骞效应力弑一如箩2 保持苓燮 嚣主盛力辘连续旋转 黔 由予海藤遵霉是 具有一定厚度的非弹性体 实际条件下的主应力轴旋转不会与上述推断完众吻合 但可以定性判断 不觏则的锤环或瞬时波浪赘裁使海床士体单元产生多自搬动 三个 主应力轴方向发生一定范围的连续偏转 中主威力系数也不断循环交变 常规的动三 大连理工大学博士学位论文 轴仪仅靠施加循环的偏差正应力来模拟动力剪切荷裁 循环攒剪仪剥哭通过施加循环 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轴均只能发生9 0 的突 然变纯 波浪萄载蓬于菲纥铡循环粕载 蕊静编骜趣力同时窘有编羞羹三崖力秘夔瘦力 两者的组合影响 主应力辅旋转效应亦是其主要反映 显然遗两种简单应力路径动力 试验不艉够真实缝再现波浪芬载条 孛下 鲍复杂动盛力变化j 曩程 不戆够蠲来磷究主 应力轴旋转效威 为了合理地模拟波浪荷载下土的复杂应力状态 一种可能的途径就 是发展新豹土工多向循耳剪切仪 蜘j 如 三窨啦压缩一扭转剪切仪 1 4 7 这种仪器通过 j w 厂 l j 坠 循环三轴一短劈试验常瓶循环三轴试验常规循环穗剪试骏 圈1 1 三哥中实验加载路径比较 f i g 1 1s t r e s sp a t h sd i s p l a y e di nt h r e et y p e so f s o i le x p e r i m e n t a lt e s t s 图1 2 循环三轴 扭剪试验中试样应力状态 f i g t 2s t r e s ss t a t eo f s o i ls a m p l ei nt h ec y c l i ct r i a x i a l t o r s i o n a ls h e a rt e s t 第一章绪论 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 能够测定包括主应力 方向旋转等多种应力路径下 的静力 动力变形与强度特性 不同试验仪器的应力路 径如图 1 所示 大连理工大学岩土工程实验室2 0 0 1 年初从日本引进了 土工静 动 力液压三轴一扭转剪切仪 图1 2 为双向加载过程中空心圆柱试样的应力状态 国内外利用土工三轴压缩一扭转剪切仪 动三轴仪和动扭剪仪进行的单向与多向振 动对比试验 3 5 都表明 当主应力差值基本相同时 主应力轴旋转导魏饱和砂土动 强度明显降低 降低幅度可达3 0 以上 并产生较高的不排水孔隙水压力 根据各自 的三轴压缩一扭转剪切试验结果 i s h i h a r a 和y a m a z a k i 3 1 提出了深水波浪向浅水推进过 程中的海床液化判别方法 p r a d e l 等p 修正了空心圆柱试样中的应力平均值 首次在 实验中将纯扭剪应力与偏差正应力分别对待 两种剪切方式的屈服轨迹有所差别 波 浪荷载作用下土体的动应力一应变关系表现出明显塑性 在弹性反应与塑性反应之间 有一个渐进过渡区 传统塑性理论中流动法则不再成立 也不能简单套用单一塑性势 函数理论 但由于稳定条件成立 可以在应力空间构建新模型 1 2 2 海床动力响应的室内模型试验 1 2 2 1 造波池模型试验 为了验证各种理论 主要是弹性海床动力响应解 的正确性和适用范围 国内外 在造波池中进行了一些比例模型试验p 这些试验大都证明了原来设想的波浪作用 下海床中存在超静孔压幅值随深度的衰减和孔压 有效应力的相位迟滞等现象 但在 理论解与试验的符台程度方面则说法不一 例如 t s u i 和h e l f r i c h l 3 9 1 认为 弹性解法中 海床表面的压力幅值是按刚性岩基求得 对于厚度较大的透水砂层 当波浪周期较长 时 海床表面波压幅值与试验结果误差较大 d e m a r s 则主张1 4 在波浪循环作用下 海床位移很小 可以视为刚体 陈仲颐等也认为在试验波浪荷载条件下 土骨架残 余变形极小 之所以出现这样的分歧 原因可能在于 1 不同试验人员采用了不同 的试验设备与土样 其所要验证的弹性解也有各自的适用范围