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波浪与海床、结构物相互作用的数值模拟

韩涛  
【摘要】: 在港口、海岸及近海工程中,波浪作用下的海床和结构物响应是涉及海床本身和建筑物稳定性的重要研究课题。建立波浪与海床、波浪与结构物以及波浪与海床和结构物的耦合作用模型是研究上述课题的重要途径。为此,本文建立了波浪与海床、结构物耦合作用的数值模型,研究了波浪作用下海床响应、波浪作用下结构物响应以及波浪作用下的海床和结构物响应。论文的具体研究内容和结论如下: (1)建立了基于准样条元的二维边界元法数值波浪水槽,数值模拟结果和孤立波、椭圆余弦波、正弦波的理论解比较表明,本文建立的二维波浪水槽具有较高的精度,可以很好地模拟各种波浪。 (2)采用有限元法建立了波浪作用下海床动力响应的二维模型,通过数值求解Biot固结方程来模拟波浪作用下,海床孔隙水压力的变化。通过数值解和实验结果以及解析解的比较,验证了模型的可靠性,表明模型可以用于波浪作用下海床响应的模拟。 (3)通过数值波浪水槽和海床响应模型的边界耦合,建立了波浪与海床相互作用的耦合模型。模型计算结果表明,对于粗砂以下的海床,耦合影响不大。利用所建立的模型分析了直立堤前的海床响应,计算结果表明直立堤前的液化区域是固定的,在此基础上提出了防止液化的方法。另外,论文还根据波浪作用下饱和海床响应的解析解提出了液化最大深度的计算公式。 (4)为了研究极端海况下的海床响应,在数值波浪水槽中模拟了畸形波的传播并通过波浪场和海床耦合模型计算了畸形波作用下有、无直立堤时的海床响应。在畸形波出现时,海床更容易发生液化,尤其是在直立堤的堤脚处,液化范围可以达到几十米,对结构物安全构成较大威胁。 (5)建立了波浪与结构物相互作用的完全耦合模型,研究了波浪和板桩类结构物的相互作用,当板桩结构物的弹性模量或厚度减小时,结构的响应增大,而且结构会出现高于波浪频率的高频振动。在考虑板桩结构物后侧波浪场对结构物响应的影响时,结构的位移减小,但是在结构响应很小时,板后波浪场的影响可以忽略。 (6)分析了考虑地基变形影响时畸形波作用下的结构物响应,在大部分情况下,沉箱的位移很小,基本不会发生倾覆破坏,但是板桩结构在畸形波的作用下位移很大,可能导致结构失稳。


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