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波浪作用下圆筒及海床稳定性研究

张红涛  
【摘要】: 在港口及近海工程领域,波浪-结构-海床耦合系统常见于码头、防波堤以及筒形基础平台等结构,这类结构通过深嵌于海床并主要依靠地基的嵌固作用,在风、流、冰等环境条件特别是在随机波浪的持续和长期作用下保持稳定。 接触面是波浪-结构-海床耦合系统中实际存在的一种构造,由于在波浪作用下结构与海床之间通过接触面传递能量,因此在该耦合系统相互作用的数值仿真分析中,接触面问题无疑是一项重要的研究内容。本文比照在波浪水槽中进行的大圆筒防波堤模型实验,建立了波浪-结构-海床耦合统的有限元计算模型,利用ABAQUS软件提供的服从库仑摩擦本构模型的三节点接触单元成功实现了对该耦合系统中接触面的处理,并取得了良好的效果。本文通过ABAQUS良好的开放性用户子程序接口,通过二次开发将二阶斯托克斯波动水压力引入到ABAQUS中,并对该耦合系统进行静态、半动态分析,研究不同埋深状况下土体对筒体的嵌固效应;通过在筒底、筒侧设置接触面,考查接触面对圆筒稳定性的影响;本文利用ABAQUS提供的M-C、D-P模型,探讨了二者的关系及扩展D-P模型的适用性。 波浪在海床上传播时,与海床之间存在相互作用: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。 本文针对此研究课题提出一种数学模型:基于Biot二维固结理论,采用线弹性模型,分别考虑海床中超孔隙水压力的瞬态响应和累积效应,实现二维简化海床在线性波浪、非线性波浪作用下的动态响应的数值模拟,通过系统的参数敏感度研究,分析影响海床稳定的主要因素,通过对比陆上土层与海床土层由于孔隙水压力设置不同考查其对土体有效应力产生的影响。本文对大波作用下海床的有效应力、孔隙水压力的扩散过程及其结构物稳定性的影响进行了探讨。


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