隨機和非線性波浪作用下海床動力響應和液化分析.pdf

1、波浪作用下海床和海洋地基的動力穩(wěn)定性是近海及海洋工程建筑物在設計和建造時必須考慮的重要問題之一。目前結合波浪荷載特點和海洋土的實際工程特性的研究和設計并不多見。作者考慮波浪和波浪荷載的隨機和非線性特性，同時考慮波浪一海床相互作用，建立了求解實際波浪荷載作用下海床動力響應和液化深度的精確計算模型，對應完善了解析解法和有限元數值解法，通過大量數值計算和對比分析，著重討論了波浪在傳播過程中受多孔介質海床消能的影響，以及波浪荷載的隨機和非線性特

2、性對于海床動力響應和液化深度的定量影響程度，為實際海洋環(huán)境條件下海床液化與穩(wěn)定性評價提供理論基礎和技術儲備。論文的主要研究內容如下： 1.重新推導和驗證了基于準靜態(tài)模式和完全動力響應模式的海床響應解析解，并給出兩種模型的適用條件，為后續(xù)章節(jié)的研究內容奠定了理論基礎； 2.采用復變量解析法，基于準靜態(tài)模式和完全動力響應模式推導和建立了能夠考慮多孔介質海床對波浪傳播影響的波散方程。通過變動海床和波浪的主要特征參數，進行數值計

3、算和對比分析，探討和歸納了多孔介質海床對于波浪傳播影響的規(guī)律和特性。結果表明，海洋土體和波浪參數的變動對波長比L/Ln和能量衰減系數ea都有不同程度的影響；基于兩種計算模式計算得到的波長比L/Ln和能量衰減系數P。隨海洋土體及波浪參數的變化趨勢基本相同；相同海況下，與準靜態(tài)模式計算結果相比，基于完全動力響應模式計算得到的波長比L/Ln和能量衰減系數ea更小；水深的變化對波長比L/Ln影響相對規(guī)則，與深水區(qū)相比，淺水區(qū)內的波浪傳播更容易受

4、到海床的消能影響，深水區(qū)波浪傳播幾乎不受到海床消能的影響；海洋土體參數的變動對波長比L/Ln變化的影響程度基本相同，但滲透系數和剪切模量變動引起能量衰減系數ea的變化更明顯；多孔介質海床對低頻波浪傳播的影響明顯高于對高頻波浪傳播的影響； 3.應用線性疊加法，采用平均JONSWAP譜模擬隨機波浪，并考慮隨機波浪一海床的相互作用，建立了新的求解隨機波浪荷載作用下海床動力響應和液化深度的精確數值分析模型，并采用復變量解析法進行求解。結

5、果表明，在隨機波浪荷載作用下，海床動力響應具有較強的不規(guī)則性。同時由于波壓力向海床內部傳播具有時滯性，海床動力響應的峰值在時程上與隨機波浪幅值的瞬時峰值不同步；由隨機波浪理論計算得到的海床動力響應最大幅值沿海床深度方向的分布趨勢與根據線性規(guī)則波浪理論得到的分布趨勢基本相同，但數值上存在差異。其中采用傳統(tǒng)隨機分析方法的計算結果幅值最大，采用傳統(tǒng)線性規(guī)則波浪理論的計算結果幅值最小，基于改進的隨機分析模型的計算結果介于兩者之間，三者之間的差值

6、比較明顯；根據隨機波浪理論計算得到的海床最大液化深度明顯大于線性規(guī)則波浪理論的計算結果，其中基于改進的隨機分析模型得到的液化深度介于其他兩種分析方法的結果之間。因此在海洋地基設計和自由場地安全評估時應該合理地考慮波浪荷載的隨機特性。 4.應用一階橢圓余弦波和二階Stokes波等非線性波浪理論，考慮淺水區(qū)波浪傳播的非線性效應，在時域上采用有限單元法對非線性波浪荷載作用下飽和砂質海床的動力響應進行了數值求解，并與線性規(guī)則波浪荷載作

7、用下海床動力響應進行了對比分析。計算結果表明：當波浪由深部向近岸淺部傳播而發(fā)生變形時，隨著無量綱參數L/d與T、 g/d的增大，波浪的非線性程度增大，海床中孔隙水壓力和有效應力的幅值明顯地增大；不同波浪理論計算結果表明，海床中有效應力和孔隙水壓力幅值沿海床深度方向的變化趨勢基本相同，但數值存在差異，根據非線性波浪理論計算所得到的海床動力響應均大于線性規(guī)則波浪理論的計算結果；由一階橢圓余弦波與二階Stokes波兩種非線性波浪理論所得到的海