單樁基礎(chǔ)周圍海床液化機制研究范文

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摘要:建立波浪作用下單樁周圍三維海床動力響應(yīng)模型，考慮自重影響下的海床長時間固結(jié)過程。采用已有物理模型試驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，證實其具有較好的適用性。模擬波浪作用下單樁周圍三維海床液化區(qū)域，通過定量分析超孔隙水壓力和土體初始有效應(yīng)力的變化，討論單樁插入深度對海床液化的影響機制。研究表明，單樁插入深度發(fā)生變化時，土體初始有效應(yīng)力對海床液化的影響要大于超孔隙水壓力，且影響程度隨著插入深度的增加而逐漸增大。

關(guān)鍵詞:波浪作用;單樁基礎(chǔ);海床液化;動力響應(yīng);固結(jié)狀態(tài)

波浪作用于結(jié)構(gòu)物表面，使結(jié)構(gòu)物自身穩(wěn)定性受到影響，同時結(jié)構(gòu)物周圍海床在波浪作用下孔隙水壓力、土體有效應(yīng)力和位移發(fā)生復(fù)雜變化，在海床內(nèi)部產(chǎn)生超孔隙水壓力。超孔隙水壓力的產(chǎn)生，能削弱土顆粒之間的聚合力，使土顆粒趨于松散。此過程中若海床排水不暢，超孔隙水壓力差值(海床內(nèi)部與海床表面之間)超過海床初始有效應(yīng)力，則土體有效應(yīng)力衰減至零，引起海床液化及失穩(wěn)現(xiàn)象［1］，如圖1所示。近年來科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，波浪作用下海床動力響應(yīng)及失穩(wěn)是導(dǎo)致海工結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一［2］。單樁作為最常見的海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)形式之一，其穩(wěn)定性受到海岸工程界的廣泛關(guān)注。因此，研究波浪作用下單樁周圍海床液化機制具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。波致海床動力響應(yīng)問題的研究始于20世紀(jì)70年代［3］，可分為瞬時響應(yīng)和累積響應(yīng)［1］。瞬時響應(yīng)表現(xiàn)為土骨架主要發(fā)生彈性形變，海床內(nèi)出現(xiàn)脈動孔隙水壓力，此現(xiàn)象主要發(fā)生在滲透系數(shù)較大的砂質(zhì)海床中。累積響應(yīng)表現(xiàn)為土骨架主要發(fā)生塑性形變，海床內(nèi)孔隙水壓力隨時間累積增長，此現(xiàn)象主要發(fā)生在滲透系數(shù)較小的淤泥質(zhì)海床中。本文基于土骨架彈性形變假設(shè)，關(guān)注沙質(zhì)海床動力響應(yīng)問題，對于淤泥質(zhì)海床內(nèi)海床累積響應(yīng)過程則未討論。有關(guān)海床瞬時響應(yīng)，早期研究大都關(guān)注波浪-海床相互作用，不考慮結(jié)構(gòu)物的存在［3］。隨后在求解波浪數(shù)值模型的基礎(chǔ)上考慮了結(jié)構(gòu)物對海床動力響應(yīng)的影響［4］。針對結(jié)構(gòu)物的考慮，現(xiàn)有研究大都關(guān)注于坐落式結(jié)構(gòu)物(防波堤、海底管道)，對插入式結(jié)構(gòu)物(單樁)周圍海床動力響應(yīng)問題則鮮有研究。波浪遇到單樁后產(chǎn)生的反射和繞射現(xiàn)象形成復(fù)雜的三維波浪場，使海床動力響應(yīng)時空變化規(guī)律更為復(fù)雜。Li等［5］發(fā)展了單樁周圍海床動力響應(yīng)有限單元模型，采用非線性波浪理論提供單樁周圍的波浪荷載，忽略了波浪遇單樁后發(fā)生的反射和繞射現(xiàn)象。Chang和Jeng［6］發(fā)展了海上風(fēng)電高樁平臺基礎(chǔ)(群樁)周圍海床響應(yīng)模型，考慮了波浪遇結(jié)構(gòu)物后的傳播變形物理過程。研究指出，作用于結(jié)構(gòu)物和海床表面的波浪壓力隨波高和周期的增加而增大，高樁平臺基礎(chǔ)會改變波浪傳播形態(tài)和孔隙水壓力的動力響應(yīng)特征。

上述研究均沒有考慮單樁震動對海床響應(yīng)的影響。考慮單樁-海床之間的耦合作用，Sui等［7］建立了波浪-海床-結(jié)構(gòu)物相互作用數(shù)值模型，考慮波浪非線性變形和樁-土之間的協(xié)調(diào)變形過程。Zhang等［8］隨后在控制方程中引入土體空間非均勻分布梯度，將上述模型的適用范圍拓展到結(jié)構(gòu)物周圍的三維非均勻海床。有關(guān)海床液化的研究，Zen和Yamazaki［9］基于超孔隙水壓力判定方法，給出液化的一維判定準(zhǔn)則，即超孔隙水壓力差值大于土體上覆壓力時液化發(fā)生。應(yīng)用平均有效應(yīng)力概念，Jeng［10］將上述準(zhǔn)則拓展到空間三維。這些研究局限于波浪-海床相互作用過程，并未考慮結(jié)構(gòu)物的存在。Hsu和Jeng［11］應(yīng)用短峰波(short-crestwave)壓力理論，研究了波浪作用下直立防波堤周圍海床的三維液化特征。Zhou等［12］關(guān)注了橢圓余弦波作用下海底管道附近海床的液化問題，指出海床表面粗砂置換可減弱管道周圍的液化現(xiàn)象。Li等［5］和Lin等［13］先后整合了波浪模型與海床模型，研究了波浪作用下單樁周圍的海床液化現(xiàn)象，指出單樁后方液化區(qū)域大于單樁前方，但上述研究未考慮結(jié)構(gòu)物自重的影響。一般說來，結(jié)構(gòu)物自重會引起樁體周圍土骨架的進(jìn)一步壓縮，抑制液化現(xiàn)象的發(fā)生［14］。Ye［15］考慮海床初始固結(jié)過程，提出考慮結(jié)構(gòu)物自重影響下的海床液化準(zhǔn)則。Ye［15］、Ulker等［16］和Jeng［4］在海床液化判定中考慮了結(jié)構(gòu)物自重影響，但僅考慮了坐落式結(jié)構(gòu)物。相比于坐落式結(jié)構(gòu)物，單樁插入海床會改變周圍海床土體有效應(yīng)力分布，影響海床的液化特征，但目前對單樁自重影響下海床液化問題的研究則相對不足。本文考慮單樁周圍土體初始有效應(yīng)力狀態(tài)，研究單樁自重影響下的波致海床液化問題。首先給出數(shù)值模型的控制方程和邊界條件。然后，選取已有物理模型試驗對本模型模擬結(jié)果進(jìn)行比對，確保模擬的可靠性。在模型驗證的基礎(chǔ)上，模擬單樁周圍海床的三維液化區(qū)域，定量分析單樁插入深度引起的超孔隙水壓力差值和土體初始有效應(yīng)力的變化，探討單樁插入對海床液化的影響機制。

1數(shù)學(xué)模型

1．1海床模塊

多孔彈性海床響應(yīng)全動態(tài)方程由Zienkiewicz等［17］于1980年提出，包括土體應(yīng)力平衡方程、孔隙流體平衡方程和質(zhì)量守恒方程。

1．2波浪模塊

波浪模塊采用求解Boussinesq方程的高階非線性“FUNWAVE”模型［19］。FUNWAVE模型能夠很好地模擬近岸復(fù)雜地形下結(jié)構(gòu)物周圍波浪的非線性變形過程，考慮波浪遇單樁后的反射和繞射現(xiàn)象。在單樁和海床表面，波浪模型產(chǎn)生的波浪壓力輸入海床模型。此過程中不考慮結(jié)構(gòu)物和海床位移對波浪傳播的影響，是一種海床響應(yīng)單向耦合計算模式。一般說來，波浪作用下單樁和海床的位移較小可忽略不計，對波浪傳播的影響較小［7，20］，為提高模型計算效率，此單向耦合作用過程廣泛應(yīng)用于前人相關(guān)研究［4，14］。

1．3邊界條件

海床在底部及側(cè)邊界處為不透水及不可運動剛體，因此土體位移和孔隙水壓力(瞬時和累積孔隙水壓力)梯度在此處為零(usoil=0，p/n=0);在海床表面，土體有效正應(yīng)力和切應(yīng)力為零，孔隙水壓力等于波浪壓力(p=pw，σ'soil=0，τsoil=0);在海床與結(jié)構(gòu)物交界面，孔隙水壓力梯度為零，土骨架運動位移等于結(jié)構(gòu)物位移并且滿足相鄰節(jié)點處的應(yīng)力平衡準(zhǔn)則(p/n=0，usoil=upile，σ'pile=σ'soil－p，τpile=τsoil)。

2模型驗證

Cong等［21］基于物理模型試驗研究了波浪遇到2×2群樁后的非線性傳播變形過程，分析了波浪參數(shù)(波陡、周期和波浪入射角)對群樁周圍波面分布的影響。該試驗在大連理工大學(xué)波浪水槽中進(jìn)行。水槽右端造波，群樁模型布置在整個試驗段的中部，后端及兩側(cè)均有波浪消波裝置。

3機制分析

在模型驗證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模型研究波浪作用下單樁周圍海床的液化特征。考慮單樁自重的影響，給出單樁不同插入深度下海床液化深度的變化。通過定量分析超孔隙水壓力差值(p－pb)和土體初始有效應(yīng)力(σ'z0)的變化，給出兩者在單樁周圍海床液化過程中的貢獻(xiàn)度，揭示單樁插入對海床液化的影響機制。

4結(jié)語

建立了波浪作用下單樁周圍海床響應(yīng)及液化的三維數(shù)學(xué)模型，考慮了自重引起的海床固結(jié)過程，并結(jié)合已有物理模型試驗進(jìn)行驗證。研究了單樁周圍海床三維液化區(qū)域，探討了單樁插入深度條件下超孔隙水壓力和土體初始有效應(yīng)力對海床液化的影響機制。模型較好地復(fù)演了波浪作用下單樁周圍海床動力響應(yīng)的時空變化過程，可用于近海單樁基礎(chǔ)周圍海床動力響應(yīng)及液化問題的研究。單樁自重可抑制周圍海床液化的發(fā)生，在單樁自重不變的條件下，海床液化深度隨著單樁插入深度的增加而增大。在其他參數(shù)不變的條件下，單樁插入深度對海床液化存在兩種影響機制:一種是超孔隙水壓力差值減小對海床液化的抑制作用;另一種是土體初始有效應(yīng)力減小對海床液化的促進(jìn)作用。隨著插入深度增加，超孔隙水壓力差值減小引起的抑制作用的影響程度逐漸減弱，土體初始有效應(yīng)力減小導(dǎo)致的促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)。

作者：隋倜倜1，2；張弛1，3；高玉峰2；鄭金海1，3 單位：1．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，2．河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，3．河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院