波浪作用下海床液化机理及分析方法研究

海洋工程设施建设和使用中，波浪荷载引起的海床和海洋地基液化及失稳是亟待解决的关键技术问题。已有研究主要侧重于室内土工试验和液化前海床的动力响应数值分析，所建立的经验液化评判准则缺乏模型试验验证，无法揭示液化机理和反映液化后海洋土体的工程特性。本项目将联合运用一维土柱和离心模型试验、数值计算分析等方法，以波浪作用下海洋软土变形机制、强度变化及海床内部超孔隙水压力增长模式为研究重点，通过在自主研发和改进的模型试验仪器中引入先进的自动控制和数据采集系统，实现对液化前后软土海床内超孔隙水压力、土体强度及变形等多物理参数同步实时测量，进行相似理论分析，推导影响海床液化深度的无量纲参量，建立预测模型，发展软土海床动力响应与液化及变形的非线性数值分析方法。探究液化机理，提供简化经验公式和工程图表，对海洋软土地基液化评价和加固设计提供建议和方案。

波浪荷载引起的海床和海洋地基液化及失稳是亟待解决的关键技术问题。本项目联合运用室内土工试验、离心模型实验和数值计算分析等方法对波浪作用下海床的动力响应问题进行了研究。首先在以往成果基础上补充了密砂在不同主应力轴方向加载条件下的剪切试验；在具备相对完整的不同密实度，不同主应力轴方向以及不同初始条件下土工试验数据结构的条件下，通过2类方法考虑主应力轴旋转效应和状态依赖性建立了弹塑性本构模型，其中提出了一个含有主应力方向的状态参量，并将其同时引入剪胀方程和塑性模量，以此为基础建立了砂土弹塑性本构模型；将主应力方向作为不变量引入屈服函数和塑性势函数，修正了经典的Pastor-Zienkiewicz III弹塑性本构方程，并在Diana有限元程序中数值实施。基于临界状态理论对模型的修正，合理考虑了砂土初始状态对孔隙水压力增长模式的影响。通过与相关试验数据的对比和分析，验证了新建弹塑性本构模型的有效性。实验结果和数值分析表明，主应力轴旋转对海床动力响应影响较大，必须引起足够的重视；离心模型实验方面，结合研究课题对国内首台土工鼓型离心机进行了功能性拓展，包括建立完善了1g和Ng条件下的伺服电机驱动的自动洒砂装置，改进无线数据采集系统以满足高频率、大缓存的采集要求，改进虹吸管设计以满足精确控制水位面要求，改进线路以满足大功率直流伺服电机平稳运行等。在进行了完备的相似理论分析和系统驱动功率分析的基础上，基于伺服电机驱动的控制加载系统，自主研发了造波系统，目前可生成不同频率和不同波幅的线性推进波。与项目负责人2011年在剑桥大学研制的造波机相比，大连理工大学新建的造波机更为稳定、可靠，生成的波浪更符合波浪理论。引进T-bar、SCPT等原位强度测试仪，系统测试了新型孔隙水压力传感器，在海洋土体变形机制研究中引入了PIV量测技术。土工离心机功能拓展及配套设备的集成为对液化前后软土海床内超孔隙水压力、土体强度及变形多物理参数的同步测量奠定了技术基础；建立了同时包含波浪参数和海洋土体物理参数的改进波散方程，考虑多孔介质海床对波浪传播影响，采用复波数解析方法，通过变动海床厚度、渗透系数、饱和程度及波浪角频率等特征参数，系统比较分析了考虑波浪海床相互作用时波长与传统方法波长的差别，求解了波幅在海床消能影响下随着传播距离的衰减程度。研究成果为海洋软土地基液化评价和加固设计提供了建议和方案。