婚纱飘纱液化波浪技巧_波浪作用下海床液化的数值分析

　　doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01133� 　　摘要：较大的风浪会使海床发生液化，波浪引起的海床液化问题是海岸及近海工程必须要考虑的关键问题之一。当海床内部土骨架的有效应力转移给孔隙水压力进而变为零时，土体将丧失剪切强度出现液化现象。基于Biot固结理论，利用软件FLAC，分析波浪作用下海床的动力响应，可推出波浪作用下海床最大液化深度，同时也可以得出波浪作用下海床液化的过程，即孔隙水压力上升、土层液化、液化后土层下沉压缩以及孔隙水压力消散，所得结果较好地反映了波浪作用下海床液化的规律。�
　　关键词：波浪；海床；孔隙水压力；有效应力；液化；消散；FLAC�
　　中图分类号：TV148 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0133-03�
　　Numerical Analysis of Seabed Liquefaction Under Wave Loading�
　　HUANG Guang-jue,ZHENG Yong-lai�
　　(Department of Hydraulic Engineering of Tongji University,Shanghai 200092，China)�
　　Abstract:Large wave can cause the liquefaction of seabed,and the wave-induced liquefaction of seabed is a key problem for the coastal and offshore engineering.When the effective stress of the soil matrix in the seabed converts to the pore water pressure and then becomes zero,the soil shear strength decreases and soil liquefaction occurs.Based on the Biot′s consolidation theory,the dynamic response of seabed to the wave loading is analyzed using FLAC,which can be used to calculate the maximum depth of liquefaction of the seabed.Meanwhile,the analysis indicates that the process of wave-induced liquefaction of the seabed is the result of the rising of the pore water pressure,soil liquefaction,soil sinking and compression after liquefaction,and the dissipation of the pore water pressure.The results can reflect the regularity of the wave-induced liquefaction of seabed.�
　　Key words:wave;seabed;pore water pressure;effective stress;liquefaction;dissipation;FLAC
　　�
　　波浪作用下海床的稳定性分析是海底管线、防波堤和海洋平台基础设计中的重要内容。波浪作用使海床产生振荡动孔隙水压力和残余孔隙水压力。当孔隙水压力来不及消散，海床内部孔隙水压力就会累积，即残余孔隙水压力上升，从而引起土体有效应力的降低，削弱海床土体的抗剪强度甚至导致土体的液化［1］。�
　　为了描述多孔介质中的流体与介质骨架之间的相互作用，Biot［2］提出了著名的Biot固结理论，用来确定给定载荷条件下土体中的应力分布、水的含量以及沉降量。为了简化和描述问题清楚起见，在Biot固结理论中，一般有如下一些假定：① 海床土是各向同性的；② 海床土骨架变形遵从虎克定律；③ 水是无黏性的流体；④ 海床以上的水层不可压缩；⑤ 海床以上的波浪场是无旋的；⑥ 海床内的渗流满足达西定律；⑦ 海床土的渗透系数为常数。�
　　1 波浪作用下海床液化理论�
　　1.1 波浪对海床的作用�
　　海洋中的波浪很少只含有一种波，往往是一系列具有一定波高和波长的正弦（或余弦）波列组成了我们看到的海浪。现在分析波列中单一的正弦波，如图1。采用Airy线性波理论，假设波高与水深相比很小，并且海床下层坚固不透水。�
　　图1的波压轮廓线根据下面的波压力公式给出［3］ ：�
　　�p=p���0�sin�2π(x/L-t/T)(1)�
　　式中：p-波压力;p�0-波峰压力;x-波浪水平方向传播距离;L-波长;T-波浪周期;t-时间，其中p�0可表示为：�
　　p���0=γ�wH2 1�cos�h(2πh/L)（2）�
　　式中：H-波高;γ�w-水的比重;h-�水深。
　　�
　　1.2 海床液化判断准则�
　　当海床土体有效应力降低为零后，液化现象就会发生。此时的土层丧失承载能力，最终导致海床失稳。Zen和Yamazaki［4］在1993年对波浪作用下弹性海床瞬时液化机理进行了探讨，并提出了海床瞬时液化的二维判断准则，�
　　�σ′�z(z,0)-(p-)≤0(3)�
　　式中：σ′�z(z,0)=γ′z；γ′-土的浮容重； z-海床深度；�-波浪引起的振荡孔隙水压力。�
　　Jeng［5］将这种准则推广到三维情况，�
　　�13（1+2K�0）σ′��z�(z,0)-(p-)≤0(4)�
　　式中：K�0-静止土压力系数。以上两个准则并没有考虑残余孔隙水压力的情况，栾茂田［6］等人同时考虑了振荡孔隙水压力和残余孔隙水压力，对波浪作用下海床液化判断准则进行了修正：�
　　13（1+2K�0）σ′��z0�≤(p-)+p��r(5)�
　　式中：p��r-�残余孔隙水压力。�
　　2 波浪作用下海床液化模拟与分析�
　　较大的风浪会引起海床液化，但此时现场观测海床液化现象是高度危险和困难的，而较小的风浪引起的海床液化现象并不是很明显，现场观测也不易，所以至今在研究波浪作用下海床液化方面，主要还是通过室内实验和理论推导来进行。2001年，L.Cheng［7］等人将有限差分法应用到波浪引起的海床液化的分析中，结果显示解析解和有限差分法得出的数值解基本一致。钟佳玉［8］等人通过物模实验研究了振荡孔隙水压力的规律，武伯�［9］通过物模实验研究了波浪荷载下砂质粉土海床残余孔隙水压力的规律并利用有限差分法对实验进行了分析，较好地反映了海床液化的规律。下面采用基于有限差分法原理的计算软件FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）［10］对海床进行液化模拟与分析。�
　　2.1 模拟参数�
　　在进行FLAC模拟时，本文选取了Ishihara和Yamazaki给出的参数［11］，Ishihara和Yamazaki在其论文里提出了循环剪应力比与相对密度的关系，并利用相关参数从理论上推算出波浪引起海床液化的最大深度为9�2 m。�
　　其中波长�L�=132 m，波高�H�=10�0 m，周期�T�=9�8 s，水深�h�=29 m，海洋土中值粒径�D��50��=0�17 mm，均匀系数为2�0，最大孔隙比和最小孔隙比分别为0�98和0�60，土的比重为2�65，土的相对密度�D�r�=60%，静止土压力系数�K��0=0�5。�
　　2.2 网格划分�
　　根据波浪参数和土参数的情况，建立以下海床模型，见图2。模型总长140 m，总高30 m，水平方向划分35个网格，每格长4 m，竖直方向划分18个网格，根据模拟的情况进行了局部加密。经模拟发现，海床的最大液化深度出现在加密区的网格内，这里局部加密是为了提高软件的计算精度，以便得出更准确的海床最大液化深度。�
　　
　　2.3 初始条件与边界条件�
　　根据海床条件，对海床做了以下假设。�
　　① 初始条件。在静水压力作用下，海床表面的水压力为2�9×10�5 Pa；海床底部的孔隙水压力为5�9×10�5 Pa，顶部的为2�9×10�5 Pa。�总应力σ、有效应力σ′和孔隙水压力p�p的关系为：�
　　σ=σ′+p�p�（6）�
　　② 边界条件。海床底部和两侧不透水；底部水平和竖直方向的位移以及两侧水平方向的位移始终都为零；土体完全饱和。�
　　2.4 加波浪荷载�
　　由式（2）算出海床表面的波压力峰值为23�65 kPa，由于单元网格长度为4 m，所以模型表面每个网格点等效波压力峰值为94�60 kPa，但两侧网格点的等效波压力要减半。在运行FLAC时，首先在静力条件下对海床模型进行平衡运算，之后再开始计算动力问题。�
　　为观测海床不同深度的总应力、有效应力、孔隙水压力等的变化，在模型中部不同深度的网格点都设置了观测点（见图3），设置在模型中部的原因是为了尽量减少边界对结果的影响，以便更准确地观测这些网格点上的有关参数的变化。�
　　
　　2.5 模拟结果�
　　波浪通过时，波浪对海床产生作用力，波峰时表现为压力，波谷时表现为吸力。当通过的波浪为正弦波时，波浪荷载也呈正弦变化。加载波浪力之后，波浪作用使土体骨架压缩，致使孔隙水压力上升，土体有效应力下降。当土体有效应力降为零，即有效应力全部向孔隙水压力转移时，土体便出现液化现象。从图4可看出，对于海床面以下深9 m以内的土层，在波浪力加载时间到250 s附近时，有效应力均降低至零，此时土层均已液化，而深度大于9 m的土层，有效应力始终没有降至零，由此便可推出最大液化深度是9 m。Ishihara和Yamazaki通过理论计算得出的最大液化深度是9�2 m，文中模拟结果与其基本相等。现在结合图4和图5可看到，海床面以下深度越大，该处的土体有效应力降低至最小值（或孔隙水压力上升至最大值）所需要的时间也越长，所以液化先从海床面开始，然后向下发展，这是因为浅层的土体比深层的土体更容易受到波浪荷载的影响。在波浪力加载时间到500 s后，部分深度的有效应力已开始上升，只是有效应力上升的速度比之前下降的速度要慢，所以简谐波作用下海床的液化现象只出现在一定的时间范围内，随着时间的推移，液化现象会消失。随着有效应力的上升，土层也开始下沉压缩，之后孔隙水压力开始消散，消散的速度也比之前上升的速度要慢。通过以上分析，可以得出波浪作用下海床液化的4个阶段分别为：孔隙水压力上升致使土体有效应力下降，有效应力降至零时土体液化，液化后土层下沉压缩，之后孔隙水压力开始消散，如图6所示。�
　　
　　
　　3 结语 �
　　为了研究波浪荷载作用下海床液化的问题，本文以有限差分软件FLAC为工具，结合饱和多孔介质的Biot固结理论及Airy线性波理论，对波浪作用下海床液化机理进行探讨，同时也对波浪作用下海床总应力、有效应力和孔隙水压力进行了模拟和分析，计算给出了波浪作用下海床有效应力及孔隙水压力的变化规律，并进一步对海床液化进行研究，得出以下结论。�
　　① 海洋工程中，波浪是一个必须要考虑的重要因素，波浪荷载使海床土体有效应力降低，甚至造成海床液化，给工程结构带来损害。�
　　② 采用FLAC可以模拟出在波浪荷载作用下，土体有效应力逐渐转移给孔隙水压力，孔隙水压力不断累积，一定时间后土体有效应力达到最小值，极限情况下当土体有效应力降至零时，土体就出现液化现象，最大液化深度为土体有效应力达到零的最大深度。�
　　③ 波浪作用下不同深度的海床土体出现液化的时间并不是一致的，浅层的土体比深层的土体更容易受到波浪力的作用，所以液化先从海床面开始，然后向更深处发展。且简谐波作用下海床液化现象只是出现在一定的时间范围内，随着时间的推移，孔隙水压力将会消散，液化会消失。所以波浪作用下海床液化过程为孔隙水压力上升、土体液化、液化后土体下沉压缩、孔隙水压力消散。�
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　　通讯作者:郑永来（1964-），男，安徽长丰人，教授，博士生导师，博士，主要从事港工、水工和地下结构抗震及耐久性、水利岩土工程、软基处理等研究.E-mail：zyll@tongji.省略