单桩基础周围海床液化机制研究范文

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摘要:建立波浪作用下单桩周围三维海床动力响应模型，考虑自重影响下的海床长时间固结过程。采用已有物理模型试验数据对模型进行验证，证实其具有较好的适用性。模拟波浪作用下单桩周围三维海床液化区域，通过定量分析超孔隙水压力和土体初始有效应力的变化，讨论单桩插入深度对海床液化的影响机制。研究表明，单桩插入深度发生变化时，土体初始有效应力对海床液化的影响要大于超孔隙水压力，且影响程度随着插入深度的增加而逐渐增大。

关键词:波浪作用;单桩基础;海床液化;动力响应;固结状态

波浪作用于结构物表面，使结构物自身稳定性受到影响，同时结构物周围海床在波浪作用下孔隙水压力、土体有效应力和位移发生复杂变化，在海床内部产生超孔隙水压力。超孔隙水压力的产生，能削弱土颗粒之间的聚合力，使土颗粒趋于松散。此过程中若海床排水不畅，超孔隙水压力差值(海床内部与海床表面之间)超过海床初始有效应力，则土体有效应力衰减至零，引起海床液化及失稳现象［1］，如图1所示。近年来科学研究发现，波浪作用下海床动力响应及失稳是导致海工结构破坏的主要因素之一［2］。单桩作为最常见的海工结构物基础形式之一，其稳定性受到海岸工程界的广泛关注。因此，研究波浪作用下单桩周围海床液化机制具有重要的理论价值和现实意义。波致海床动力响应问题的研究始于20世纪70年代［3］，可分为瞬时响应和累积响应［1］。瞬时响应表现为土骨架主要发生弹性形变，海床内出现脉动孔隙水压力，此现象主要发生在渗透系数较大的砂质海床中。累积响应表现为土骨架主要发生塑性形变，海床内孔隙水压力随时间累积增长，此现象主要发生在渗透系数较小的淤泥质海床中。本文基于土骨架弹性形变假设，关注沙质海床动力响应问题，对于淤泥质海床内海床累积响应过程则未讨论。有关海床瞬时响应，早期研究大都关注波浪-海床相互作用，不考虑结构物的存在［3］。随后在求解波浪数值模型的基础上考虑了结构物对海床动力响应的影响［4］。针对结构物的考虑，现有研究大都关注于坐落式结构物(防波堤、海底管道)，对插入式结构物(单桩)周围海床动力响应问题则鲜有研究。波浪遇到单桩后产生的反射和绕射现象形成复杂的三维波浪场，使海床动力响应时空变化规律更为复杂。Li等［5］发展了单桩周围海床动力响应有限单元模型，采用非线性波浪理论提供单桩周围的波浪荷载，忽略了波浪遇单桩后发生的反射和绕射现象。Chang和Jeng［6］发展了海上风电高桩平台基础(群桩)周围海床响应模型，考虑了波浪遇结构物后的传播变形物理过程。研究指出，作用于结构物和海床表面的波浪压力随波高和周期的增加而增大，高桩平台基础会改变波浪传播形态和孔隙水压力的动力响应特征。

上述研究均没有考虑单桩震动对海床响应的影响。考虑单桩-海床之间的耦合作用，Sui等［7］建立了波浪-海床-结构物相互作用数值模型，考虑波浪非线性变形和桩-土之间的协调变形过程。Zhang等［8］随后在控制方程中引入土体空间非均匀分布梯度，将上述模型的适用范围拓展到结构物周围的三维非均匀海床。有关海床液化的研究，Zen和Yamazaki［9］基于超孔隙水压力判定方法，给出液化的一维判定准则，即超孔隙水压力差值大于土体上覆压力时液化发生。应用平均有效应力概念，Jeng［10］将上述准则拓展到空间三维。这些研究局限于波浪-海床相互作用过程，并未考虑结构物的存在。Hsu和Jeng［11］应用短峰波(short-crestwave)压力理论，研究了波浪作用下直立防波堤周围海床的三维液化特征。Zhou等［12］关注了椭圆余弦波作用下海底管道附近海床的液化问题，指出海床表面粗砂置换可减弱管道周围的液化现象。Li等［5］和Lin等［13］先后整合了波浪模型与海床模型，研究了波浪作用下单桩周围的海床液化现象，指出单桩后方液化区域大于单桩前方，但上述研究未考虑结构物自重的影响。一般说来，结构物自重会引起桩体周围土骨架的进一步压缩，抑制液化现象的发生［14］。Ye［15］考虑海床初始固结过程，提出考虑结构物自重影响下的海床液化准则。Ye［15］、Ulker等［16］和Jeng［4］在海床液化判定中考虑了结构物自重影响，但仅考虑了坐落式结构物。相比于坐落式结构物，单桩插入海床会改变周围海床土体有效应力分布，影响海床的液化特征，但目前对单桩自重影响下海床液化问题的研究则相对不足。本文考虑单桩周围土体初始有效应力状态，研究单桩自重影响下的波致海床液化问题。首先给出数值模型的控制方程和边界条件。然后，选取已有物理模型试验对本模型模拟结果进行比对，确保模拟的可靠性。在模型验证的基础上，模拟单桩周围海床的三维液化区域，定量分析单桩插入深度引起的超孔隙水压力差值和土体初始有效应力的变化，探讨单桩插入对海床液化的影响机制。

1数学模型

1．1海床模块

多孔弹性海床响应全动态方程由Zienkiewicz等［17］于1980年提出，包括土体应力平衡方程、孔隙流体平衡方程和质量守恒方程。

1．2波浪模块

波浪模块采用求解Boussinesq方程的高阶非线性“FUNWAVE”模型［19］。FUNWAVE模型能够很好地模拟近岸复杂地形下结构物周围波浪的非线性变形过程，考虑波浪遇单桩后的反射和绕射现象。在单桩和海床表面，波浪模型产生的波浪压力输入海床模型。此过程中不考虑结构物和海床位移对波浪传播的影响，是一种海床响应单向耦合计算模式。一般说来，波浪作用下单桩和海床的位移较小可忽略不计，对波浪传播的影响较小［7，20］，为提高模型计算效率，此单向耦合作用过程广泛应用于前人相关研究［4，14］。

1．3边界条件

海床在底部及侧边界处为不透水及不可运动刚体，因此土体位移和孔隙水压力(瞬时和累积孔隙水压力)梯度在此处为零(usoil=0，p/n=0);在海床表面，土体有效正应力和切应力为零，孔隙水压力等于波浪压力(p=pw，σ'soil=0，τsoil=0);在海床与结构物交界面，孔隙水压力梯度为零，土骨架运动位移等于结构物位移并且满足相邻节点处的应力平衡准则(p/n=0，usoil=upile，σ'pile=σ'soil－p，τpile=τsoil)。

2模型验证

Cong等［21］基于物理模型试验研究了波浪遇到2×2群桩后的非线性传播变形过程，分析了波浪参数(波陡、周期和波浪入射角)对群桩周围波面分布的影响。该试验在大连理工大学波浪水槽中进行。水槽右端造波，群桩模型布置在整个试验段的中部，后端及两侧均有波浪消波装置。

3机制分析

在模型验证的基础上，应用模型研究波浪作用下单桩周围海床的液化特征。考虑单桩自重的影响，给出单桩不同插入深度下海床液化深度的变化。通过定量分析超孔隙水压力差值(p－pb)和土体初始有效应力(σ'z0)的变化，给出两者在单桩周围海床液化过程中的贡献度，揭示单桩插入对海床液化的影响机制。

4结语

建立了波浪作用下单桩周围海床响应及液化的三维数学模型，考虑了自重引起的海床固结过程，并结合已有物理模型试验进行验证。研究了单桩周围海床三维液化区域，探讨了单桩插入深度条件下超孔隙水压力和土体初始有效应力对海床液化的影响机制。模型较好地复演了波浪作用下单桩周围海床动力响应的时空变化过程，可用于近海单桩基础周围海床动力响应及液化问题的研究。单桩自重可抑制周围海床液化的发生，在单桩自重不变的条件下，海床液化深度随着单桩插入深度的增加而增大。在其他参数不变的条件下，单桩插入深度对海床液化存在两种影响机制:一种是超孔隙水压力差值减小对海床液化的抑制作用;另一种是土体初始有效应力减小对海床液化的促进作用。随着插入深度增加，超孔隙水压力差值减小引起的抑制作用的影响程度逐渐减弱，土体初始有效应力减小导致的促进作用占据主导。

作者：隋倜倜1，2；张弛1，3；高玉峰2；郑金海1，3 单位：1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，2．河海大学土木与交通学院，3．河海大学港口海岸与近海工程学院