波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析.pdf

水 利 学 报 2004 年2 月 SHUILI XUEBAO 第2 期 文章编号：0559-9350 (2004) 02-0094-07 波浪作用下海床孔隙水压力发展过程与液化的数值分析 栾茂田，张晨明，王栋，郭莹 (大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024) 摘要：为了探讨波浪作用下海床的液化特性与孔隙水压力发展过程，本文在海床动力响应弹性分析的基础上，将不 排水条件下孔压增长模式与动力固结方程相结合，对波浪作用下海床中瞬态与残余孔隙水压力的发展过程与变化规 律进行了有限元模拟与分析；对善功企与山崎浩之所提出的海床液化评判准则进行了修正，根据所估算的总孔隙水 压力，对波浪作用下海床的液化势进行了评价。 关键词：海床；液化；波浪荷载；孔隙水压力；残余孔隙水压力；固结；有限元 中图分类号：TU43；TV139.222 文献标识码：A 波浪作用下砂质海床液化是海床的主要失稳型式之一，它与海床中超静孔隙水压力的产生、发展、累 积及扩散过程密切相关。研究表明，波浪作用下海床中的超静孔隙水压力可以分解为瞬态振荡孔压和残余 孔压两部分。其中瞬态孔隙水压力随波压力的循环作用而振荡，在波浪作用后没有积累；残余孔隙水压力 与土的残余变形相关，一般地随着波浪循环作用次数的增加而增长。关于波浪引起的海床液化，目前的主 要研究工作集中在两个方面：(1)基于海床动力响应的弹性分析，讨论由循环孔隙水压力所引起的瞬时液 化［1］，同时基于土工地震动力有效应力分析方法的基本思想，将不排水条件下饱和砂土孔隙水压力增长模 式与 Terzaghi 固结方程相结合估算残余孔隙水压力的发展与扩散过程，并以此对由残余孔隙水压力所诱 发的液化进行评价。(2)采用弹塑性本构关系，基于控制振动与固结耦合过程的基本方程进行弹塑性有效 应力分析，直接得到海床中残余孔压与循环孔压的总和，在此基础上进行液化分析。其中前者着重于瞬态 液化分析，仅适用于小风浪作用情况。后者尽管能够较好地模拟孔隙水压力产生、发展与消散过程，但计 算工作量较大、求解效率不高，目前仍缺乏比较合适的弹塑性本构模型。本文首先基于弹性分析确定海床 中的循环孔隙水压力与等效剪应力过程，进而将不排水条件下孔隙水压力增长经验模式与Biot 耦合固结 方程［2］ ［3，4］ 相结合，借鉴沈珠江等在土石坝地震孔隙水压力预测与液化分析中所采用的计算方法 ，通过有 限元数值计算估算孔隙水压力的发展与扩散过程，进而以此为基础对孔隙水压力所引起的海床液化势进行 评价。 1 基本理论与基本方程式 ［2］ 按照 Biot 理论 ，假定土骨架为线弹性材料，在考虑孔隙流体压缩性及残余孔压的情况下，可以得 到同时考虑动力效应与固结效应的基本控制方程 2 2 2 ∂ ∂p ∂ u ∂ u ∂ w p r g +( + ) − + 0 (1) E +E E E 1 ∂x 2 3 ∂z 2 2 3 ∂x∂z ∂x ∂x 收稿日期：2002-07-10 基金项目：国家自然科学基金；教育部跨世纪优秀人才培养计划研究基金 作者简介：栾茂田(1962-)，男，山东招远人，教授，主要从事岩土力学基本理论与数值分析、非线性土动力学与岩土 地震工程、海洋土力学理论与实验等方面教学与研究。 94 水 利 学 报 2