本文關鍵詞：波浪作用下黃河三角洲海床失穩(wěn)機制與評價方法　出處：《中國海洋大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 波浪 黃河三角洲 超孔隙水壓力 海床失穩(wěn) 海上風電樁基

【摘要】：針對波浪作用下海床失穩(wěn)這一科學技術問題,以具有風暴潮等特殊海洋動力環(huán)境與粉土沉積等特殊工程地質(zhì)條件的黃河三角洲為背景區(qū)域,基于海洋土力學的理論框架和基本方法,根據(jù)問題的因果聯(lián)系,依次對波浪作用下海床孔隙水壓力響應、波浪作用下海床失穩(wěn)方式與地質(zhì)災害評價、海床失穩(wěn)對海上風電樁基設計的影響展開探討,致力于理清與海床失穩(wěn)相關的系列問題發(fā)生發(fā)展的物理力學機制,并構建相應的定量評價方法,服務于黃河三角洲地區(qū)的海底地質(zhì)災害評價和海上風電開發(fā)。主要工作和創(chuàng)新如下：(1)波浪作用下海床孔隙水壓力機制與計算。基于水槽試驗實測數(shù)據(jù),揭示了巖土材料的等壓屈服特性、剪脹性和波浪引起的附加應力路徑的重要影響。分析指出應力-變形-孔隙水壓力是貫穿以Biot理論為基礎的彈性、孔隙水壓力發(fā)展模式和彈塑性三類計算模型的主線,彈性模型只能計算瞬態(tài)孔隙水壓力,孔隙水壓力發(fā)展模式只能計算累積孔隙水壓力,彈塑性模型可同時計算瞬態(tài)和累積孔隙水壓力,是由其物理力學實質(zhì)決定的。瞬態(tài)孔隙水壓力機制對應于波高較小、周期較長的波浪與顆粒較粗、密度較大的土體組合,累積孔隙水壓力機制對應于波高較大、周期較小的波浪與顆粒相對較細、密度相對較小的土體組合。波浪作用下黃河三角洲粉土海床的孔隙水壓力響應計算結(jié)果顯示,瞬態(tài)和累積機制同等重要,波浪越極端,海床超孔隙水壓力越大,影響深度越深,超孔隙水壓力并未達到或超過海床土的有效應力,但超孔隙水壓力比在海床表層2m范圍內(nèi)最大,淺層海床發(fā)生失穩(wěn)的可能性最大。(2)波浪作用下海床失穩(wěn)方式與地質(zhì)災害評價。波浪作用下海床失穩(wěn)有沖刷、液化、滲透失穩(wěn)和剪切滑動等多種方式,各失穩(wěn)方式可能單獨或耦合發(fā)生,超孔隙水壓力在海床失穩(wěn)過程中發(fā)揮重要作用。其中,波浪作用下海床沖刷受到滲流力和床面高密度流的顯著影響；波浪作用下海床的淺層滑動是一種低應力狀態(tài)下的漸進破壞,可通過比較波浪引起的剪應力與海床土的臨界狀態(tài)強度進行判別；滲透失穩(wěn)是波浪作用下粉土海床失穩(wěn)的一種重要形式；海床液化與滲透失穩(wěn)的判別式是等價的,二者發(fā)生與否取決于土體的級配和外力所引起的滲流壓力梯度。波浪作用下海床滑動的漸進破壞特性和臨界狀態(tài)特性,以及計算所得2m的最大滑動深度,很好的解釋了黃河三角洲海底滑坡及復活現(xiàn)象。波浪引起的滲流壓力梯度在海床表層3m范圍內(nèi)最大,與塌陷凹坑深度相對應,海床滲透失穩(wěn)及后繼的沖刷效應是黃河三角洲塌陷凹坑的可能成因。波浪引起的最大沖刷深度在2-10m之間,波浪沖刷及單向流引起的凈輸運可導致粉砂流及沖溝地貌,海床淺層滑動及粉砂流均可能產(chǎn)生滑塌、陡坎地貌。海床失穩(wěn)及再固結(jié)可引起海床密化,海床局部滲透失穩(wěn)可引起海床粗化,海床局部密化粗化可形成擾動地層,大范圍密化粗化可形成硬殼層。(3)海床失穩(wěn)對海上風電樁基變形的影響。單樁基礎是適合黃河三角洲海上風電場的樁基形式,風、浪、流等荷載引起的水平變形是海上風電單樁安全穩(wěn)定的決定性因素。以10m水深處典型5 MW海上風電機尺寸和機構參數(shù)為例,黃河三角洲地區(qū)的特征荷載組合下,作用于風機葉輪和結(jié)構上的風荷載能引起較大的彎矩,作用于水下樁柱的波浪荷載能引起較大的水平力,潮流荷載影響非常小。考慮風、浪、流荷載的非均布效應,應用積分方法求取的作用于樁頭之上的水平力和彎矩用于樁基設計更為精確合理。應用粉士p-y曲線法的計算結(jié)果顯示,黃河三角洲地區(qū)飽和粉土海床在50年一遇極端工況下,直徑6m的風電樁基插入海床深度不應小于18-20 m；若考慮波浪引起的海床沖刷效應,則應加大樁基插入深度10 m；若考慮波浪引起的超孔隙水壓力對土抗力的折減效應,需額外增加3-5 m的插入深度以抵消其影響。
[Abstract]:According to the wave induced instability of the problems of science and technology, with special engineering geological conditions of storm surge and other special marine dynamic environment and silt deposition in the the Yellow River Delta region as the background, theoretical framework of marine soil mechanics and basic methods based on the problems according to the causation, turn on the seabed pore water pressure wave under the action of wave induced response, loss evaluation and geological hazards stability, seabed instability effect on sea wind power pile design is discussed, and is committed to sort out problems related to seabed lost steady development of physical mechanism, and construct the quantitative evaluation method of the evaluation of submarine geological disasters and marine development wind power services in the Yellow River Delta area. The main work and innovation are as follows: (1) wave induced pore water pressure mechanism and calculation. Flume experiments based on measured data, Jie The pressure of rock and soil materials yield characteristics, the additional important influence path of dilatancy and wave induced stress. Analysis shows that the deformation of pore water pressure is through to Biot based on the theory of elasticity, the main pore water pressure development model and elastic-plastic three calculation model, calculation of transient pore water pressure elastic model only, only development model of pore water pressure calculation of accumulative pore water pressure, elastoplastic model can also calculate the transient and accumulative pore water pressure, is determined by the physical and mechanical nature. The transient pore water pressure mechanism corresponding to Yu Bo high waves and particles smaller, longer period of coarse soil larger portfolio the density, pore pressure accumulation mechanism corresponding to Yu Bo high waves and particles larger, smaller cycles are relatively thin, relatively low density of the soil pore water. The combination of the the Yellow River delta silty seabed under waves The calculation results show that the transient pressure response, and accumulation mechanism are equally important, more extreme wave, the excess pore pressure is, the more deep influence depth, effective stress and pore water pressure did not reach or exceed the seabed soil, but the excess pore water pressure ratio on the seabed surface within the range of 2M maximum, the shallow seabed lose stability is possible. (2) under the action of wave seabed loss evaluation and geological hazards stability. Under the action of wave seabed instability has scour, liquefaction, seepage instability and shear slip in a variety of ways, the instability may occur alone or coupled, excess pore water pressure loss play an important role in the process of seabed stability the wave induced scour significantly affected by seepage force and bed surface high density flow; shallow sliding wave induced progressive failure is a low stress condition, can be caused by comparing the shear wave To determine the critical state of stress and strength of seabed soil; seepage instability is an important form of wave induced silty seabed instability; seabed liquefaction and seepage instability criterion are equivalent, the occurrence of the two depends on the soil gradation and the external force caused by the seepage pressure gradient of wave action. The progressive failure characteristics of seabed sliding and critical state characteristics, and calculated the maximum 2m sliding depth, a good explanation of the the Yellow River delta submarine landslide and resurrection phenomenon. The wave induced seepage pressure gradient in the seabed surface within the range of 3M, and the corresponding collapse pit depth, seabed instability and subsequent penetration scouring effects may cause collapse of the Yellow River Delta. The maximum depth of scour induced by wave between 2-10M wave erosion and the net transport one-way flow caused by transport can lead to silt flow and gully landform, shallow seabed Sliding and silt flow may produce collapse scarp topography. Seabed instability and reconsolidation can cause seabed densification, seabed local seepage instability can cause coarsening of seabed, seabed local dense coarsening can form a wide range of disturbance to the ground, dense coarsening can form a crust layer (3). Seabed instability effect on sea wind power. The deformation of pile foundation pile foundation is suitable for the Yellow River delta offshore pile foundation form, wind wind, wave, flow and deformation caused by load level is the decisive factor of offshore wind power. The safety and stability of the single pile parameter in 10m deep water typical 5 MW sea motor size and mechanism for example, the characteristics of load combinations in the Yellow River Delta, the wind load on the fan impeller and the structure can cause large bending moment acting on the wave load, underwater pile can cause large horizontal force, the trend of load effect is very small. Considering wind, wave, flow load Non uniform effect, using integral method to obtain the horizontal force acting on the pile head and bending moment of the pile foundation design for more accurate and reasonable calculation. Application of powder + p-y curve method. The results show that the the Yellow River delta saturated silty seabed in 50 years under extreme conditions, the diameter of 6m wind power pile into the seabed the depth should not be less than 18-20 m; if considering the effect of wave induced seabed erosion, should increase the pile depth of 10 m; if considering the wave induced excess pore water pressure on soil resistance reduction effect, the need for additional depth of insertion of 3-5 m to counteract its influence.

【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P731.2;P75

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本文編號：1393444