波浪、海洋土参数对海床稳定性影响

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1、应用数学和力学，第２２卷第８期（２００１年８月）应用数学和力学编委会编AppliedMathematicsandMechanics重庆出版社出版文章编号：１０００_０８８７（２００１）０８_０８０６_１１磁波浪、海洋土参数对海床稳定性影响林缅，李家春（中国科学院力学研究所，北京１０００８０）（我刊编委李家春来稿）摘要：基于Yamamoto的多孔弹性介质模型，研究了波生底床的稳定性·通过给出的有限深底床下土响应分析解，针对三种土质底床，讨论了主要波参数和土参数对这些底床稳定性的影响·与其他土模型计算结果进行了比较，分析了海洋土内部Coulomb摩擦因素

2、的影响·关键词：海床失稳；剪切破坏；液化中图分类号：P７３１畅２文献标识码：A引言海洋结构物，如导管架平台、重力式平台、海底输油管道、防波堤等等，在海洋环境中主要受波浪载荷的作用·波浪将力通过结构物传到地基中去，使土体受力、变形·同时波浪还直接将力作用于海底土层，使结构物周围一定范围内的土体应力分布发生改变，从而对结构物的稳定性产生影响·对一些失稳防波堤的研究发现，这些防波堤的破坏是由于地基失稳造成的，而［１，２］不是防波堤结构的问题·我们知道，海洋土和陆地土所处的环境不同，海洋土承受的加载条件更为恶劣·当波传播时在水土交界面上存在一个循环压力，这一

3、循环压力渗透到多孔床内部·由弹性力学分析可知，对于土层中某一固定点，其主应力方向在波浪作用的一个周期内，连续旋转１８０°，而偏主应力保持常量·这种应力状态是波浪作用下的弹性体内所特有的，其结果造成海洋土在波浪的循环载荷下抗剪强度大幅度降低，使得海床失稳甚至液化·当土体内部某一点的剪应力超过该点剪切强度时就会导致土体失稳，而当土床内超孔隙水压力和向下的有效土重量相等时液化发生，悬浮土颗粒很容易地象液体一样移动·一般来说，关于底床稳定性问题往往可以简化成波浪作用下天然海底受力状态的研究·自４０年代初直到现在，人们对海床和孔隙水的物理性质，比如，土的刚性、

4、可渗透性、可压缩性以及饱和度等等性质作了各种假设，已经提出了许多理论模型研究波浪引起孔隙水压力及剪应力变化·归纳起来大致可分为三类：第一类是把土看成是多孔连续介质，孔隙水为不可压流［３］［４］［５］［６］体（Putnam，１９４９；Sleath，１９７０；Liu，１９７３；Massel，１９７６；等等）；第二类仍是把土看成是多［７］［８］孔连续介质，但同时考虑了孔隙水的可压缩性（Moshagen等，１９７５；Prevost等，１９７５；等等）；第三类则除了把土体看作是可变形的多孔弹性介质外，还考虑了可压缩孔隙水和土骨架之间磁收稿日期：２０００_０２_

5、２２；修订日期：２００１_０３_０６基金项目：国家自然科学基金资助项目（１９６０２０２１）作者简介：林缅（１９６０—），女，副研究员，博士，主要从事环境流体力学研究．８０６林缅李家春８０７［９］［１０］［１１］的相互作用（Yamamoto等，１９７８；Madsen，１９７８；Okusa，１９８５）·前两种模型无论是否考虑孔隙水的可压缩性，都没有考虑土骨架运动变形以及孔隙水渗透的耦合，控制方程简化为孔隙水压力满足Laplace方程（孔隙水不可压）或满足扩散方程（孔隙水可压）·这样得到的孔隙水压力只局限于特殊情况，比如：Laplace方程适用渗透性非常好

6、的底床，如粗砂质底床；扩散方程适用于底床非常硬而且渗透性比较弱的底床，如砂岩质底床·而且这两种模型无法给出土床中应力分布的信息·第三类模型是基于Biot的多孔弹性介质模型建立的，它比较贴切地反［１２］映了砂土的特性·近几年人们利用该模型讨论了防波堤的破坏（Hus等，１９９４；Semour等，［１３］［１４，１５］［１６］１９９６；Lin等，１９９６，１９９７；Jeng，１９９７；等等）·然而，这种模型没有考虑土层内部摩擦，认为相对于土体的渗透力和弹性力来说，土和孔隙水的惯性力非常小，可以忽略不计·这就等价于假设土骨架的弹性波速度远远大于水波速度·这一

7、假设只适合相对比较硬的土床·一些［１７］实验结果表明，每一循环载荷下的剪切模量和能量损耗是剪应变幅度、侧限压力、持续时间以及循环加载数量的函数，和加载频率无关，这说明土床内剪切能量的耗散是由于土颗粒和土颗粒之间的库仑摩擦所造成，而不是由于孔隙水的粘性摩擦或孔隙水和土颗粒之间的相互摩擦引起·在细砂或粉土土层中，库仑摩擦的影响更为明显·所以对细砂或者粉土质土床来说，仅仅把土体看作是多孔弹性介质是不够的，还需要考虑土颗粒和土颗粒之间的库仑摩擦·本［１８］［１９］文中我们利用Yamamoto的弱非弹性多孔介质模型给出的有限深底床内土响应分析解，进一步研究了波

8、生土床的稳定性·基于这一模型以及液化和剪切破坏准则，计算了最大液化深度和最大剪切破坏深度·选用三种比较常见的