波浪荷載作用下海床及管線的動力響應(yīng)研究

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1、申請浙江大學(xué)博士學(xué)位論文⑧波浪荷載作用下海床及管線的動力響應(yīng)研究DynamicResponseofSeabedandPipelineDuetoWaveLoading國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No．50479045)作者姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)科專業(yè)：所在學(xué)院：遙圣壬三立盅數(shù)攮遙盔鴻熬撞蚩±王猩建篁王猩堂隨浙江大學(xué)2007年4月摘要波浪引起的海床變形和穩(wěn)定性問題是海底管線工程設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵問題之一。研究波浪荷載作用下海床及管線的動力特性，對于海床及管線的穩(wěn)定性評價具有重要意義?；谶@樣的出發(fā)點(diǎn)，按照國

2、家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“海底管線災(zāi)變機(jī)理及TDR監(jiān)控研究(No．50479045)”的總體要求，本文采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對海床及管線波浪響應(yīng)的基本問題進(jìn)行研究，揭示了一些現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)制，為工程設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。分別基于平面應(yīng)變條件下的Biot固結(jié)理論和廣義Biot固結(jié)理論，采用積分變換的方法，求解突加波浪荷載作用下單層海床的動力響應(yīng)問題，并利用Frobenius級數(shù)解對Gibson海床的波浪響應(yīng)問題進(jìn)行研究。結(jié)合大量的算例，針對波浪荷載作用下海床的孔壓響應(yīng)、應(yīng)力場分布及

3、土骨架位移等問題進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并與前人的工作進(jìn)行了對比。增設(shè)覆蓋層是海床保護(hù)常用的措施之一。對于成層海床的波浪響應(yīng)問題利用狀態(tài)空間法進(jìn)行分析，建立表征該問題基本狀態(tài)量之間的傳遞矩陣，通過矩陣遞推規(guī)律、邊界條件及逆變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)成層海床波浪響應(yīng)問題的求解，并對成層橫觀各向同性海床和海床一土工布復(fù)合體系的波浪響應(yīng)問題進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明，覆蓋層能有效的提高海床抗剪切破壞和抗瞬時液化的能力，起到保護(hù)海床的作用。利用大型波浪水槽通過機(jī)械造波分不同的工況進(jìn)行波浪荷載作用下海床及管線的動力響應(yīng)模型試驗(yàn)研究。

4、結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用信號分析的方法，探討了波浪荷載作用下海床孔壓發(fā)展的機(jī)理，對土工布加固粉質(zhì)海床進(jìn)行了模擬試驗(yàn)；深入系統(tǒng)地研究了推進(jìn)波作用下管線周圍局部沖刷的演化規(guī)律和沖刷形態(tài)；對于淺埋管線，通過不同工況的模型試驗(yàn)研究加載波浪周期、波高、相對水深、散射系數(shù)及相對埋深等參數(shù)對管線周圍孔壓和管線所受上舉力的影響。結(jié)合波浪水槽模型試驗(yàn)的結(jié)果，分別利用保角變換法和基于貼體坐標(biāo)的有跟差分法，對波浪一海床一管線的相互作用問題進(jìn)行分析，討論管線存在對于海床孔壓場、應(yīng)力場和位移場的影響，進(jìn)而對管線周圍局部區(qū)域剪切破壞

5、和瞬時液化特性進(jìn)行分析；并采用狀態(tài)空間法和共振條件求解波浪荷載引起的海底管線極限沖刷長度，討論了地基模量、管徑、施工殘余軸向力及共振頻率對極限沖刷長度的影響。對波浪引起的海床表層液化進(jìn)行研究，提出了分析表層液化的啟動和發(fā)展深度的判據(jù)，在此基礎(chǔ)上從信號分析的角度入手，采用多尺度分析法對波浪荷載引起的海床累積液化進(jìn)行分析，并通過基于貼體坐標(biāo)的有限差分法實(shí)現(xiàn)波浪一海床～管線的液化評估。關(guān)鍵詞：波浪；海床；海底管線；積分變換法；狀態(tài)空間法；模型試驗(yàn)；保角變換法；貼體坐標(biāo)；多尺度分析；時頻分析；液化IIAbs

6、tractWave—induceddeformationanddestabilizationofseabedisakeyquestionforgeutechnicalengineersinvolvedindesignofsubmarinepipelines．It’Sveryimportanttostudydynamicresponseofseabedandpipelineduetowaveloadingforevaluatingthestabilityoffoundationandpipeline．

7、AccordingtothetotalschemeofprogramsupportedbyNSFC，thecatastrophicmechanismofsubmarinepipelineandTDRmonitoringandcontrolling(No．50479045)，thisthesispresentstheresultsofrecentinvestigatiomMechanicalexplanationsaboutsomeproblemsarepresentedcombinedwiththe

8、oreticalanalysis，modeltestandnumericalmodelingmethod，andthismayprovideassistanceforengineeringdesign．Byemployinganintegraltransformmethod，transientsolutionforwave—inducedseabedresponsemgainedbasedonBlot’StheoryandgeneralizedBiot’Stheory