《波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價方法》一書基于塑性力學極限分析運動學方法和有限元強度折減數(shù)值方法,對當前海底斜坡穩(wěn)定性評價中存在的關鍵科學問題進行了深入分析,提出了波浪荷載作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價的數(shù)值與解析方法。書中重點研究了海底斜坡的穩(wěn)定性與破壞模式及滑坡機制,包括線性與非線性波浪、擬靜力地震荷載、工程擾動狀態(tài)等復雜環(huán)境,也涉及軟黏土靈敏度、土體強度分布的非均質性、海底斜坡多土層分布、坡長小于一個波長等特殊工況。這些內容不僅能促進海洋巖土工程與地質災害的科學理論發(fā)展,而且可以指導海洋工程實踐。
《波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價方法》一書可供從事海洋土力學與巖土工程、海洋工程地質、海洋環(huán)境地質和災害地質、海洋工程、海洋科學等領域的科研人員和高校師生參考,亦可供從事海洋工程勘察、設計、施工的相關企業(yè)技術人員參考。
海底滑坡是近海三角洲、大陸架和大陸坡、深海海底常見的一種海洋地質災害,一旦發(fā)生海底滑坡,將對海底管線和海洋平臺等基礎設施造成危害,嚴重時威脅海洋平臺的穩(wěn)定與安全。因此,海底斜坡穩(wěn)定性評價與滑坡演化機制研究已經成為當前海洋巖土工程與工程地質災害研究領域的熱點問題。然而由于問題的復雜性,關于波浪作用下海底斜坡的穩(wěn)定性評價、海底滑坡的發(fā)生機理仍沒有徹底解決,目前主要采用極限平衡法分析海底斜坡的穩(wěn)定性,但該法只能給出問題的近似解答,無法揭示海底斜坡失穩(wěn)的破壞模式和滑坡演化機制,亟需開展深入而系統(tǒng)的理論分析與創(chuàng)新方法研究,發(fā)展海底斜坡穩(wěn)定性評價的實用化分析方法;特別是針對復雜荷載和地質環(huán)境及特殊工況下的多土層海底斜坡問題,其穩(wěn)定性分析理論與評價方法仍無顯著進展。為此,引入塑性力學極限分析運動學方法和強度折減有限元數(shù)值方法,對當前海底斜坡穩(wěn)定性評價中存在的關鍵科學問題進行了深入分析,重點研究了線性與非線性波浪(二階Stokes波)、極端波浪參數(shù)、擬靜力地震荷載、工程擾動環(huán)境和軟黏土靈敏度、土體強度分布的非均質性、多土層海底斜坡、坡長小于一個波長等復雜工況下海底斜坡的穩(wěn)定性與破壞模式及滑坡機制,提出了波浪荷載作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價的數(shù)值與解析方法,為海底管線和海洋平臺等基礎設施建設與工程防護及防災減災提供技術支持。
《波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價方法》一書共分7章,第1章介紹海底滑坡的國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,指出海底斜坡穩(wěn)定性評價中存在的主要問題,并引出本書的主要內容。
第2章介紹海底斜坡極限分析方法的基本理論、強度折減極限分析方法及計算程序實施。
第3章介紹簡化波壓力作用下海底斜坡穩(wěn)定性的極限分析運動學方法。簡化一階波浪理論中波浪荷載對海床壓力分布的理論公式,將其應用于波浪作用下海底斜坡極限狀態(tài)方程中,求解考慮波浪力作用的海底斜坡安全系數(shù)和潛在滑動面。針對典型算例,探討了不同波浪參數(shù)(如波長、波高及水深)對海底斜坡穩(wěn)定性的影響。
第4章介紹了線性波壓力作用下海底斜坡穩(wěn)定性的上限極限分析方法。考慮線性波浪作用,基于極限分析上限方法與線性波壓力理論,推導了波壓力對斜坡海床的做功功率,同斜坡海床重力做功功率一起引入到虛功率方程中,建立了波浪作用下斜坡海床穩(wěn)定性的極限狀態(tài)方程;引入數(shù)值積分技術,結合最優(yōu)化方法,求解了不同時刻海底斜坡的安全系數(shù),并深入探討了不同波浪參數(shù)(波高、波長、水深)與坡長小于一個波長等條件下海底斜坡穩(wěn)定性。
第5章介紹了非線性波加載條件下海底斜坡穩(wěn)定性的上限極限分析方法。采用二階Stokes波浪理論求解波壓力,運用極限分析上限定理,建立了考慮非線性波荷載作用的海底斜坡穩(wěn)定性上限解法。在此基礎上,結合一黏土質海底斜坡,分別考慮線性波與二階Stokes波作用,探討波長、波高、水深等因素對海底斜坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。
第6章介紹了復雜環(huán)境下的海底斜坡穩(wěn)定性解析方法。將極限分析上限方法拓展到了復雜環(huán)境下海底斜坡的穩(wěn)定性上限分析中?紤]工程施工擾動,引入擾動度的定義,對不同擾動環(huán)境下不同靈敏度的海底斜坡穩(wěn)定性進行了上限分析。進一步考慮土體黏聚力隨深度分布的非均質性,推導了海底斜坡的內能耗散功率,從而建立了非均質性海底斜坡穩(wěn)定性的上限解法。以多土層海底斜坡為研究對象,構造一組合對數(shù)螺線破壞機構,選擇旋轉中心與滑入點作為獨立變量,實現(xiàn)了波浪與地震荷載共同作用下多土層海底斜坡的穩(wěn)定性上限分析,進一步拓展了極限分析上限方法在海底斜坡穩(wěn)定性分析中的適用范圍,最終將該方法應用于一實例海底斜坡評價。
第7章介紹了波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性評價的彈塑性有限元數(shù)值方法。以大型有限元軟件ABAQUS中的荷載模塊為基礎,添加一階波浪力加載模式,實現(xiàn)波浪力作用下海底斜坡穩(wěn)定性的二維彈塑性有限元分析與強度折減數(shù)值計算;诘湫退憷_展變動參數(shù)計算,深入探討不同波浪參數(shù)、海底壓力與水深等對計算結果的影響以及波浪力作用下海底斜坡潛在滑動面的變化規(guī)律,并將數(shù)值計算結果與極限分析上限方法所得解析解進行對比驗證。在此基礎上,考慮波浪力的影響,對廈門滬救碼頭近岸海底斜坡的穩(wěn)定性及破壞模式進行數(shù)值分析,獲得波浪荷載下海底斜坡這一實際波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性的極限分析上限方法和數(shù)值分析問題的初步認識。
在本書稿完成之際,作者憶起欒茂田教授在海洋土力學與巖土工程領域給予作者的指導和幫助,在此表示由衷的感激;感謝所在的大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室各位同仁一直以來對作者在海洋土力學與防災工程、地質災害動力學與減災技術領域科研工作的支持;感謝國際地質災害與減災協(xié)會、國家海洋局第一海洋研究所、中國地質調查局青島海洋地質研究所、中國海洋大學、中國地震局工程力學研究所、遼寧地質海上工程勘察院有關專家在海洋地質調查及滑坡穩(wěn)定性評價方面給予的支持和幫助。感謝課題組研究生劉博、劉敏、范寧、焦厚濱、霍沿東、魯雙等在相關專題研究中做出的貢獻。本書主要內容是在作者指導的部分研究生學位論文的基礎上發(fā)展起來的,部分成果尚未公開發(fā)表過;在本書撰寫過程中,碩士生劉敏、霍沿東提供了許多幫助,在此表示衷心的感謝!本書的部分研究成果得到了國家自然科學基金(No.41427803,No.51579032)、深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室基金(No.SKLGDUEK1307)、國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質重點實驗室基金(No.MRE201304)、山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室基金(No.MEGE1603)及國家自然科學基金委南海東北部及呂宋海峽共享航次科學考察項目的資助,在此表示衷心的感謝。本書能夠順利出版,還要感謝中國建材工業(yè)出版社的領導和責任編輯的大力支持。
由于海洋土、海水、波浪流或地震等交織在一起,錯綜復雜,其穩(wěn)定性與滑坡發(fā)生機制問題,受海洋土性狀、土!水相互作用、環(huán)境荷載、工程地質條件等影響,海底滑坡在短期內尚難完全弄清楚,其評價理論和計算方法離實際仍有一定差距。因此,進行系統(tǒng)性的深入探索研究,仍是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。作者希望本書能對從事海洋工程地質調查、海底斜坡穩(wěn)定性評價、海底滑坡災害預測與避險、海洋工程防災減災的廣大設計、施工技術人員及科研、教學人員和研究生有所幫助。鑒于海底滑坡相關問題研究還在不斷發(fā)展、完善階段,有一些理論和認識還有爭議,一些方法還不成熟,加上著者水平所限,書中難免有疏漏和不妥之處,懇請專家和讀者批評指正。對于書中所引用文獻的眾多作者(列出的和未列出的)表示誠摯的謝意!
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 海底滑坡研究現(xiàn)狀
1.3 主要研究內容
第2章 靜水條件下海底斜坡穩(wěn)定性上限極限分析
2.1 強度折減技術
2.2 邊坡穩(wěn)定性上限分析理論
2.3 靜水條件下海底斜坡穩(wěn)定性上限分析
2.4 小結
第3章 簡化波壓力下海底斜坡穩(wěn)定性上限極限分析
3.1 概述
3.2 波壓力簡化
3.3 考慮波浪荷載的海底斜坡穩(wěn)定性上限解法
3.4 小結
第4章 線性波加載下海底斜坡穩(wěn)定性上限極限分析
4.1 概述
4.2 波浪誘發(fā)的海底波壓力
4.3 線性波加載下海底斜坡穩(wěn)定性的上限解法
4.4 參數(shù)討論
4.5 小結
第5章 非線性波加載下海底斜坡穩(wěn)定性上限極限分析
5.1 概述
5.2。樱簦铮耄澹蟛▔毫
5.3 二階Stokes波加載下海底斜坡穩(wěn)定性上限解法
5.4 參數(shù)分析
5.5 小結
第6章 復雜環(huán)境下海底斜坡穩(wěn)定性的解析方法
6.1 擾動環(huán)境下海底斜坡穩(wěn)定性解析
6.2 考慮非均質效應的海底斜坡穩(wěn)定性解析
6.3 多土層海底斜坡穩(wěn)定性上限分析
6.4 線性波加載下多土層海底斜坡穩(wěn)定性解析
6.5 非線性波加載下多土層海底斜坡穩(wěn)定性解析
6.6 波浪與地震耦合作用下多土層海底斜坡穩(wěn)定性解析
6.7 工程實例分析
6.8 小結
第7章 基于彈塑性有限元強度折減法的海底斜坡穩(wěn)定性分析
7.1 引言
7.2 有限元法基本理論與數(shù)值實施
7.3 波浪作用下海底斜坡穩(wěn)定性數(shù)值分析
7.4 波浪作用下海底斜坡實例分析
7.5 小結
參考文獻