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摘要:建立波浪作用下單樁周圍三維海床動力響應模型，考慮自重影響下的海床長時間固結過程。采用已有物理模型試驗數據對模型進行驗證，證實其具有較好的適用性。模擬波浪作用下單樁周圍三維海床液化區域，通過定量分析超孔隙水壓力和土體初始有效應力的變化，討論單樁插入深度對海床液化的影響機制。研究表明，單樁插入深度發生變化時，土體初始有效應力對海床液化的影響要大于超孔隙水壓力，且影響程度隨著插入深度的增加而逐漸增大。

關鍵詞:波浪作用;單樁基礎;海床液化;動力響應;固結狀態

波浪作用于結構物表面，使結構物自身穩定性受到影響，同時結構物周圍海床在波浪作用下孔隙水壓力、土體有效應力和位移發生復雜變化，在海床內部產生超孔隙水壓力。超孔隙水壓力的產生，能削弱土顆粒之間的聚合力，使土顆粒趨于松散。此過程中若海床排水不暢，超孔隙水壓力差值(海床內部與海床表面之間)超過海床初始有效應力，則土體有效應力衰減至零，引起海床液化及失穩現象［1］，如圖1所示。近年來科學研究發現，波浪作用下海床動力響應及失穩是導致海工結構破壞的主要因素之一［2］。單樁作為最常見的海工結構物基礎形式之一，其穩定性受到海岸工程界的廣泛關注。因此，研究波浪作用下單樁周圍海床液化機制具有重要的理論價值和現實意義。波致海床動力響應問題的研究始于20世紀70年代［3］，可分為瞬時響應和累積響應［1］。瞬時響應表現為土骨架主要發生彈性形變，海床內出現脈動孔隙水壓力，此現象主要發生在滲透系數較大的砂質海床中。累積響應表現為土骨架主要發生塑性形變，海床內孔隙水壓力隨時間累積增長，此現象主要發生在滲透系數較小的淤泥質海床中。本文基于土骨架彈性形變假設，關注沙質海床動力響應問題，對于淤泥質海床內海床累積響應過程則未討論。有關海床瞬時響應，早期研究大都關注波浪-海床相互作用，不考慮結構物的存在［3］。隨后在求解波浪數值模型的基礎上考慮了結構物對海床動力響應的影響［4］。針對結構物的考慮，現有研究大都關注于坐落式結構物(防波堤、海底管道)，對插入式結構物(單樁)周圍海床動力響應問題則鮮有研究。波浪遇到單樁后產生的反射和繞射現象形成復雜的三維波浪場，使海床動力響應時空變化規律更為復雜。Li等［5］發展了單樁周圍海床動力響應有限單元模型，采用非線性波浪理論提供單樁周圍的波浪荷載，忽略了波浪遇單樁后發生的反射和繞射現象。Chang和Jeng［6］發展了海上風電高樁平臺基礎(群樁)周圍海床響應模型，考慮了波浪遇結構物后的傳播變形物理過程。研究指出，作用于結構物和海床表面的波浪壓力隨波高和周期的增加而增大，高樁平臺基礎會改變波浪傳播形態和孔隙水壓力的動力響應特征。

上述研究均沒有考慮單樁震動對海床響應的影響。考慮單樁-海床之間的耦合作用，Sui等［7］建立了波浪-海床-結構物相互作用數值模型，考慮波浪非線性變形和樁-土之間的協調變形過程。Zhang等［8］隨后在控制方程中引入土體空間非均勻分布梯度，將上述模型的適用范圍拓展到結構物周圍的三維非均勻海床。有關海床液化的研究，Zen和Yamazaki［9］基于超孔隙水壓力判定方法，給出液化的一維判定準則，即超孔隙水壓力差值大于土體上覆壓力時液化發生。應用平均有效應力概念，Jeng［10］將上述準則拓展到空間三維。這些研究局限于波浪-海床相互作用過程，并未考慮結構物的存在。Hsu和Jeng［11］應用短峰波(short-crestwave)壓力理論，研究了波浪作用下直立防波堤周圍海床的三維液化特征。Zhou等［12］關注了橢圓余弦波作用下海底管道附近海床的液化問題，指出海床表面粗砂置換可減弱管道周圍的液化現象。Li等［5］和Lin等［13］先后整合了波浪模型與海床模型，研究了波浪作用下單樁周圍的海床液化現象，指出單樁后方液化區域大于單樁前方，但上述研究未考慮結構物自重的影響。一般說來，結構物自重會引起樁體周圍土骨架的進一步壓縮，抑制液化現象的發生［14］。Ye［15］考慮海床初始固結過程，提出考慮結構物自重影響下的海床液化準則。Ye［15］、Ulker等［16］和Jeng［4］在海床液化判定中考慮了結構物自重影響，但僅考慮了坐落式結構物。相比于坐落式結構物，單樁插入海床會改變周圍海床土體有效應力分布，影響海床的液化特征，但目前對單樁自重影響下海床液化問題的研究則相對不足。本文考慮單樁周圍土體初始有效應力狀態，研究單樁自重影響下的波致海床液化問題。首先給出數值模型的控制方程和邊界條件。然后，選取已有物理模型試驗對本模型模擬結果進行比對，確保模擬的可靠性。在模型驗證的基礎上，模擬單樁周圍海床的三維液化區域，定量分析單樁插入深度引起的超孔隙水壓力差值和土體初始有效應力的變化，探討單樁插入對海床液化的影響機制。

1數學模型

1．1海床模塊

多孔彈性海床響應全動態方程由Zienkiewicz等［17］于1980年提出，包括土體應力平衡方程、孔隙流體平衡方程和質量守恒方程。

1．2波浪模塊

波浪模塊采用求解Boussinesq方程的高階非線性“FUNWAVE”模型［19］。FUNWAVE模型能夠很好地模擬近岸復雜地形下結構物周圍波浪的非線性變形過程，考慮波浪遇單樁后的反射和繞射現象。在單樁和海床表面，波浪模型產生的波浪壓力輸入海床模型。此過程中不考慮結構物和海床位移對波浪傳播的影響，是一種海床響應單向耦合計算模式。一般說來，波浪作用下單樁和海床的位移較小可忽略不計，對波浪傳播的影響較小［7，20］，為提高模型計算效率，此單向耦合作用過程廣泛應用于前人相關研究［4，14］。

1．3邊界條件

海床在底部及側邊界處為不透水及不可運動剛體，因此土體位移和孔隙水壓力(瞬時和累積孔隙水壓力)梯度在此處為零(usoil=0，p/n=0);在海床表面，土體有效正應力和切應力為零，孔隙水壓力等于波浪壓力(p=pw，σ'soil=0，τsoil=0);在海床與結構物交界面，孔隙水壓力梯度為零，土骨架運動位移等于結構物位移并且滿足相鄰節點處的應力平衡準則(p/n=0，usoil=upile，σ'pile=σ'soil－p，τpile=τsoil)。

2模型驗證

Cong等［21］基于物理模型試驗研究了波浪遇到2×2群樁后的非線性傳播變形過程，分析了波浪參數(波陡、周期和波浪入射角)對群樁周圍波面分布的影響。該試驗在大連理工大學波浪水槽中進行。水槽右端造波，群樁模型布置在整個試驗段的中部，后端及兩側均有波浪消波裝置。

3機制分析

在模型驗證的基礎上，應用模型研究波浪作用下單樁周圍海床的液化特征。考慮單樁自重的影響，給出單樁不同插入深度下海床液化深度的變化。通過定量分析超孔隙水壓力差值(p－pb)和土體初始有效應力(σ'z0)的變化，給出兩者在單樁周圍海床液化過程中的貢獻度，揭示單樁插入對海床液化的影響機制。

4結語

建立了波浪作用下單樁周圍海床響應及液化的三維數學模型，考慮了自重引起的海床固結過程，并結合已有物理模型試驗進行驗證。研究了單樁周圍海床三維液化區域，探討了單樁插入深度條件下超孔隙水壓力和土體初始有效應力對海床液化的影響機制。模型較好地復演了波浪作用下單樁周圍海床動力響應的時空變化過程，可用于近海單樁基礎周圍海床動力響應及液化問題的研究。單樁自重可抑制周圍海床液化的發生，在單樁自重不變的條件下，海床液化深度隨著單樁插入深度的增加而增大。在其他參數不變的條件下，單樁插入深度對海床液化存在兩種影響機制:一種是超孔隙水壓力差值減小對海床液化的抑制作用;另一種是土體初始有效應力減小對海床液化的促進作用。隨著插入深度增加，超孔隙水壓力差值減小引起的抑制作用的影響程度逐漸減弱，土體初始有效應力減小導致的促進作用占據主導。

作者：隋倜倜1，2；張弛1，3；高玉峰2；鄭金海1，3 單位：1．河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，2．河海大學土木與交通學院，3．河海大學港口海岸與近海工程學院