海洋土软化特性及海床和基础失稳与灾变机理研究

The softening behavior of offshore soils is important to evaluate the failure process of seabed and offshore foundations. The softening behavior of offshore soils include accumulating pore pressure and stiffness softening under long term cyclic loading, high shearing rates hardening, strain softening and strength recovering under second consolidation. This study will carry out laboratory soil tests, theoretical analyses, numerical analyses and centrifuge model tests to study these behaviors of offshore soils. A dynamic elasto-plastic constitutive model will be established to consider the long term cyclic loading. Improvements will be made on the numerical methods of smooth particle hydrodynamics and of the RITSS large deformation finite element method. The failure mechanisms of inclined seedbeds, the movement and developing mechanism of submarine landslides will be studied by both numerical analyses and centrifuge model tests. The failure mechanisms of suction caissons, drag anchors and plate anchors under long term cyclic loading will be studied. The bearing capacity and keying behaviors of those offshore foundations will also be predicted. This study has great scientific significances in further understanding the engineering characteristics of offshore soils and the theory in dynamical analyses of offshore foundations. It also has great significances in evaluating the seabed stability and designing offshore mooring foundations in practical engineering.

海洋土的软化特性（广义）对海床和基础的失稳尤其是灾变演化过程具有重要影响。软化特性主要表现在长期循环动力荷载作用下土体孔压累积和模量软化、高剪应变速率等效硬化、大变形应变软化以及再固结强度恢复等。项目拟联合运用室内土工试验、理论分析、数值计算及离心模型试验等手段，对以上软化特性以及海床与典型海洋锚固基础的失稳和灾变开展深入系统的研究。根据试验和分析结果，建立能够反映长期循环荷载效应和应变软化的弹塑性动力本构模型，发展SPH平均深度积分数值方法和RITSS大变形有限元方法，通过数值分析和离心模型试验相互验证，揭示倾斜海床失稳机制及海底滑坡运移和演化机制，揭示吸力式桶形基础、拖曳锚和平板锚的失稳机理，并提出其安装调节力学行为和承载力的预测方法。本项目对海洋工程中软土灾变特性、海洋地基动力学分析理论和变形机理方面具有重要科学意义，在海床稳定性评价和海洋锚固基础优化设计方面具有重要工程应用价值。

项目以海洋土软化特性、海床稳定性及新型海洋锚固基础设计为研究主线，从复杂荷载作用下典型海洋土工程特性的测试技术和理论模型入手，提出并验证了海洋软黏土静/动力本构模型，揭示了海洋土-新型锚固基础相互作用机制，完善并提出了海床稳定性分析方法、锚固基础安装及承载性能评价方法，研发了裙式吸力式桶形基础及新型鱼雷锚等锚固基础。建立了我国南海海洋土的工程性质数据库，有针对性地的研发了新型椭圆形全流动贯入仪和加压式T-bar试验方法、可模拟海洋软黏土的新型透明土材料及其模型试验技术，系统研究了长期循环荷载作用下海洋土的模量软化、触变特性及微观结构演化特性，建立了反映海洋土软化特性的静/动力本构模型。建立了海底滑坡灾变全过程的大变形模拟方法，提出了基于随机有限元模型概率框架的海床稳定性分析方法，揭示了波浪长期循环荷载作用下海床失稳机理并预测了海底滑坡的灾变范围。提出了吸力式桶形基础桶壁贯入阻力及承载力理论计算方法，揭示了拖曳锚/平板锚安装轨迹、调节行为及系泊承载机制。研发了裙式吸力式桶形基础、新型鱼雷锚等锚固基础，建立了其承载力理论计算方法。为不良地基海洋基础优化选型及安全控制措施提出了建议和决策依据。.本项目发表SCI收录论文71篇，其中JCR Q1/Q2区60篇，占比85%；授权发明专利24项（含美国等国际发明专利5项），已技术转化1项；培养国家优青2人，培养毕业博士8名、硕士18名，出站博士后2名。成果应用于我国南海陵水17-2气田陡坡及海管路由稳定评价和海底管线路由选址、流花29-1深水气田深水多筒吸力式桶形基础可行性论证、可移动采储平台基础/可移动外输装置基础优化选型等10多项重大工程；有效解决了海洋资源开发中软土地基基础相关核心科学问题与关键技术，取得了良好的社会经济效益，获2020年度辽宁省科技进步一等奖。