海底土层地震液化及空间滑移数值计算方法研究

本项目致力于砂质海底土层地震液化及液化后滑移变形的数值分析方法研究，首先通过对经典Seed孔压应力模型的计算修正，确定海底土孔隙水压力计算模型。其次，基于广义Biot固结理论，将隐式-隐式交叉迭代法应用于u-p形式的有限元解法，建立海底土层地震液化数值计算方法，编制计算程序。再次，基于计算流体动力学（CFD），利用三次伪质点方法（CIP 法），进行非牛顿流体（地震液化后土体）滑动变形的数值计算研究，并编制相应计算程序。最后，将以上计算程序集成，建立海底倾斜场地地震液化及空间滑移数值分析方法，通过一系列数值模型计算，分析海底土层地震液化规律、倾斜海床地震液化后滑移规模及特点，同时对砂质海床地震液化及滑移进行影响因素分析。通过本项目数值计算方法研究，探讨海底土层地震液化及其滑移机制问题，为海洋工程选址及海洋工程结构抗震设计提供参考依据。

渤海海域拥有众多海洋平台和长大海底管道，由于郯庐断裂纵贯渤海，渤中坳陷及周边断裂发育，未来50年渤海地区发震可能性较大，海底地震导致的土层液化及滑坡直接影响海洋工程结构的安全。鉴于相关海洋工程的抗震设计需求，本项目基于有限元方法和计算流体动力学理论，对砂质海底土层地震液化及土体变形进行数值分析方法研究。主要研究内容有：（1）分析各类孔压模型优缺点，对经典Seed孔压应力模型进行计算修正，确定了用于海底土层底孔隙水压力计算模型。（2）建立海底土层弹塑性动力有限元计算方法，该计算模型基于广义Biot固结理论，利用Dafalias提出的边界面类土体弹塑性模型，将隐式-隐式交叉迭代法应用于u-p形式的有限元解法，进行砂质海底地震液化数值计算分析。通过与相关实际工程对比分析，验证了分析方法的可靠性，得到海底砂质土层的地震液化过程规律。（3）建立海底土体液化后滑移变形的计算方法，该计算模型基于模量软化理论，将地震液化后土体模量近似为流体，进行液化后土体变形的数值计算。将计算结果与相关试验和数值研究进行对比，验证了该数值计算的可靠性。（4）分析总结海底砂质土层地震液化后变形规律。在分别建立海底土层地震液化和液化后变形计算方法后，针对特定区域建立计算模型，将有限元计算得到的液化结果引入变形分析软件，得到其变形流动的状态。研究分析了模型合理的边界条件和计算研究区域，并对场地土性参数、倾斜程度、地震等级、海水深度甚至波浪荷载等因素对液化及变形过程的影响进行计算分析，总结了海底砂质土层地震液化后变形规模及特点。通过本项目数值分析方法研究，探讨海底砂质土层地震液化及其变形问题，为相关海洋工程选址及海洋工程结构抗震设计提供参考依据。