海洋土微观结构与复杂荷载作用下渗流特性研究

The marine soil as the ground foundation of the ocean engineering structures plays a very important role on the stability of ocean engineering structures. In this project, a study on the microscopic characteristics and the seepage flow under complicate loading conditions is carried out in consideration of three marine soils (i.e., silty clay, Fujian seabed sand and calcareous sand). Based on the fractal characteristics of the particles and pores in the marine soils, a quantitative description is given using scanning electronic microscope and image processing techniques. A new fractal model is developed where the relationship between microscopic characteristics and seepage properties can be considered. A new seepage test apparatus is developed in which the varying hydraulic gradients in a certain frequency can be achieved. As such, the seepage flow under the complicate loads, such as the wind, wave, anchor drawing and earthquake, can be experimentally simulated in lab. These research results will be further applied to the meso-scale CFD-DEM coupled simulation and the capacity analysis of the suction foundation of offshore platforms. The aim of this project is to provide a deep insight into marine soil for the design and to ensure the stability of ocean engineering structures.

作为海工结构物地基，海洋土的力学性质起到至关重要的作用。本项目针对我国海域三种典型土质(渤海淤泥质黏土、福建海砂、南海钙质砂)，对其微观结构特征及特殊海况荷载作用下的渗透特性进行研究。利用电子显微拍摄和数字图像处理技术，采用分形理论对三种海洋土微观结构进行定量描述。发展海洋土的渗透率分形解析模型，该模型既是对现有的渗透水压力差与流速关系公式的一种改进，也能考虑以一定频率变化的渗透水压力下海洋土微观结构特征与渗透性之间的关联。在现有的渗流试验装置基础上，研制试验装置, 使其能够实现以一定频率变化的渗透水压力，从而模拟风浪、锚绳拉拔及地震荷载作用下的渗流过程，进而对海洋土在复杂恶劣海洋地质环境和工况下的渗透特性及稳定性进行研究。最终，将研究成果应用到细观流固耦合数值模拟和深海平台吸力锚基础承载力分析中，能够进一步为海洋工程结构的设计提供理论依据，以提高海工结构物的稳定性和安全性。

本项目基于海洋土力学性质对海工结构物基础安全和稳定性的重要影响开展深入研究，项目按照计划顺利开展并完成既定研究目标。项目对典型海洋土的微观结构特征，及其复杂情况下的渗流特性进行研究。首先，采用扫描电镜方法结合数字图像处理技术，对钙质砂的微观结构特征进行量化分析，并提取形状描述参数。随后，开发新型渗流试验装置，开展钙质砂的达西与非达西渗流试验，将结果与传统经验方程进行对比分析，拟合出关于钙质砂特殊材料的水压差与渗流速度关系式。进一步研发渗流试验装置，使其能够实现渗透水压力差以一定频率变化，进而模拟风浪、锚绳拉拔以及地震作用下海洋土的渗流过程。然后，开发一种砂土颗粒沉降试验装置，开展液体中钙质砂颗粒沉降试验，建立了钙质砂的拖曳力系数理论模型。最后，将上述研究获得关于钙质砂的渗流方程，以及拖曳力系数理论模型，嵌入到基于CFD-DEM的流固耦合细观数值模拟技术中，对复杂情况下的砂土渗流问题进行模拟。上述研究成果可为吸力锚等海工构筑物的基础设计和施工提供一定指导。