复杂海洋环境下土-结构动力相互作用和分析方法研究

In the recent ten years, the major infrastructure projects of transportation and energy engineering construction in offshore meizoseismal area of China is developing rapidly, the investment in which is huge. It has become urgent requirement to ensure the anti-seismic safety of these major infrastructure projects in the social and economic development of China. In this proposal, the non-linear mechanical characteristics of marine soil in oceanic environment through laboratory experiments are studied and the constitutive model of marine soil which can describe the characteristics of the high static hydraulic pressure is developed; based on solid-fluid coupling two-phase media theory of saturated soil, the double explicit computational method in time domain of seismic nonlinear response of saturated marine soil will been proposed through theoretical analysis, the whole analysis model of seismic nonlinear response of seabed-structure system in complex oceanic environment are established; Taking pier-pile-soil system as example, the influence factor and regularity of seabed-structure dynamic interaction and seismic response characteristic in complex oceanic environment are analyzed, the seismic-induced failure mechanism and mode of the seabed-structure system will be revealed, thereby a simplified analysis model and method aimed to soil-structure dynamic interaction in complex oceanic environment are established. All these research work will provide theoretical evidence and technical support for seismic resistance in major infrastructure projects in offshore field, and provide references for perfect design and construction of offshore platform structures.

近十年我国近海交通、能源基础设施工程建设发展迅速，对于这些投资规模巨大的近海重大基础设施工程，保障其抗震安全已经成为我国社会、经济发展的迫切需求。本项目通过室内试验研究海洋环境下海洋土的非线性力学特性，发展能反映高静水压力特点的海洋土本构模型；基于固-液耦合的饱和土体两相介质理论提出饱和海床土体非线性反应的时域双显式计算方法，建立复杂海洋环境下饱和两相介质海洋土-结构体系地震非线性反应整体分析模型；并以墩-桩-场地土体系为例，分析复杂海洋环境下海床土-结构动力相互作用的影响因素和规律，揭示海床土-结构体系地震破坏机理和失效模式，从而建立一套针对复杂海洋环境下土-结构动力相互作用的简化分析模型与方法。本项目研究成果将为我国近海重大基础设施工程的抗震减灾提供理论依据和技术支持，为完善海洋平台建筑物的设计和施工提供参考依据。

本项目主要探讨复杂海洋环境下土-结构动力相互作用及海洋土与结构物体系的非线性地震反应的机理和规律。主要的研究内容和研究成果如下：.1. 复杂海洋环境下海洋土的非线性力学特性研究.本项目针对高静水压力对海洋土的力学特性的影响进行试验研究，首先利用先进的“竖向-扭转双向耦合空心圆柱扭剪仪”进行了不同反压对标准砂强度影响的试验研究，得到了高静水压力下饱和海洋土体液化大变形的产生机制。.2. 固-液耦合饱和海洋土体两相介质动力方程双显式计算方法.在二维饱和两相介质u-p方程的数值分析方法的基础上，进一步发展三维情况下饱和两相介质u-p格式动力方程的高效数值分析方法。在考虑复杂的地形条件、非自由场的土-结构相互作用的同时，有效模拟了砂土液化大变形的全过程，以及液化过程引起的工程结构地震反应、破坏演进和失效模式。.3. 复杂海洋环境下海床土-结构体系非线性反应的整体分析模型.建立了波浪、海流、风荷载、地震荷载等动荷载共同作用下的三维海床-结构体系非线性地震反应的整体耦合模型，针对复杂海洋环境下海床土与结构物的相互作用进行数值模拟，分析了荷载-海床-结构物体系的动力相互作用机理，揭示了复杂海洋环境下场地土和结构的非线性地震反应规律。.4. 复杂海洋环境下海床土-结构体系的简化分析模型与方法.以墩-桩-场地土体系为例，总结了海洋工程场地条件、荷载动力效应以及结构几何尺寸等因素对海床土-结构体系的地震非线性反应特点和影响规律，建立了针对复杂海洋环境下土-结构动力相互作用的具有工程实用精度的简化分析模型与方法。.本项研究可为我国近海重大基础设施工程的抗震减灾关键科学技术发展以及海洋资源开发提供理论依据和技术支持，也为完善海洋平台建筑物的设计和施工提供参考依据。