海底隧道与海床动力相互作用及其失稳机理研究

Based on the fully implicit u-p approximation of the generalized Biot's dynamic consolidation theory, the elastic-plastic dynamic solids theory and the friction contact theory, the research method of advanced soil experiments, theory analysis and non-liner numerical computations are combined and applied to this study. Considering the porous media of seabed, non-liner contact of soil and structures and energy radiation of infinite field synthetically, the numerical computation model of submarine tunnel and seabed interaction and analysis method under seismic and wave coupling loadings are proposed, the non-liner dynamic responses of marine geological soil and submarine tunnel interaction are discussed in detail. Based on large numbers of experimental phenomena and patterns, the physical and mechanical index and related constitutive model parameters of soil samples will be obtained. The characteristic of dynamic strength and dynamic deformation of soil skeleton and dynamic deformation mode of submarine tunnel under complex ocean environment are examined. The damage mechanism and instability mode of submarine tunnel and seabed in the dynamic interaction system are indicated. All these research work will provide theoretical basis and technical support for the development of key science and techonology of seismic resistance in major offshore traffic engineering and the development of marine resources, and also provide references for design and construction of offshore platform.

本课题拟以先进的土工试验、理论分析与非线性数值计算相结合的研究方法，基于u-p格式的广义Biot动力固结理论、弹塑性动力学理论以及摩擦接触理论，建立地震、波浪荷载耦合作用下海底隧道-海床土动力相互作用的有限元计算模型和分析方法，综合考虑海床土多相孔隙介质性、土体与结构接触非线性以及无限域能量辐射效应等多种复杂因素，探讨处于地震、波浪荷载耦合作用下的实际海洋土体和海底隧道结构物相互作用体系的非线性动力响应特性。在总结大量的实验现象和规律的基础上获取海洋土样的物理力学指标与相关本构模型参数，研究复杂的海洋环境下饱和海床土体的动力强度和动力变形特性以及海底隧道的动力变形模式，揭示海底隧道-海床动力相互作用系统的破坏机理和失效模式，从而为我国近海重大交通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。

本项目针对海洋结构物与海床的非线性动力相互作用问题开展了较为系统的试验研究与数值计算工作。主要的研究内容和研究成果如下：.1. 复杂应力路径下海洋土力学特性的试验研究.对“竖向-扭转双向耦合空心圆柱扭剪仪”进行了开发与完善，并针对密实度为60%的福建标准砂开展了室内土工试验研究，探讨了不同固结条件和不同应力释放条件下(排水和不排水)土体的液化特性，总结了动荷载作用下海洋土层中孔隙水压力的增长模式以及偏压固结状态下土体的变形特性和孔隙水压力特性。所得的试验结果进行非线性拟合获得孔压应力模式的数学模型，与试验数据拟合良好，而且用于数值计算简单、直观。根据一系列的土工试验结果进行系统的归纳与分析，确定动力弹塑性本构模型PZ-III中的模型参数，并针对砂质海床的模型参数给出合理的建议值和适用范围。.2. 海洋结构物-海床非线性动力相互作用体系的数值计算模型和方法.以饱和土动力固结分析程序DIANA-SWANDYNE III为平台，利用针对海床-结构体系动力相互作用问题开发的有限元计算子程序，建立了海洋结构物-海床相互作用体系的有限元模型，并通过对海洋结构物和海床进行的三维数值模拟，预测了海床中累积超孔隙水压力的空间分布与时程变化规律，探讨了土性参数和结构物几何特性对动力荷载所引起的结构物周围海床中累积超孔隙水压力分布的影响。计算中采用三维动力非线性本构模型Pastor-Zienkiewicz III广义塑性本构模型，并与已有的试验数据和弹性数值模型进行了比较，考查了波浪参数、海床土参数以及结构物外形尺寸对波浪引起的超孔隙水压力的影响。.3. 考虑复杂影响条件的海洋结构物-海床动力相互作用体系的破坏机理和失效模式.以饱和孔隙介质的Biot动力固结理论为基础，以饱和土动力固结分析程序DIANA-SWANDYNE III为平台建立了海床-海洋结构物相互作用的计算模型，考察了了在地震荷载和波浪荷载的联合作用以及波流荷载共同作用下海底结构物的动力响应以及结构物周围土体的孔隙水压力的变化，并讨论了荷载作用对海洋结构物动力响应的影响，揭示了海床-结构物体系动力失稳破坏的机理和规律。