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随着近海工程的不断开发,大量的海洋结构物已在近海区域建设。对于海洋结构物而言,不可避免地要经受各种复杂海洋动力荷载的侵扰。在波浪与结构物相互作用过程中,波浪荷载往往是结构设计的控制荷载。然而,以往研究多将海床视为刚性不可渗的固体,忽略了砂质海床对波能耗散带来的影响。为此,本文针对不同波浪条件(波高、周期、水深)以及海床特性(孔隙率、颗粒直径、海床厚度),研究其对单桩所受波浪荷载的影响,以此分析砂质海床土体对波浪能量的耗散机理,进而揭示波浪参数、海床特性对砂质海床中单桩所受波浪荷载的影响规律。
本文通过物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究砂质海床特性对单桩所受波浪荷载的影响。由于试验条件的局限性,无法对各影响参数进行逐一变量分析,考虑砂质海床特性,采用N-S方程、标准k?ε紊流模型和非线性Forchheimer方程描述砂质海床内部的孔隙流动,建立了波浪-海床-单桩相互作用的三维数值模型,研究各参数对单桩所受波浪荷载的影响规律。
(1)通过水槽试验模拟波浪与结构物之间的相互作用,改变5种不同的海床土体,固定相同厚度,研究在不同孔隙率、颗粒直径条件下,单桩所受波浪荷载的变化规律。试验发现海床特性的存在对单桩所受波浪荷载有一定的影响。并通过水槽试验数据对新建数值模型进行对比,验证了模型的合理性与准确性。
(2)基于新建数值模型,研究在海洋环境中,通过改变波高、周期、水深,其他条件保持一致,分析不同单一波浪条件对单桩所受波浪荷载的影响。通过对单桩所受波浪力随波浪参数的变化曲线与单桩所受波浪力的时程变化曲线进行分析,发现随着波高、周期的变大,单桩所受波浪荷载逐渐增大,且波高和周期时程曲线的波形存在尖锐、紧促的现象;随着水深的变大,单桩单桩所受波浪荷载逐渐减小,且时程曲线的波形十分规整平滑。
(3)通过改变孔隙率、颗粒直径、海床厚度,研究单桩所受波浪荷载随砂质海床特性的变化曲线以及单桩所受最大波浪力随砂质海床特性的变化曲线。研究发现孔隙率对单桩所受波浪荷载的影响效果非常明显,呈先增大,后减小,再增大的趋势,且当孔隙率=0.8的情况下,单桩所受波浪力达最小;随着颗粒直径、海床厚度不断增大,单桩所受波浪荷载逐渐减小。在研究砂质海床颗粒直径对单桩所受波浪荷载的影响时,对单桩所受波浪力的情况进行了公式拟合,拟合结果与数值模拟结果拟合程度比较高。
本文通过物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究砂质海床特性对单桩所受波浪荷载的影响。由于试验条件的局限性,无法对各影响参数进行逐一变量分析,考虑砂质海床特性,采用N-S方程、标准k?ε紊流模型和非线性Forchheimer方程描述砂质海床内部的孔隙流动,建立了波浪-海床-单桩相互作用的三维数值模型,研究各参数对单桩所受波浪荷载的影响规律。
(1)通过水槽试验模拟波浪与结构物之间的相互作用,改变5种不同的海床土体,固定相同厚度,研究在不同孔隙率、颗粒直径条件下,单桩所受波浪荷载的变化规律。试验发现海床特性的存在对单桩所受波浪荷载有一定的影响。并通过水槽试验数据对新建数值模型进行对比,验证了模型的合理性与准确性。
(2)基于新建数值模型,研究在海洋环境中,通过改变波高、周期、水深,其他条件保持一致,分析不同单一波浪条件对单桩所受波浪荷载的影响。通过对单桩所受波浪力随波浪参数的变化曲线与单桩所受波浪力的时程变化曲线进行分析,发现随着波高、周期的变大,单桩所受波浪荷载逐渐增大,且波高和周期时程曲线的波形存在尖锐、紧促的现象;随着水深的变大,单桩单桩所受波浪荷载逐渐减小,且时程曲线的波形十分规整平滑。
(3)通过改变孔隙率、颗粒直径、海床厚度,研究单桩所受波浪荷载随砂质海床特性的变化曲线以及单桩所受最大波浪力随砂质海床特性的变化曲线。研究发现孔隙率对单桩所受波浪荷载的影响效果非常明显,呈先增大,后减小,再增大的趋势,且当孔隙率=0.8的情况下,单桩所受波浪力达最小;随着颗粒直径、海床厚度不断增大,单桩所受波浪荷载逐渐减小。在研究砂质海床颗粒直径对单桩所受波浪荷载的影响时,对单桩所受波浪力的情况进行了公式拟合,拟合结果与数值模拟结果拟合程度比较高。