基于应力状态的波致海底缓坡滑动稳定性研究

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随着我国海洋资源开发力度的加大以及近海设施的增多,海底失稳的危害逐渐显现,海底斜坡稳定分析已成为当前海洋岩土工程的研究热点问题。海底斜坡滑动失稳模式一般分为无限坡滑动和有限坡滑动。分析了斜坡坡角和波浪作用对单元土体潜在破裂面方向的影响。针对波浪作用下海底缓倾角斜坡的特点,提出直接基于滑动面处土体应力状态的滑动稳定性计算方法(简称应力状态法),针对海底缓倾角无限坡、有限坡,对应力状态法与传统计算方法进行对比分析,并应用应力状态法分析了海底缓倾角斜坡的滑动失稳特征;基于应力状态的波致海底缓倾角有限坡滑动稳定性分析理论,对黄河口软土、粉土斜坡体滑动稳定性进行了分析。论文主要得到以下结论:(1)随着坡角的增大,单元土体的主应力将发生旋转,对于无黏性土斜坡,当坡角达到内摩擦角时,单元土体的潜在破裂面将平行于斜坡面,即由有限坡滑动转为无限坡滑动;而对于海底斜坡,波浪作用将使斜坡在坡角远小于内摩擦角时由有限坡滑动转为有限坡滑动模式向无限坡滑动模式转变。(2)对于海底缓倾角无限坡,具体算例的分析表明,应力状态法计算得出的安全系数大于极限平衡法的安全系数,且随着滑动面深度的增加、土体泊松比以及斜坡坡角的增大,2种计算方法得出的安全系数的差异会逐渐增大;对于波浪作用下的海底缓倾角无限斜坡,在失稳时极可能沿具有一定厚度的滑动带而不是单一的滑动面而滑动,且波致最大剪应力所在的深度,常常不是斜坡体最易失稳滑移的深度。(3)对于海底缓倾角有限斜坡,具体算例的分析表明,应力状态法计算得出的安全系数大于Henkel法和Oksua法,而Henkel法与Oksua法的计算结果基本相同,随着土体泊松比以及斜坡坡角的增大,应力状态法与Oksua法计算得出的安全系数的差异会逐渐增大;海底缓倾角有限坡的安全系数随滑动面半弦长l的增加呈波浪状变化,且最危险滑动面的半弦长约为3LL/16;瞬态波浪作用下,饱和海底缓倾角有限坡发生失稳滑动时的最危险滑动面将关于波节点对称,使滑动失稳坡体的上坡段位于波峰处,而下坡段位于波谷处;考虑累积孔隙水压影响时,饱和海底缓倾角有限坡发生失稳滑动时的最危险滑动面将并不关于波节点对称,而是略向波谷方向偏移。(4)对于黄河口海底软土斜坡,随着水深的增大,使斜坡土体保持稳定的最小不排水抗剪强度将先增大后减小,其中水深为8m时所需的最小不排水抗剪强度达到最大,表明8m水深时斜坡最容易发生失稳;随着滑动面深度的增加,软土斜坡保持稳定所需的最小不排水抗剪强度先增大后减小,这与波浪应力随海床深度的变化相对应:当土体不排水抗剪强度大于5.2kPa时,黄河口软土斜坡一般将不会发生失稳滑动:软土斜坡失稳的复合滑动面一般关于波节点对称。对于黄河口海底粉土斜坡,水深小于5m时粉土斜坡海床不发生液化,随着水深的增大,土体开始发生液化的临界波浪作用时间先减小后增大,水深8m时最易发生液化;以水深8m为例,当波浪作用时间在一定范围内时,粉土斜坡临界滑动面深度大于其最大液化深度;考虑累积孔隙水压影响时,粉土斜坡失稳的复合滑动面并不关于波节点对称,而是略向波谷方向偏移约0.04L。
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