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近年来我国能源工业迅速发展,但仍旧面临资源紧缺的问题,因此大力开发海洋资源是历史的必然。目前海洋资源的探采逐渐从浅水区向深水区发展,而海底滑坡作为一种常见的地质灾害,直接威胁海底多种工程构筑物的稳定性,如钻井平台、光缆等设施。在海底滑坡对构筑物影响方面,国内外目前大多以海底管线为主要研究对象。随着海洋工程建设规模的不断壮大,桩基础因其良好的抗弯能力、较高的单桩承载力及相对容易的成桩工艺,在海上风电、跨海大桥、深水码头等重大涉海工程领域得到了广泛应用。因此,研究海底滑坡对工程结构物的冲击作用规律迫在眉睫。为此,本论文针对海底滑坡毁坏海洋工程桩基的现象,研究海底滑坡泥流运动对工程桩基的冲击作用,力争揭示其作用机理,达到提高海洋工程桩基础结构因海底滑坡冲击的能力。研究成果在理论和实践方面都具有十分重要的指导意义。在典型海洋滑坡实例基础上,论文运用工程地质综合分析方法,研究海底滑坡赋存地质环境特征及其效应;通过旋转流变试验研究海底滑坡泥流的不排水剪切强度和表观粘度与剪切速率的相关性,揭示海底滑坡土体的流变特性,提出适合典型滑坡场区土体的不排水剪切强度模型。在此基础上,综合运用物理模型试验和数值模拟手段,研究特定条件下海底滑坡泥流运动规律,以及滑坡泥流运动对工程桩基的冲击作用规律;再通过改变初始泥流分布和桩基结构布置型式,研究泥流运动冲击下工程桩基的受力机制,并探讨保证工程桩基安全的结构设计要求。论文取得了以下主要成果:(1)海底滑坡及其赋存地质环境特征分析:海底滑坡多发育在海洋火山岛周围、开放大陆架、海底峡谷及港湾中;多由碎屑物质组成,规模较大,平面呈马蹄形,面积达十几万平方公里;平均坡度在5°-40°之间,由滑坡后部至滑坡前缘逐渐变缓,具有滑坡陡壁、滑塌谷、滑坡台阶等形态特征。海底滑坡形成条件是充足的物源、一定的坡度和一定的触发因素三个方面,其中,物源土体的物理力学性质和斜坡几何形态特征是海底滑坡的内在影响因素,而外在触发因素主要有地震作用、海平面升降作用、构造作用等。滑坡中后部或发育前期的变形破坏模式以崩流和碎屑流为主,滑坡中前部或发育后期的变形破坏模式以泥流和浊流为主。这为后文模型试验设计提供了依据和思路。(2)海底滑坡泥流(土)体的流变特性研究:通过旋转流变试验,考虑滑坡体运动过程中含水量变化和颗粒层析等,结合Herschel-Bulkley(简称H-B)模型拟合确定了剪切强度与剪切速率的经验关系式,建立了适合近海海底滑坡土体的流变模型,并利用数值模拟和室内试验技术对其进行验证。(3)海底滑坡泥流运动规律:泥流运动主要受到坡度和粘度的影响。对于泥流流速来说,一方面,泥流流速随着坡度增大而增大;另一方面,在低浓度时候,随着黏土含量增加,减少了固相颗粒间的摩擦碰撞,泥流流速增加。在高浓度时,较大的粘度使泥流流动性变差,泥流运动速度减小。其次,对于滑动距离及厚度来说,无论是哪种坡度,泥流粘度是停留原地未经运动的泥流量的主要影响因素。随泥流粘度的增加,停留在原地的泥流厚度变得更大;随着坡度增大,初始驱动力更大,泥流运动的体量和速度更大,对桩基的冲击力也更大,同时,运动走的泥流量和停留原地的泥流量的差异更加明显;第三,在泥流前锋到达桩基之前,泥流速度逐渐增大,于接触桩基瞬间达到最大值;由于桩基的阻拦作用,泥流在桩基处的爬高位置急剧上升;在桩基的阻拦作用下,泥流在桩前汇聚并形成滑动过程中最大厚层,其后泥流速度逐渐减小;在桩基背侧能看到明显的旋涡。(4)海底滑坡泥流运动对工程桩基的冲击作用规律:泥流运动对工程桩基的冲击作用主要受泥流粘度和流速影响;冲击力随泥流粘度增大呈非线性减小,大致与流速平方呈正比;流速对冲击作用的影响更显著。受到泥浆冲击作用后桩身弯矩迅速增长,并在水土交界面达到最大。在桩后有一个泥浆绕流形成的漩涡,使得桩后压强减小。桩前后的压强差增大对桩的冲击力有进一步的叠加效应。拟合得到了桩基阻力系数与非牛顿流体雷诺数之间的简单计算公式,基于此公式可计算不同雷诺数下的桩基阻力,为海洋工程桩基设计提供参考。(5)海底滑坡泥流运动冲击下工程桩基的受力机制:初始泥流高度越大,泥流冲击瞬间的流速越大,泥流在桩基处的爬高位置上升越高,桩基所受的冲击力越大;当泥流接触桩基的瞬间桩基受到的冲击力达到最大值;其后由于绕流作用及桩背侧的旋涡效应,且随着泥流速度的减小,桩基受力逐渐减小。后排桩在泥流流速、泥流爬高位置上升及冲击力方面与前排桩基本规律一致,只是由于在不断冲击过程中能量逐渐消散,后排桩在泥流流速、泥流爬高位置上升及冲击力的数值上小于前排桩。前排桩沿桩高方向泥流速度逐渐增大达到峰值,其后再逐渐减小。由于泥流底部的粘滞作用泥流速度有一个先减小后增大的现象。(6)探讨了保障工程桩基安全的结构设计要求:海底滑坡泥流粘度对工程桩基压力有明显的影响,在勘察阶段,可根据海底土质的粘稠度适当改变桩基强度;桩基水土界面处需要增大强度;可以按照压力分布特点设计分布式的桩基刚度;群桩和单桩的竖向分布特征相同,但受到多根桩阻隔,桩受到的最大压力沿流动方向逐渐较小,但实际无法预测冲击方向,设计中仍要按最大的受力布置同样刚度。