【摘 要】
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海底滑坡是海洋环境中的滑坡并起着输移海底泥沙的作用。它会对海底光缆、海底管线、海上平台等基础设施造成极大破坏,甚至能诱发海啸,引起一系列次生灾害。海洋资源开发及频繁发生的极端天气增加了海底滑坡的风险,对生命及财产安全构成严重威胁。海底滑坡的成灾机理、运动规律与数值模拟是海洋岩土工程领域的热点和难点研究课题。本文结合物理试验、理论分析、数值计算等方法,对海底滑坡开展系统研究:基于离心模型试验,研究高
【基金项目】
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国家自然科学基金(No. 51879141)“高孔压作用下海底边坡中麻坑和液化机理研究”;
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海底滑坡是海洋环境中的滑坡并起着输移海底泥沙的作用。它会对海底光缆、海底管线、海上平台等基础设施造成极大破坏,甚至能诱发海啸,引起一系列次生灾害。海洋资源开发及频繁发生的极端天气增加了海底滑坡的风险,对生命及财产安全构成严重威胁。海底滑坡的成灾机理、运动规律与数值模拟是海洋岩土工程领域的热点和难点研究课题。本文结合物理试验、理论分析、数值计算等方法,对海底滑坡开展系统研究:基于离心模型试验,研究高孔压作用下海底滑坡的成灾机理;基于连续介质力学理论,讨论滑坡从破坏启动、演化发展至最终沉积的运动规律;基于物质点方法,实现对滑坡运动全过程的数值模拟。本文取得的主要新成果包括:1.通过系统的离心模型试验揭示了含高孔压低渗透性海床中两种典型破坏机理:(1)平缓海床中超静孔隙水压力达到土体有效竖向应力的2倍以上,导致海床中常见的麻坑现象及以抗拉为主的破坏机理,解释了破坏土体保持原状结构的原因。(2)较陡海床中由于裂缝发生机制及以剪切为主的破坏机理造成海床滑动,破坏后土体流滑、呈现高流动性,解释了滑坡附近土体结构丧失的原因。2.通过分离偏斜张量的第二不变量,提出了偏斜张量方向的概念。根据材料在临界状态下偏应力与偏变形率方向共轴的假设,统一了弹塑性力学和粘塑性力学中对临界状态不一致的描述,提出了塑性本构关系。该本构关系刻画了塑性流动的基本性质,揭示了塑性、弹性、粘性三个概念的内在联系,具有普适性意义。3.基于客观时间导数,提出了塑性与粘性的率型本构关系,引入客观应力率分解的概念,建立了一套用于构建弹塑性、弹粘性率型本构模型的通用方法。该方法无需对变形进行弹塑性分解,完善了塑性理论的数学结构,从而解决了传统弹塑性计算中不合理的初始失稳现象;实现了固体和流体的统一本构描述,能够导出颗粒介质通用本构模型,适用于滑坡运动的连续介质力学建模。4.运用物质点法,基于本文固液统一本构模型,提出了相应的数值算法;针对物质点法模拟中局域密度计算不合理的问题,提出了物质点体积修正算法。计算结果表明,本文提出的数值算法能够有效模拟滑坡运动过程,再现滑坡体固态、液态、固液转换状态的力学行为。
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