武漢巖土所等研發(fā)出評價(jià)近海結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算模型

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曉木蟲

武漢巖土所等研發(fā)出評價(jià)近海結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算模型

摘要: 　　近海工程中，海洋波浪-海床地基-結(jié)構(gòu)物耦合相互作用機(jī)制、波浪導(dǎo)致的海床地基液化規(guī)律等都是近海工程建設(shè)中評價(jià)海洋結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，和急需解決的關(guān)鍵性難題，也是海洋工程地質(zhì)和海洋巖土力學(xué)這一新興的多學(xué) ...

　　近海工程中，海洋波浪-海床地基-結(jié)構(gòu)物耦合相互作用機(jī)制、波浪導(dǎo)致的海床地基液化規(guī)律等都是近海工程建設(shè)中評價(jià)海洋結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，和急需解決的關(guān)鍵性難題，也是海洋工程地質(zhì)和海洋巖土力學(xué)這一新興的多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題。圍繞這一關(guān)鍵科學(xué)、工程問題，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)學(xué)習(xí)所海洋工程地質(zhì)課題組學(xué)習(xí)員葉劍紅在過去2-3年內(nèi)和澳大利亞教授Jeng D-S（Griffith University）和Chan A H C（Tasmania University）開展了緊密的合作，成功研發(fā)出了揭示海洋波浪-海床地基-結(jié)構(gòu)物耦合相互作用機(jī)制，評價(jià)近海結(jié)構(gòu)物安全穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算模型FSSI-CAS 2D，及其三維版本FSSI-CAS 3D。
　　波浪、海床、近海結(jié)構(gòu)物是一個(gè)高度非線性的耦合相互作用系統(tǒng)，前人對這一耦合系統(tǒng)基本都采用簡單解耦方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，難以真正了解波浪-海床-結(jié)構(gòu)物的相互作用機(jī)理和規(guī)律，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段難以可靠評估近海結(jié)構(gòu)物在極端海浪沖擊下的穩(wěn)定性。他們研發(fā)的計(jì)算模型中，波浪、近海結(jié)構(gòu)物和其海床地基作為一個(gè)完整的耦合系統(tǒng)，不再分開考慮，克服了前人學(xué)習(xí)的缺乏。在FSSI-CAS 2D/3D中，采用RAVANS（Reynolds Average Volume Average Navier Stokes）方程作為波浪的控制方程，動(dòng)態(tài)Biot方程作為海床地基的控制方程，通過一個(gè)耦合算法將兩個(gè)物理控制方程整合為一個(gè)整體。經(jīng)過7個(gè)不同的水槽實(shí)驗(yàn)、1個(gè)解析解和1個(gè)離心機(jī)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證實(shí)了所發(fā)展的耦合數(shù)值模型具有極高的可信度和適應(yīng)性。FSSI-CAS 2D/3D是目前國際上學(xué)習(xí)波浪-海床-結(jié)構(gòu)物相互作用中能夠考慮復(fù)雜水動(dòng)力條件、復(fù)雜幾何邊界、復(fù)雜土的本構(gòu)模型的最為先進(jìn)的計(jì)算模型之一。
　　由于耦合模型FSSI-CAS 2D/3D可以處理復(fù)雜的近海水動(dòng)力條件，復(fù)雜的模型邊界條件，還可以出色地采用各種不同的土的本構(gòu)，如莫爾-庫侖模型、D-P模型、修正劍橋模型、接觸模型和PZIII模型等，能夠較準(zhǔn)確地描述密實(shí)和欠密實(shí)海床土的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，所以耦合模型FSSI-CAS 2D/3D的成功開發(fā)可以為波浪-海床-結(jié)構(gòu)物相互作用學(xué)習(xí)提供可信度高的基礎(chǔ)分析工具；目前該模型已基本具備在工程實(shí)踐中予以應(yīng)用的條件；將來可以為我國近海結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、后期維護(hù)以及風(fēng)浪穩(wěn)定性評價(jià)提供技術(shù)支持。
　　該學(xué)習(xí)獲得了國家青年千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。相關(guān)的學(xué)習(xí)成果在國際海洋、海岸工程期刊Coastal Engineering、Ocean Engineering、Science China-Technological Sciences、Soil Dynamics and Earthquake Engineering上發(fā)表了系列論文。