武汉岩土所等研发出评价近海结构物稳定性的数值计算模型

摘要: 　　近海工程中，海洋波浪-海床地基-结构物耦合相互作用机制、波浪导致的海床地基液化规律等都是近海工程建设中评价海洋结构物稳定性的基础，和急需解决的关键性难题，也是海洋工程地质和海洋岩土力学这一新兴的多学 ...

　　近海工程中，海洋波浪-海床地基-结构物耦合相互作用机制、波浪导致的海床地基液化规律等都是近海工程建设中评价海洋结构物稳定性的基础，和急需解决的关键性难题，也是海洋工程地质和海洋岩土力学这一新兴的多学科交叉学习领域的前沿科学问题。围绕这一关键科学、工程问题，中国科学院武汉岩土力学学习所海洋工程地质课题组学习员叶剑红在过去2-3年内和澳大利亚教授Jeng D-S（Griffith University）和Chan A H C（Tasmania University）开展了紧密的合作，成功研发出了揭示海洋波浪-海床地基-结构物耦合相互作用机制，评价近海结构物安全稳定性的数值计算模型FSSI-CAS 2D，及其三维版本FSSI-CAS 3D。
　　波浪、海床、近海结构物是一个高度非线性的耦合相互作用系统，前人对这一耦合系统基本都采用简单解耦方法进行学习，难以真正了解波浪-海床-结构物的相互作用机理和规律，进而在设计阶段难以可靠评估近海结构物在极端海浪冲击下的稳定性。他们研发的计算模型中，波浪、近海结构物和其海床地基作为一个完整的耦合系统，不再分开考虑，克服了前人学习的缺乏。在FSSI-CAS 2D/3D中，采用RAVANS（Reynolds Average Volume Average Navier Stokes）方程作为波浪的控制方程，动态Biot方程作为海床地基的控制方程，通过一个耦合算法将两个物理控制方程整合为一个整体。经过7个不同的水槽实验、1个解析解和1个离心机实验的验证，证实了所发展的耦合数值模型具有极高的可信度和适应性。FSSI-CAS 2D/3D是目前国际上学习波浪-海床-结构物相互作用中能够考虑复杂水动力条件、复杂几何边界、复杂土的本构模型的最为先进的计算模型之一。
　　由于耦合模型FSSI-CAS 2D/3D可以处理复杂的近海水动力条件，复杂的模型边界条件，还可以出色地采用各种不同的土的本构，如莫尔-库仑模型、D-P模型、修正剑桥模型、接触模型和PZIII模型等，能够较准确地描述密实和欠密实海床土的动态力学行为，所以耦合模型FSSI-CAS 2D/3D的成功开发可以为波浪-海床-结构物相互作用学习提供可信度高的基础分析工具；目前该模型已基本具备在工程实践中予以应用的条件；将来可以为我国近海结构物的设计、后期维护以及风浪稳定性评价提供技术支持。
　　该学习获得了国家青年千人计划、国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划的资助。相关的学习成果在国际海洋、海岸工程期刊Coastal Engineering、Ocean Engineering、Science China-Technological Sciences、Soil Dynamics and Earthquake Engineering上发表了系列论文。