CN109610528A - 对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对海洋桩基周围土体冲刷深度检测方法，包括：(1)建立桩‑土系统；(2)利用集中质量法将桩基划分n个节点并编号，节点与节点之间通过长度为d的无质量弹性杆连接，节点与下部连接杆为一个单元，杆长度d即为单元厚度。(3)将基础周围土体分层，每层厚度与单元厚度相同为d，简化为节点周围无质量弹簧约束，并确定弹性系数；(4)建立桩‑土系统下整体刚度矩阵与质量矩阵；(5)检测不同冲刷深度下桩基各阶固有频率和振型。(6)采用交叉模型交叉模态法(CMCM法)得出刚度修正系数，找出修正系数突变处所对应节点，即受损单元，并确定出受损单元与泥面处桩基单元之间单元数，通过单元数与单元厚度相乘确定出冲刷深度范围。

Description

对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法

技术领域

本发明涉及海上风机单桩基础桩基稳定性分析及防灾减灾领域，尤其是一种对海洋桩基周围土体冲刷深度检测方法。

背景技术

随着21世纪陆地资源的稀缺，我国开始加紧对海洋资源的开发与利用。但是海洋环境条件极度恶劣，海面附近波涛汹涌，海底附近波流涌动，对以桩式基础为主要基础形式的海上采油平台和海上风机装置造成非常严重的基础周围土体冲刷现象，严重威胁平台和风机的稳定运营，对财产和生命造成巨大威胁。

由于冲刷现象发生在海底，直接进行冲刷深度的测量难度非常大，经济成本高，不仅耗时耗力，而且具有危险性。现有的可查阅的冲刷深度计算方法和冲刷深度测量装置的检测环境针对河流而非海洋，河流水深小，且冲刷现象大多发生于汛期；而海洋中波流涌动，水深大，基础周围冲刷时刻都在发生。并且现有的河流中基础周围冲刷深度计算方法大多是基于大量的实验数据和工程规范，偏向于经验推测；而现有的河流冲刷深度检测装置会与水流相接触，易损坏、易冲走且实时监控难度大，应用于海洋环境兼容性低。对于结构物等的损伤检测技术，如动力损伤检测法中的模型修正法，检测技术已非常成熟，但也仅针对于结构物损伤检测而非海洋岩土。

《海洋科学进展》2007年4月第25卷第2期，孙永福、宋玉鹏、孙惠凤、马江公开了《潮流作用下海洋平台桩基冲刷过程及冲刷深度计算》一文，通过对平台桩基冲刷过程的简要论述，结合现场水深地形监测数据，运用不同经验公式对埕岛油田典型平台桩基冲刷深度进行计算。但是该方法第一局限性较强，仅针对于某个地域进行冲刷分析；第二经验性较强，需要大量的现场观测数据，费时费力，成本高；第三，不能进行实时监测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，通过对桩柱海面以上部分进行外部荷载激振，通过在海面以上桩身部分布置传感器，获取桩身的模态信息并加以分析，确定水下桩土体系下受损伤的单元。通过确定出受损单元编号并且进行几何换算，对冲刷深度进行科学性的检测。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，包括以下步骤：

第一步，将土体与桩基视为一个损伤检测系统，形成桩-土系统。

根据海洋结构桩基的外形，建立质量均匀的桩基模型，在土体面以下部分，土体均匀分布在桩基周围，将土体与桩基视为一个损伤检测系统，形成桩-土系统。

第二步，利用集中质量法将桩基自上而下划分并依此编号n个节点，n为自然数，并且节点与节点之间通过长度均为d的无质量弹性杆连接，将节点与下部连接杆视为一个单元，杆长度即为单元厚度。

将桩基自上而下等长度划分并编号n个单元，根据集中质量法，将每一单元的质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点，同单元编号一致共有n个节点，相邻的两个节点m_i与m_i+1之间通过无质量的弹性杆k_i连接，i表示节点数，1≤i≤n，杆长度d即为单元厚度，将体系看作一个由节点与无质量弹性杆交替连接的串联多自由度系统。

第三步，将桩基周围土体简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束，并确定简化后的土体弹簧弹性系数。

将桩基周围土体分层，每层厚度与单元厚度相同都为d，然后简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束，利用土的压缩模量计算土体简化弹簧弹性系数。选用哈丁和布莱克(Hardin&Black)在《正常固结粘土的振动模量》(《Vibration modulus of normallyconsolidated clay》)中给出的小应变条件下土体的动剪切模量经验公式其中如下，由①式可计算动剪切模量G，由②式可计算出动弹性模量E：

式中：G为砂土的动剪切模量；E为砂土的动弹性模量；e为砂土的孔隙比；μ为砂土的泊松比；σ′_m为砂土平均主应力，σ′_m＝(σ′₁+σ′₃)/3，其中最大有效主应力：σ′₁＝γ₀h₀；最小有效主应力：σ′₃＝k₀γ₀h₀；γ₀为土体重度；h₀为土体深度；k₀为静止土压力系数，数值为 为内摩擦角；

动力条件下弹簧弹性系数k′_t仅与土体模量有关，因此将土体对桩侧面整体约束简化为弹簧后弹性系数为：t为土层层数，p为划分之后最后一层土层层数，为第1层土层、第2层土层…….的平均动弹性模量，S_侧为单元体侧面等效约束面积；

第四步，建立桩-土系统下包含桩基和土体的整体刚度矩阵与整体质量矩阵。

根据之前计算得到的土体简化的无质量弹簧刚度系数，将土体对桩基的约束视为对桩基刚度的加强，使土体弹簧弹性系数与桩基自身刚度结合，就可以得到土体面以下单元的桩-土系统整体刚度矩阵。

举例说明：假设将桩基自上而下分为16个桩基单元，再将桩基单元通过集中质量法将质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点，假设从第4个节点开始桩基周围有土体约束，即泥面节点编号，各单元刚度矩阵如下：

以上整体坐标下单元矩阵均可扩展为16*16维矩阵，最终组合成整体坐标系的整体刚度矩阵。

整体刚度矩阵与整体质量矩阵如下：

其中K^s _n＝k_n+k′_p,p＝n-3，K^s _n表示：土体刚度结合桩基自身刚度之后的刚度值；k_n表示桩基自身刚度；1≤i≤n，即桩基自身刚度与对应的土层简化的无质量弹簧刚度相结合。

第五步，检测不同冲刷深度下桩基各阶固有频率和振型。

对桩基海面以上桩顶部位置施加外部激励，通过桩基海面以上布置的加速度传感器和振动信号采集仪采集数据，测得不同冲刷深度下加速度时程信号，对加速度时程信号进行FFT运算得到响应谱，由响应谱即可得到桩-土系统的固有频率和振型，与特征值和特征向量一一对应。

第六步，利用建立的桩-土系统下整体刚度、质量矩阵以及采集的模态数据，采用交叉模型交叉模态法即CMCM法计算得出刚度矩阵修正系数，找出修正系数突变处所对应的节点编号，即受损单元编号，并确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数，通过单元数与单元厚度相乘确定出冲刷深度范围。

假设原结构整体质量矩阵和刚度矩阵分别为M、K，根据结构动力学无阻尼系统的自由振动方程，

其中x为位移，为加速度

定义未损(未冲刷)状态下：

质量矩阵M，第i阶特征值λ_i(固有频率)

刚度矩阵K，第i阶特征向量Φ_ι(振型)

损伤(冲刷一定深度)状态下：

质量矩阵M′，第j阶特征值λ′_j(固有频率)

刚度矩阵K′，第j阶特征向量Φ'_j(振型)

(1)未损伤状态下，第i阶特征值与特征向量的关系可表示为：

KΦ_i＝λ_iMΦ_i ④

CMCM法中，损伤后的K′可以表示为：

式中：K_n是在整体坐标系下第n个单元的刚度矩阵；α_n为对应第n个单元的刚度修正系数。

相对于质量矩阵，损伤前后M与M′是基本相等的，故

M'＝M ⑥

(2)损伤状态下，第j阶特征值与特征向量的关系：

K'Φ'_j＝λ'_jM'Φ'_j ⑦

(3)⑦式左乘(Φ_ι)^T得：

(Φ_ι)^TK'Φ'_j＝λ'_j(Φ_ι)^TM'Φ'_j ⑧

将⑤、⑥代入⑧中得

Φ_ι，λ_i，Φ'_j，λ′_j均可计算或实际测得。

假设最终计算出各单元对应的刚度修正系数α_n中，修正系数突变处所对应的单元编号为8，即受损单元编号8，确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数为4，则最终确定的冲刷深度范围为4d到5d之间。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用模态检测方法对冲刷深度进行实时检测，克服了水下冲刷深度测量困难的难题。将桩基与土体视为同一系统进行损伤检测，通过对海面上的桩身进行激振并通过在海面以上桩身布置的传感器获取的桩身模态信息加以分析，确定桩-土系统下受损伤的单元，推测其下部的冲刷深度。

(2)本发明充分考虑了海上平台桩基的实际冲刷情况，将周围土体对桩基的约束视为对桩基自身刚度的加强，并将周围土体对桩基的约束作用简化为无质量弹簧，考虑到桩基实际的振动情况，没有使用静力条件下的压缩或变形模量，而是使用动弹性模量进行计算，可以比较准确地模拟出桩周土体对桩基的约束作用。

(3)本发明将基础周围土体的冲刷视为整个桩-土系统的损伤，由于土体冲刷相当于桩基周围土体卸载，导致桩基周围土体刚度缺失，进而导致整个桩-土系统刚度缺失，利用CMCM法计算出每个单元对应的刚度修正系数α_n，通过刚度修正系数的突变确定损伤单元编号，结合泥面处单元编号确定二者之间的单元数，单元数与单元厚度d相乘确定冲刷深度范围。本发明无需进行海面以下检测，检测准确，安全系数高，操作难度低，运行、维护成本少，可实现实时监控。

附图说明

图1为海洋结构桩基示意图；

图2为海洋结构桩基单元示意图；

图3为桩基单元集中质量法示意图；

图4为桩-土系统简化示意图；

图5为桩-土系统冲刷示意图；

图中：1-冲刷前海床、2-冲刷后海床、3-无质量弹簧约束、4-桩基集中质量单元、5-无质量弹性杆、6-划分后的桩基单元、7-海面、8-外部激振。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种对桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，它包括以下步骤：

第一步，将土体与桩基视为一个损伤检测系统，建立桩-土系统。

根据海洋结构桩基的外形，建立质量均匀的桩基模型，如图1所示，在土体面以下部分，土体均匀分布在桩基周围，将土体与桩基视为一个损伤检测系统，形成桩-土系统。

第二步，利用集中质量法将桩基自上而下划分并依此编号n个节点4，并且节点与节点之间通过长度均为d的无质量弹性杆5连接，将节点与下部连接杆视为一个桩基单元6，杆长度d即为单元厚度。

如图2所示，将桩基自上而下等长度划分并编号n个单元6，根据集中质量法，如图3所示，将每一单元的质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点4，共有n个节点(同单元编号一致)，相邻的两个节点m_i与m_i+1之间通过无质量的弹性杆k_i连接，i表示节点数，1≤i≤n，杆长度d即为单元厚度，将体系看作一个由节点4与无质量弹性杆5交替连接的串联多自由度系统。

第三步，将桩基周围土体简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束3，并确定简化后的土体弹簧弹性系数。

如图4所示，将桩基周围土体分层，每层厚度与单元厚度相同都为d，然后简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束3，利用土的压缩模量计算土体简化弹簧弹性系数。选用哈丁和布莱克(Hardin&Black)在《正常固结粘土的振动模量》(《Vibration modulus ofnormally consolidated clay》)中给出的小应变条件下土体的动剪切模量经验公式其中如下，由①式可计算动剪切模量G，由②式可计算出动弹性模量E：

式中：G为砂土的动剪切模量；E为砂土的动弹性模量；e为砂土的孔隙比；μ为砂土的泊松比；σ′_m为砂土平均主应力，σ′_m＝(σ′₁+σ′₃)/3(其中最大有效主应力：σ′₁＝γ₀h₀；最小有效主应力：σ′₃＝k₀γ₀h₀；γ₀为土体重度；h₀为土体深度；k₀为静止土压力系数，数值为 为内摩擦角)

动力条件下弹簧弹性系数k′_t仅与土体模量有关，因此将土体对桩侧面整体约束简化为弹簧后弹性系数为：t为土层层数，p为划分之后最后一层土层层数，为第1层土层、第2层土层…….的平均动弹性模量，S_侧为单元体侧面等效约束面积。

第四步，建立桩-土系统下包含桩基和土体的整体刚度矩阵与整体质量矩阵。

根据之前计算得到的土体简化的无质量弹簧刚度系数，将土体对桩基的约束视为对桩基刚度的加强，使土体刚度与桩基自身刚度结合，就可以得到土体面以下单元的桩-土系统整体刚度矩阵。

举例说明：假设将桩基自上而下分为16个桩基单元，再将桩基单元通过集中质量法将质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点，假设从第4个节点开始桩基周围有土体约束，即泥面节点编号，各单元刚度矩阵如下：

以上整体坐标下单元矩阵均可扩展为16*16维矩阵，最终组合成整体坐标系的整体刚度矩阵。

整体刚度矩阵与整体质量矩阵如下：

其中K^s _n＝k_n+k′_p,p＝n-3，即桩基自身刚度与对应的土层简化的无质量弹簧刚度相结合；K^s _n表示：土体刚度结合桩基自身刚度之后的刚度值；k_n表示桩基自身刚度；1≤i≤n。

第五步，检测不同冲刷深度下桩基各阶固有频率和振型。

对桩基海面7以上部位施加外部激励8，通过桩基海面以上布置的加速度传感器和振动信号采集仪采集数据，测得不同冲刷深度下加速度时程信号，对加速度时程信号进行FFT运算得到响应谱，由响应谱即可得到桩-土系统的固有频率和振型,与特征值和特征向量一一对应。

第六步，利用建立的桩-土系统下整体刚度、质量矩阵以及采集的模态数据，采用交叉模型交叉模态法(CMCM法)计算得出刚度矩阵修正系数，找出修正系数突变处所对应的节点编号，即受损单元编号，并确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数，通过单元数与单元厚度相乘确定出冲刷深度范围。

假设原结构整体质量矩阵和刚度矩阵分别为M、K。根据结构动力学无阻尼系统的自由振动方程，

定义未损(未冲刷)状态下：

质量矩阵M，第i阶特征值λ_i(固有频率)

刚度矩阵K，第i阶特征向量Φ_ι(振型)

损伤(冲刷一定深度)状态下：

质量矩阵M′，第j阶特征值λ′_j(固有频率)

刚度矩阵K′，第j阶特征向量Φ'_j(振型)

(3)未损伤状态下，第i阶特征值与特征向量的关系可表示为：

KΦ_i＝λ_iMΦ_i ④

CMCM法中，损伤后的K′可以表示为：

式中：K_n是在整体坐标系下第n个单元的刚度矩阵；α_n为对应第n个单元的刚度修正系数。

相对于质量矩阵，损伤前后M与M′是基本相等的，故

M'＝M ⑥

(4)损伤状态下，第j阶特征值与特征向量的关系：

K'Φ'_j＝λ'_jM'Φ'_j ⑦

(3)⑦式左乘(Φ_ι)^T得：

(Φ_ι)^TK'Φ'_j＝λ'_j(Φ_ι)^TM'Φ'_j ⑧

将⑤、⑥代入⑧中得

Φ_ι，λ_i，Φ'_j，λ′_j均可计算或实际测得。

假设最终计算出各单元对应的刚度修正系数α_n中，修正系数突变处所对应的单元编号为8，即受损单元编号8，确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数为4，则最终确定的冲刷深度范围为4d到5d之间。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步将土体与桩基视为一个损伤检测系统，形成桩-土系统；

第二步，利用集中质量法将桩基自上而下划分并依此编号n个节点，n为自然数，并且节点与节点之间通过长度均为d的无质量弹性杆连接，将节点与下部连接杆视为一个单元，杆长度即为单元厚度；

第三步，将桩基周围土体简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束，并确定简化后的土体弹簧弹性系数；

将桩基周围土体分层，每层厚度与单元厚度相同都为d，然后简化为集中质量节点周围无质量弹簧约束，利用土的压缩模量计算土体简化弹簧弹性系数；用哈丁和布莱克在《正常固结粘土的振动模量》中给出的小应变条件下土体的动剪切模量经验公式其中如下，由①式可计算动剪切模量G，由②式可计算出动弹性模量E：

式中：G为砂土的动剪切模量；E为砂土的动弹性模量；e为砂土的孔隙比；μ为砂土的泊松比；σ′_m为砂土平均主应力，σ′_m＝(σ′₁+σ′₃)/3，其中最大有效主应力：σ′₁＝γ₀h₀；最小有效主应力：σ′₃＝k₀γ₀h₀；γ₀为土体重度；k₀为土体深度；k₀为静止土压力系数，数值为 为内摩擦角；

动力条件下弹簧弹性系数k′_t仅与土体模量有关，因此将土体对桩侧面整体约束简化为弹簧后弹性系数为：k′_p＝0，t为土层层数，p为划分之后最后一层土层层数，……为第1层土层、第2层土层…….的平均动弹性模量，S_侧为单元体侧面等效约束面积；

第四步，建立桩-土系统下包含桩基和土体的整体刚度矩阵与整体质量矩阵；

根据之前计算得到的土体简化的无质量弹簧刚度系数，将土体对桩基的约束视为对桩基刚度的加强，使土体弹簧弹性系数与桩基自身刚度结合，得到土体面以下单元的桩-土系统整体刚度矩阵；

第五步，检测不同冲刷深度下桩基各阶固有频率和振型；

对桩基海面以上桩顶部位置施加外部激励，通过桩基海面以上布置的加速度传感器和振动信号采集仪采集数据，测得不同冲刷深度下加速度时程信号，对加速度时程信号进行FFT运算得到响应谱，由响应谱即可得到桩-土系统的固有频率和振型，与特征值和特征向量一一对应；

第六步，利用建立的桩-土系统下整体刚度、质量矩阵以及采集的模态数据，采用交叉模型交叉模态法即CMCM法计算得出刚度矩阵修正系数，找出修正系数突变处所对应的节点编号，即受损单元编号，并确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数，通过单元数与单元厚度相乘确定出冲刷深度范围。

2.如权利要求1所述的对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，其特征是，第一步中，根据海洋结构桩基的外形，建立质量均匀的桩基模型，在土体面以下部分，土体均匀分布在桩基周围，将土体与桩基共同放入损伤检测系统当中，形成桩-土系统。

3.如权利要求1所述的对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，其特征是，第二步中，将桩基自上而下等长度划分并编号n个单元，根据集中质量法将每一单元的质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点，同单元编号一致共有n个节点，相邻的两个节点m_i与m_i+1之间通过无质量的弹性杆k_i连接，i表示节点数，1≤i≤n，杆长度d即为单元厚度，将体系看作一个由节点与无质量弹性杆交替连接的串联多自由度系统。

4.如权利要求1所述的对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，其特征是，第四步中，假设将桩基自上而下分为16个桩基单元，再将桩基单元通过集中质量法将质量集中到单元顶部连接点形成集中质量节点，假设从第4个节点开始桩基周围有土体约束，即泥面节点编号，各单元刚度矩阵如下：

以上整体坐标下单元矩阵均可扩展为16*16维矩阵，最终组合成整体坐标系的整体刚度矩阵；

整体刚度矩阵与整体质量矩阵如下：

其中K^s _n＝k_n+k′_p,p＝n-3，即桩基自身刚度与对应的土层简化的无质量弹簧刚度相结合，K^s _n表示：土体刚度结合桩基自身刚度之后的刚度值；k_n表示桩基自身刚度；1≤i≤n。

5.如权利要求1所述的对海洋桩基周围土体的冲刷深度的检测方法，其特征是，第六步中，假设原结构整体质量矩阵和刚度矩阵阵分别为M、K，根据结构动力学无阻尼系统的自由振动方程，

其中x为位移，为加速度；

定义未损即未冲刷状态下：

质量矩阵M，第i阶特征值λ_i-固有频率

刚度矩阵K，第i阶特征向量Φ_ι-振型

损伤即冲刷一定深度状态下：

质量矩阵M′，第j阶特征值λ′_j-固有频率

刚度矩阵K′，第j阶特征向量Φ'_j-振型

(1)未损伤状态下，第i阶特征值与特征向量的关系可表示为：

KΦ_i＝λ_iMΦ_i ④

CMCM法中，损伤后的K′可以表示为：

式中：K_n是在整体坐标系下第n个单元的刚度矩阵；α_n为对应第n个单元的刚度修正系数。

相对于质量矩阵，损伤前后M与M′是基本相等的，故

M'＝M ⑥

(2)损伤状态下，第j阶特征值与特征向量的关系：

K'Φ'_j＝λ'_jM'Φ'_j ⑦

(3)⑦式左乘(Φ_ι)^T得：

(Φ_ι)^TK'Φ'_j＝λ'_j(Φ_ι)^TM'Φ'_j ⑧

将⑤、⑥代入⑧中得

Φ_ι，λ_i，Φ'_j，λ′_j均可计算或实际测得；

假设最终计算出各单元对应的刚度修正系数α_n中，修正系数突变处所对应的单元编号为8，即受损单元编号8，确定出受损单元与泥面处桩基单元之间的单元数为4，则最终确定的冲刷深度范围为4d到5d之间。