CN110188966B - 一种下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法，包括：获取海床表面的硬壳层的工程性质指标以及厚度；根据硬壳层的工程性质指标以及厚度，计算出硬壳层的抗拉强度以及位于硬壳层下方的下卧液化层顶面处的自重应力；获取硬壳层下方的下卧软弱层的工程性质指标；根据下卧软弱层的工程性质指标，确定出下卧液化层的工程性质指标；根据下卧液化层顶面处的自重应力以及下卧液化层的工程性质指标，确定出下卧液化层与硬壳层之间的界面剪切力；根据硬壳层的抗拉强度、厚度以及界面剪切力，预测出硬壳层在出现滑坡时所将形成的塌块的尺寸。本发明可以针对海床因下层土体液化而导致其表层出现滑坡时所产生的塌块，进行塌块尺寸的有效预测。

Description

一种下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法
技术领域
本发明属于海洋工程地质灾害预测技术领域，具体地说，是涉及一种用于预测海底滑坡所产生的塌块的尺寸的计算方法。
背景技术
在我国渤海湾发现的海底滑坡中，曾经观测到在滑坡体表面存在较多厚度不大的塌块，据现场调查和研究表明：这些塌块是由于波浪冲击导致位于海床表面的硬壳层下方的软弱土体出现液化，液化土体沿硬壳层的坡面向下滑动，引发上覆未液化的硬壳层撕裂后产生的。明确塌块的尺寸大小，有助于加深了解海底滑坡的机理。另外，塌块下滑时，会对沿线的海底管道产生冲击力，并且冲击力的大小与塌块的尺寸密切相关。一般来讲，塌块的尺寸越大，其产生的冲击力就越大，继而对海底管道可能造成的危害就越严重。
在目前的海底观测技术领域，虽然已经充分认识到了塌块形成的机理，但是，迄今为止尚未出现有关塌块尺寸的预测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塌块尺寸预测方法，可以针对海床因下层土体液化而导致其表层出现滑坡时所产生的塌块，实现塌块尺寸的有效预测。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法，包括：获取海床表面的硬壳层的工程性质指标以及厚度z；根据所述硬壳层的工程性质指标以及厚度z，计算出硬壳层的抗拉强度σt以及位于硬壳层下方的下卧液化层顶面处的自重应力σ；获取位于硬壳层下方的下卧软弱层的工程性质指标；根据所述下卧软弱层的工程性质指标，确定出下卧液化层的工程性质指标；根据所述下卧液化层顶面处的自重应力σ以及下卧液化层的工程性质指标，确定出下卧液化层与硬壳层之间的界面剪切力τ；根据所述硬壳层的抗拉强度σt、厚度z以及所述界面剪切力τ，预测出硬壳层在出现滑坡时所将形成的塌块的尺寸。
其中，所述下卧液化层由所述下卧软弱层液化后形成，位于所述硬壳层与下卧软弱层之间。
优选的，所述硬壳层的工程性质指标包括重度γ1、粘聚力c1和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000021
所述硬壳层的抗拉强度
Figure BDA0002093990150000022
所述下卧液化层顶面处的自重应力σ＝γ1z。
优选的，所述硬壳层的工程性质指标的获取方式为：在硬壳层处进行钻探，钻透硬壳层取原状样本；针对所述硬壳层的原状样本，采用环刀法确定出硬壳层的密度；将硬壳层的密度乘以重力加速度得到硬壳层的重度γ1；对所述硬壳层的原状样本进行直剪试验，测出硬壳层的粘聚力c1和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000023
优选的，所述下卧软弱层的工程性质指标包括粘聚力c2和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000024
其获取方式为：在下卧软弱层处进行钻探，取原状样本；对所述下卧软弱层的原状样本进行直剪试验，测出下卧软弱层的粘聚力c2和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000025
优选的，所述下卧液化层的工程性质指标包括粘聚力c3和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000026
其确定方式优选采用以下两种方式：
其一是，利用公式c3＝mcc2，
Figure BDA0002093990150000027
计算获得；其中，mc为液化后土体粘聚力折减系数，
Figure BDA0002093990150000028
为液化后土体内摩擦角折减系数；所述mc和
Figure BDA0002093990150000029
可以根据经验取值；
其二是，将所述下卧软弱层的原状样本放到动三轴试验机上，经过模拟波浪的循环荷载作用液化后，放入直剪试验仪上测试出下卧液化层的粘聚力c3和内摩擦角
Figure BDA00020939901500000210
优选的，所述下卧液化层与硬壳层之间的界面剪切力τ可以采用以下公式计算获得：
Figure BDA00020939901500000211
优选的，所述塌块的尺寸L的预测方式为
Figure BDA00020939901500000212
其中，所述塌块的尺寸L为塌块在硬壳层滑坡轴线方向上的面积。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明针对海床因下层土体液化而导致其表层出现滑坡时所产生的塌块，提出塌块尺寸预测方法。该方法设计简单，容易实现，预测结果误差小，可以协助海洋观测人员准确地预测出海底滑坡对沿线的海底管道可能引发的危害的严重程度，继而帮助海洋观测人员及时、有效地制定应对措施，以降低海底滑坡对海洋工程造成的损失。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是海床的硬壳层、下卧液化层和下卧软弱层的一种实施例的分层示意图；
图2是本发明所提出的下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法的一种实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
海床在未经历波浪冲击前，其表层通常称之为硬壳层1，硬壳层1下方的土体通常称之为下卧软弱层3，如图1所示。当海床在经历了长时间的波浪冲击后，位于硬壳层1下方的下卧软弱层可能会发生液化，形成下卧液化层2。下卧液化层2沿硬壳层1的坡面向下流动，对上覆硬壳层1会产生向下的剪切力，该剪切力存在于两者之间的界面上。当剪切力超过了硬壳层1的抗拉强度时，硬壳层1就会出现撕裂，进而崩塌成块状，形成塌块。
本实施例基于上述塌块形成机理，提出了一种可以有效预测塌块尺寸的预测方法，如图2所示，具体包括以下过程：
S201、获取海床表面的硬壳层1的工程性质指标；
在本实施例中，所述硬壳层1的工程性质指标具体包括硬壳层的重度γ1、粘聚力c1和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000031
为了获取这些工程性质指标，本实施例提出以下优选获取方法：
首先，在硬壳层1处进行钻探，并钻透硬壳层1，以进行原状取样，继而获取硬壳层1的原状样本；
其次，针对获取到的硬壳层1的原状样本，采用环刀法确定出硬壳层1的密度；
然后，将硬壳层1的密度乘以重力加速度，以得到硬壳层1的重度γ1；
最后，对硬壳层1的原状样本进行直剪试验，以测量出硬壳层1的粘聚力c1和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000044
环刀法和直剪试验均是目前的常规试验方法，因此，本实施例对其具体步骤不做详细说明。
S202、获取硬壳层1的厚度z；
在本实施例中，可以对硬壳层1的原状样本进行厚度测量，以获取到硬壳层1的厚度z。
S203、计算下卧液化层2顶面处的自重应力σ；
在本实施例中，可以根据硬壳层1的重度γ1和厚度z，计算出下卧液化层2顶面处的自重应力σ，其计算公式为：
σ＝γ1z。
S204、计算硬壳层1的抗拉强度σt；
在本实施例中，可以根据硬壳层1的粘聚力c1和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000041
计算出硬壳层1的抗拉强度σt，其计算公式为：
Figure BDA0002093990150000042
S205、获取下卧软弱层3的工程性质指标；
下卧软弱层3为硬壳层1下方未被液化的土体，本实施例主要获取下卧软弱层3的两项工程性质指标，分别为：下卧软弱层3的粘聚力c2和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000043
其获取方式优选包括以下过程：
首先，在下卧软弱层3处进行钻探，获取原状样本；
然后，对获取到的下卧软弱层3的原状样本进行直剪试验，测出下卧软弱层3的粘聚力c2和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000051
S206、确定下卧液化层2的工程性质指标；
本实施例的下卧液化层2是所述下卧软弱层3液化后形成的流动土体层，位于海床的硬壳层1与所述下卧软弱层3之间，如图1所示。本实施例需要确定出所述下卧液化层2的两项工程性质指标，分别为：下卧液化层2的粘聚力c3和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000052
对于这两项工程性质指标的确定，本实施例提出以下两种优选方案：
方案一、采用以下公式计算获得：
c3＝mcc2；
Figure BDA0002093990150000053
其中，mc为液化后土体粘聚力折减系数，
Figure BDA0002093990150000054
为液化后土体内摩擦角折减系数；所述折减系数mc和
Figure BDA0002093990150000055
可以根据经验取值。
方案二、采用动三轴试验和直剪试验方法确定，具体过程为：将下卧软弱层3的原状样本放到动三轴试验机上，经过模拟波浪的循环荷载作用液化后，放入直剪试验仪上测试出下卧液化层2的粘聚力c3和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000056
动三轴试验和直剪试验均是目前的常规试验方法，因此，本实施例对其具体试验步骤不做详细说明。
S207、确定下卧液化层2与硬壳层1之间的界面剪切力τ；
在本实施例中，可以根据下卧液化层2顶面处的自重应力σ以及下卧液化层2的粘聚力c3和内摩擦角
Figure BDA0002093990150000057
计算出下卧液化层2与硬壳层1之间的界面剪切力τ。其计算公式为：
Figure BDA0002093990150000058
S208、预测硬壳层1在出现滑坡时所将形成的塌块的尺寸L；
在本实施例中，可以根据硬壳层1的抗拉强度σt、硬壳层1的厚度z以及下卧液化层2与硬壳层1之间的界面剪切力τ，计算出塌块的尺寸L。其计算公式为：
Figure BDA0002093990150000061
在本实施例中，所述塌块的尺寸L是硬壳层1在出现滑坡时，塌块在滑坡轴线方向A上的面积，结合图1所示。
根据预测出的塌块尺寸L的大小，可以预估出塌块所能产生的冲击力的大小，进而对塌块可能造成的危害进行预测，并可以进一步生成海床滑坡预警。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种下层土体液化导致表层滑坡的塌块尺寸预测方法，其特征在于，包括：
获取海床表面的硬壳层的工程性质指标以及厚度z；
根据所述硬壳层的工程性质指标以及厚度z，计算出硬壳层的抗拉强度σt以及位于硬壳层下方的下卧液化层顶面处的自重应力σ；
获取位于硬壳层下方的下卧软弱层的工程性质指标；
根据所述下卧软弱层的工程性质指标，确定出下卧液化层的工程性质指标；
根据所述下卧液化层顶面处的自重应力σ以及下卧液化层的工程性质指标，确定出下卧液化层与硬壳层之间的界面剪切力τ；
根据所述硬壳层的抗拉强度σt、厚度z以及所述界面剪切力τ，预测出硬壳层在出现滑坡时所将形成的塌块的尺寸。
2.根据权利要求1所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，
所述硬壳层的工程性质指标包括重度γ1、粘聚力c1和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000011
所述硬壳层的抗拉强度
Figure FDA0002093990140000012
所述下卧液化层顶面处的自重应力σ＝γ1z。
3.根据权利要求2所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述硬壳层的工程性质指标的获取方式为：
在硬壳层处进行钻探，钻透硬壳层取原状样本；
针对所述硬壳层的原状样本，采用环刀法确定出硬壳层的密度；
将硬壳层的密度乘以重力加速度得到硬壳层的重度γ1；
对所述硬壳层的原状样本进行直剪试验，测出硬壳层的粘聚力c1和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000013
4.根据权利要求1所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述下卧软弱层的工程性质指标包括粘聚力c2和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000014
其获取方式为：
在下卧软弱层处进行钻探，取原状样本；
对所述下卧软弱层的原状样本进行直剪试验，测出下卧软弱层的粘聚力c2和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000021
5.根据权利要求4所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述下卧液化层的工程性质指标包括粘聚力c3和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000022
其确定方式为：
c3＝mcc2；
Figure FDA0002093990140000023
其中，mc为液化后土体粘聚力折减系数，
Figure FDA0002093990140000024
为液化后土体内摩擦角折减系数；所述mc和
Figure FDA0002093990140000025
根据经验取值。
6.根据权利要求4所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述下卧液化层的工程性质指标包括粘聚力c3和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000026
其确定方式为：
将所述下卧软弱层的原状样本放到动三轴试验机上，经过模拟波浪的循环荷载作用液化后，放入直剪试验仪上测试出下卧液化层的粘聚力c3和内摩擦角
Figure FDA0002093990140000029
7.根据权利要求5或6所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述下卧液化层与硬壳层之间的界面剪切力τ的确定方式为：
Figure FDA0002093990140000027
8.根据权利要求7所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述塌块的尺寸L的预测方式为：
Figure FDA0002093990140000028
9.根据权利要求8所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述塌块的尺寸L为塌块在硬壳层滑坡轴线方向上的面积。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的塌块尺寸预测方法，其特征在于，所述下卧液化层由所述下卧软弱层液化后形成，位于所述硬壳层与下卧软弱层之间。
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