CN114036796B - 一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑地震导致滑带土强度不均匀折减的剪切带扩展法,包括考虑海底斜坡遭受地质作用后,推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度;识别海底斜坡潜在滑带厚度以及潜在滑体厚度进行拟合;获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数;计算地质作用发生前,海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布;预测地质作用发生后,潜在滑带土强度折减系数分布;计算地质作用发生后,海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布,确定海底斜坡初始破坏区长度;判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。通过本发明的技术方案,考虑了遭受地质作用后,滑带土强度的不均匀折减的实际情况,更加合理,对海底斜坡稳定性评价更加准确;考虑了滑带土实际初始强度分布。
Description
技术领域
本发明涉及海底斜坡稳定性研究技术领域,特别是一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法。
背景技术
较陆地滑坡而言,海底滑坡规模更大,滑行距离更远,对海底线缆、海洋平台、海上风电等海洋工程设施造成严重威胁,甚至释放的巨大能量造成的海啸将会对沿岸居民造成不可估量的生命和财产损失。
海底斜坡稳定性评价是海洋工程地质学科重要研究课题。极限平衡法被广泛用于海底斜坡稳定性分析,其基本假设仅认为剪切应力超过抗剪强度的区域发破坏,并不能解释为什么在海底滑坡中存在剪切应力小于抗剪强度的区域同样发生破坏的现象。近年来发展的剪切带扩展法克服了极限平衡法的局限性,其依据潜在滑带中剪切应力与土的抗剪强度和残余强度的大小,将其分为三个区域,分别是初始破坏区(剪切应力超过土的剪切强度,形成初始剪切带)、拟稳定区(剪切应力介于土的剪切强度和残余强度之间)、稳定区(剪切应力小于土的残余强度),该方法认为当潜在滑带中初始破坏区长度超过某一临界值时,剪切带将贯穿整个拟稳定区,最终导致海底斜坡失稳。
该方法用于海底斜坡稳定性评价的可靠性主要取决于初始破坏区长度和临界值是否能被精准确定。然而,目前在运用传统剪切带扩展法评价海底斜坡稳定性时,存在以下不足:
一是认为海底斜坡在遭受地震、水合物分解、底辟作用后,斜坡潜在滑带中不同部位土的抗剪强度折减程度相同,使用同一强度折减系数对不同部位土抗剪强度进行折减,而实际上斜坡不同部位土抗剪强度折减程度差异较大;
二是没有考虑海底斜坡不同部位沉积物抗剪强度差异,即没有考虑坡度引起的剪切应力对沉积物固结过程的影响,沉积物在剪切应力作用下固结,其抗剪强度会有一定提升。
这些问题将对初始破坏区长度和临界值的确定造成显著误差,从而导致运用该方法对海底斜坡稳定性评价失准。
发明内容
针对现有技术不足,提出一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,更加符合实际情况,是一种准确可行的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的:一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,具体包括以下步骤:
S1:考虑海底斜坡遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后,潜在滑带土强度不均匀折减的实际情况,推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式;
S2:根据地球物理探测资料,识别海底斜坡潜在滑带厚度h1以及潜在滑体厚度h,根据海底斜坡几何形态利用以下函数进行拟合,如得到拟合参数H、:
式(1)
H为海底滑坡半坡高;为海底斜坡最陡处坡度。
S3:获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数;
S4:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生前,海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布,根据下式:
式(2)
为潜在滑带中重力引起的剪切应力,可表示为,式中为坡度;为潜在滑带中土的抗剪强度;为潜在滑带中土的残余强度。
S5:预测包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,潜在滑带土强度折减系数分布;
S6:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布,确定海底斜坡初始破坏区长度;可表示为:
式(3)
斜坡潜在剪切带中的区域即为初始破坏区,确定其长度;
S7:判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。
作为优选方案,步骤S1的具体推导过程如下:在遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后,在海底斜坡潜在滑带范围内产生初始破坏区,其长度,该初始破坏区能进一步向两端分别扩展长度dl1和dl2区域,需满足能量守恒定理,如下:式(4)
式中为初始破坏区下滑过程中重力势能做功;为下滑过程中转化为滑体土的弹性势能;为下滑过程中克服滑带土残余强度所需做的功;为下滑过程中克服滑带土超过残余强度部分阻力所需做的功;
式(4)中
式(5)
式(6)
式(7)
式(8)
式(8)中
式(9)
式(10)
为海底斜坡几何形态函数;为滑体浮重度;h为滑体厚度;h1为滑体厚度;为初始破坏区下滑切线位移增量;为滑带土残余强度;为滑带土抗剪强度;为滑带土遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后强度折减系数;为滑带土灵敏度,可表示为;为遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后滑带土剪切至残余强度对应的剪切应变;为地震前滑带土剪切应力比;为震后滑带土剪切应力比。
将式(5)—(10)带入式(4)中得到海底斜坡遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后,考虑潜在滑带土强度不均匀折减实际情况下,海底斜坡失稳所需的临界初始剪切带长度,表示如下:
式(11)
其中式(12)
为初始破坏区平均坡度,满足;为滑体压缩模量;为滑体回弹模量。
作为优选方案,步骤S3中,根据现场地质取样和实验室土工测试,获取滑体浮重度,滑带土残余剪切应力,遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用前滑带土峰值剪切应力,以及遭受上述地质作用后滑带土剪切至残余强度所对应的剪切应变。
作为优选方案,步骤S5中以海底斜坡遭受地震作用为例,震后滑带土强度折减系数分布可如下预测:若震后滑带土永久剪切应变值未超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,则震后滑带土剪切依旧为;若震后滑带土永久剪切应变值,超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,那么震后滑带土剪切强度可取为震前滑带土单调剪切应力-应变曲线对应于震后滑带土永久剪切应变值对应的剪切应力值。震后滑带土永久剪切应变值可选取有限元软件或其他海底斜坡地震动力响应计算程序得出。滑带土强度折减系数分布根据遭受不同地质作用类型,合理给出即可。
作为优选方案,步骤S7中,利用步骤S1推导的海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式,计算得到该临界值,与步骤S6确定的初始破坏区长度比较,若则海底斜坡失稳,若则海底斜坡局部破坏,若则海底斜坡稳定。
与现有的技术相比,本发明提出了一种考虑强度不均匀折减的剪切带扩展法对海底斜坡遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后的稳定性进行评判。利用这种方法可考虑了滑带土实际初始强度分布的同时,还可考虑遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后,滑带土强度的不均匀折减的实际情况,相比现有技术均匀折减的假设更加合理,对海底斜坡稳定性评价更加准确是一种有效易行的方法。本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为沿滑带土分布图;
图2为沿滑带土分布图;
图3为沿滑带土分布图;
图4为计算得到震前海底斜坡滑带剪切应力比分布;
图5为获取折减系数沿滑带分布情况;
图6为计算得到震前海底斜坡滑带剪切应力比分布。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合图1至图6对本发明的实施例的考虑地震导致滑带土强度不均匀折减的剪切带扩展法进行具体说明。
一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:考虑海底斜坡遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后,潜在滑带土强度不均匀折减的实际情况,推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式;具体推导过程如下:在遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用地质作用后,在海底斜坡潜在滑带范围内产生初始破坏区,其长度,该初始破坏区能进一步向两端分别扩展长度dl1和dl2区域,需满足能量守恒定理,如下:式(4)
式中为初始破坏区下滑过程中重力势能做功;为下滑过程中转化为滑体土的弹性势能;为下滑过程中克服滑带土残余强度所需做的功;为下滑过程中克服滑带土超过残余强度部分阻力所需做的功;
式(4)中
式(5)
式(6)
式(7)
式(8)
式(8)中
式(9)
式(10)
为海底斜坡几何形态函数;为滑体浮重度;h为滑体厚度;h1为滑体厚度;为初始破坏区下滑切线位移增量;为滑带土残余强度;为滑带土抗剪强度;为滑带土遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后强度折减系数;为滑带土灵敏度,可表示为;为遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后滑带土剪切至残余强度对应的剪切应变;为地震前滑带土剪切应力比;为震后滑带土剪切应力比。
将式(5)—(10)带入式(4)中得到海底斜坡遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后,考虑潜在滑带土强度不均匀折减实际情况下,海底斜坡失稳所需的临界初始剪切带长度,表示如下:
式(11)
其中式(12)
为初始破坏区平均坡度,满足;为滑体压缩模量;为滑体回弹模量。
S2:根据地球物理探测资料,识别海底斜坡潜在滑带厚度h1以及潜在滑体厚度h,根据海底斜坡几何形态利用以下函数进行拟合,如得到拟合参数H、:
式(1)
H为海底滑坡半坡高;为海底斜坡最陡处坡度。
S3:获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数;根据现场地质取样和实验室土工测试,获取滑体浮重度,滑带土残余剪切应力,遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用前滑带土峰值剪切应力,以及遭受上述地质作用后滑带土剪切至残余强度所对应的剪切应变。
S4:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生前,海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布,根据下式:
式(2)
为潜在滑带中重力引起的剪切应力,可表示为,式中为坡度;为潜在滑带中土的抗剪强度;为潜在滑带中土的残余强度。
S5:预测包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,潜在滑带土强度折减系数分布;以海底斜坡遭受地震作用为例,震后滑带土强度折减系数分布可如下预测:若震后滑带土永久剪切应变值未超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,则震后滑带土剪切依旧为;若震后滑带土永久剪切应变值,超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,那么震后滑带土剪切强度可取为震前滑带土单调剪切应力-应变曲线对应于震后滑带土永久剪切应变值对应的剪切应力值;震后滑带土永久剪切应变值可选取有限元软件或其他海底斜坡地震动力响应计算程序得出;滑带土强度折减系数分布根据遭受不同地质作用类型,合理给出即可。
S6:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布,确定海底斜坡初始破坏区长度;可表示为:
式(3)
斜坡潜在剪切带中的区域即为初始破坏区,确定其长度;
S7:判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。利用步骤S1推导的海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式,计算得到该临界值,与步骤S6确定的初始破坏区长度比较,若则海底斜坡失稳,若则海底斜坡局部破坏,若则海底斜坡稳定。
实施例1
以某海底斜坡为例:
步骤S1:底斜坡失稳临界初始剪切带长度
步骤S2:该海底滑坡几何模型参数见表一
表海底斜坡几何模型参数
步骤S3:根据现场地质调查,海底斜坡滑体和滑带土的力学参数见下表
沿滑带土分布如图1所示,可表示为
kPa
沿滑带土分布如图2所示,可表示为
kPa
沿滑带土分布如图3所示,可表示为
%
步骤S4:计算得到遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用前,海底斜坡滑带剪切应力比分布,如图4
步骤S5:获取折减系数沿滑带分布情况,如图5所示
步骤S6:计算遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后,海底斜坡滑带剪切应力比分布,如图6所示
根据,计算出
步骤S7:利用步骤S1推导的海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式,计算得到该临界值,因此该海底斜坡为局部破坏。
在本发明的描述中,术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制;术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:考虑海底斜坡遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后,潜在滑带土强度不均匀折减的实际情况,推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式;具体推导过程如下:
在遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用地质作用后,在海底斜坡潜在滑带范围内产生初始破坏区,其长度,该初始破坏区能进一步向两端分别扩展长度dl1和dl2区域,需满足能量守恒定理,如下:式(4)
式中为初始破坏区下滑过程中重力势能做功;为下滑过程中转化为滑体土的弹性势能;为下滑过程中克服滑带土残余强度所需做的功;为下滑过程中克服滑带土超过残余强度部分阻力所需做的功;
式(4)中
式(5)
式(6)
式(7)
式(8)
式(8)中
式(9)
式(10)
为海底斜坡几何形态函数;为滑体浮重度;h为滑体厚度;h1为滑体厚度;为初始破坏区下滑切线位移增量;为滑带土残余强度;为滑带土抗剪强度;为滑带土遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后强度折减系数;为滑带土灵敏度,可表示为;为遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后滑带土剪切至残余强度对应的剪切应变;为地震前滑带土剪切应力比; QUOTE 为震后滑带土剪切应力比;
将式(5)—(10)带入式(4)中得到海底斜坡遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用后,考虑潜在滑带土强度不均匀折减实际情况下,海底斜坡失稳所需的临界初始剪切带长度,表示如下:
式(11)
其中式(12)
为初始破坏区平均坡度,满足;为滑体压缩模量;为滑体回弹模量;
S2:根据地球物理探测资料,识别海底斜坡潜在滑带厚度h1以及潜在滑体厚度h,根据海底斜坡几何形态利用以下函数进行拟合,得到拟合参数H、:
式(1)
H为海底滑坡半坡高;为海底斜坡最陡处坡度;
S3:获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数;
S4:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生前,海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布,根据下式:
式(2)
为潜在滑带中重力引起的剪切应力,可表示为,式中为坡度;为潜在滑带中土的抗剪强度;为潜在滑带中土的残余强度;
S5:预测包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,潜在滑带土强度折减系数分布;
S6:计算包括地震、水合物分解、底辟的地质作用发生后,海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布,确定海底斜坡初始破坏区长度;可表示为:
式(3)
斜坡潜在剪切带中的区域即为初始破坏区,确定其长度;
S7:判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,其特征在于,所述步骤S3中,根据现场地质取样和实验室土工测试,获取滑体浮重度,滑带土残余剪切应力,遭受包括地震、水合物分解、底辟的地质作用前滑带土峰值剪切应力,以及遭受上述地质作用后滑带土剪切至残余强度所对应的剪切应变。
3.根据权利要求1所述的一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,其特征在于,所述步骤S5中震后滑带土强度折减系数分布可如下预测:若震后滑带土永久剪切应变值未超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,则震后滑带土剪切依旧为;若震后滑带土永久剪切应变值,超过滑带土震前剪切峰值强度对应的剪切应变值,震后滑带土剪切强度可取为震前滑带土单调剪切应力-应变曲线对应于震后滑带土永久剪切应变值对应的剪切应力值。
4.根据权利要求1所述的一种考虑海底斜坡土强度不均匀折减的剪切带扩展方法,其特征在于,所述步骤S7中,利用步骤S1推导的海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式,计算得到该临界值,与步骤S6确定的初始破坏区长度比较,若则海底斜坡失稳,若则海底斜坡局部破坏,若则海底斜坡稳定。
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