CN114838909A - 一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法及评估装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，包括采集瞬态波的波浪特征；采集砂质海床的土体特征；构造评估相关无因次变量；计算瞬态波作用下砂质海床土体的超静孔隙水压力值；计算瞬态波作用下砂质海床土体内超静孔隙水压力的垂向梯度值；根据超静孔隙水压力垂向梯度计算值，建立超静孔隙水压力值的垂向梯度分布图，将垂向梯度分布图与砂质海床土体液化临界值进行对比分析，评估海床土体是否发生液化，并分析海床土体液化区域。本发明通过全新的瞬态波作用下砂质海床土体孔隙水压力及其垂向梯度解析解评估土体液化破坏风险，克服了传统解析解评估方法不适用于瞬态波的技术不足，预测速度快，节省计算资源。

Description

一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法及评估 装置

技术领域

本发明属于海床土体破坏检测技术领域，具体涉及一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法及评估装置。

背景技术

波浪与海床相互作用是港口、海岸及近海工程研究领域的关键科学问题之一，波浪与海床相互作用可能导致海床土体动力变化，在极端波浪条件下砂质海床土体可能会液化，失去承载能力，从而改变海岸地形特征，威胁工程结构物的安全。

相比如粉砂质或淤泥质海床，砂质海床的渗透性较好，波浪荷载作用常处于排水固结状态，可以通过多孔介质模型描述。国内外现场勘测结果表明砂质海床的厚度较小，大多在10米量级，例如欧洲北海海域的砂质海床厚度在25米左右，我国福建沿海的砂质海床厚度也在10米至30米之间，而瞬态波的波长通常较大，通常在100米量级甚至更大。因此，砂质海床的厚度通常远小于瞬态波波长。

目前砂质海床土体液化破坏评估方法大概分成两类，一类是通过数值模拟方法进行评估，另一类是采用前人基于线性波浪荷载所推导的解析解进行快速评估。然而，数值评估方法需要进行大量数值计算，评估速度相对较慢。此外，前人基于线性波浪荷载所推导解析解无法应用于孤立波、涌潮等瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法及评估装置，旨在解决现有技术中一方面数值评估方法需要进行大量数值计算，评估速度相对较慢；另一方面前人基于线性波浪荷载所推导解析解无法应用于孤立波、涌潮等瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估的问题。

本发明采取以下技术方案实现：

一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，包括如下步骤：

采集瞬态波的波浪特征，所述波浪特征包括水深h，特征波幅A、特征周期T、特征波长L、海床动水压强特征值P和海床表面的动水压强p′_b；

采集砂质海床的土体特征，所述土体特征包括海床厚度d、土颗粒密度ρ_s、渗透系数k、泊松比v、剪切模量G、饱和度S_r和孔隙率n；

建立时间坐标系和空间坐标系，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括超静孔隙水压力值、海床表面动水压强、空间坐标和时间；

计算瞬态波作用下海床土体内无因次超静孔隙水压力值p；

根据瞬态波作用下海床土体内无因次超静孔隙水压力值p，计算土体内超静孔隙水压力的垂向梯度值；

根据超静孔隙水压力垂向梯度值，建立其垂向梯度分布图，将孔隙水压力垂向梯度分布图与海床土体液化临界值进行对比分析，评估海床土体是否发生液化，并分析海床土体液化区域。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，通过如下公式进行构造：

x＝x′/L,z＝z′/d,t＝t′/T,p＝p′/P,p_b＝p_b′/P,P＝ρ_wgA (1)

其中：x′表示瞬态波传播距离，x表示瞬态波传播距离的无因次变量，z′表示土体所在位置处离海床底部的距离，z表示海床土体所在位置处离海床底部的距离的无因此变量，t′表示瞬态波传播时间，t表示瞬态波传播时间的无因次变量，p′表示瞬态波引起的超静孔隙水压力值，p表示瞬态波引起的超静孔隙水压力值的无因次变量，p′_b表示瞬态波在海床表面处的瞬时动水压强，p_b表示瞬态波在海床表面处的动水压强的无因次变量，ρ_w表示孔隙水密度，g表示重力加速度，A表示瞬态波的特征波幅。

进一步地，所述瞬态波作用下海床内超静孔隙水压力值p的计算过程如下，

其中：F_l(t,θ)表示时间t的函数，a_l、α和β均表示常数，K表示孔隙流体的体积压缩模量，v表示泊松比，G表示土体剪切模量，μ_w表示孔隙水的动力粘度系数，T表示瞬态波特征周期，k表示海床土体渗透系数。

进一步地，所述孔隙流体的体积压缩模量K的计算过程如下，

其中：K表示体积压缩模量，K_w表示水的体积压缩模量，p_abs表示绝对孔隙水压力，S_r表示海床土体饱和度。

进一步地，所述瞬态波作用下海床内超静孔隙水压力垂向梯度值ξ计算过程如下，

其中：ξ表示海床内超静孔隙水压力垂向梯度值。

进一步地，所述海床土体液化判别计算具体如下，

其中：ξ_c表示海床土体发生液化时超静孔隙水压力垂向梯度的临界值，当瞬态波引起的垂直向上的孔隙水压力梯度超过海床土体的有效重度时，海床土体发生液化。

一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估装置，包括，

第一采集模块，用于采集瞬态波的波浪特征，发送给存储模块；

第二采集模块，用于采集砂质海床的土体特征，发送给存储模块；

计算模块，用于根据瞬态波的波浪特征、海床的土体特征，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量；

处理模块，用于分析计算瞬态波作用下海床的土体的超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值；

判断模块，根据超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值，结合海床土体液化临界值判断海床土体是否发生液化，以及海床土体液化区域。

本发明的有益效果：

相比现有技术而言，本发明的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，通过全新的瞬态波作用下砂质海床土体孔隙水压力及其垂向梯度解析解评估土体液化破坏风险，克服了传统解析解评估方法不适用于瞬态波的技术不足，预测速度快，节省计算资源，能为港口、海岸及近海工程选址和工程结构物安全评估提供参考。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法的流程结构图。

图2是本发明瞬态波作用下海床表面的动水压强变化曲线图及其对应的海床土体内超静孔隙水压力垂向梯度分布图。

图3是本发明瞬态波作用下海床表面的动水压变化曲线图及其对应的海床土体内液化区域分布图。

图4是本发明第二实施方式提供的一种瞬态波作用下海床土体液化破坏分析模型的流程图。

图5是本发明第三实施方式提供的一种网络侧服务端的结构示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图于具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

第一实施方式：

本发明提供了如图1-3所示的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集瞬态波的波浪特征，所述波浪特征包括水深h，特征波幅A、特征周期T、特征波长L、海床动水压强特征值P和海床表面动水压强p′_b。

具体而言：海上产生的一系列波，波浪的波面随时间变化而变化，即为瞬态波；本发明具体实施方式中的瞬态波的波浪特征通过波浪观测站进行采集。所观测的瞬态波包括孤立波、潮涌等。

步骤S2：采集砂质海床的土体特征，所述土体特征包括海床厚度d、土颗粒密度ρ_s、渗透系数k、泊松比v、剪切模量G、饱和度S_r和孔隙率n。

具体而言：海床的土体特征通过现场勘探与取样测量获得。

步骤S3：建立时间坐标系和空间坐标系，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括超静孔隙水压力值p、海床表面动水压强p_b、空间坐标和时间；

具体而言：海床土体液化评估相关的无因次变量用于分析瞬态波在不同空间坐标位置和不同时间状态下所引起的孔隙水压力和海床表面动水压强的对应关系，其中空间坐标、时间、以及超静孔隙水压力和海床表面动水压强均为带有物理单位的量纲值，为了便于计算分析，需要对空间坐标、时间、以及孔隙水压力和海床表面动水压强进行无量纲标准化，

x＝x′/L,z＝z′/d,t＝t′/T,p＝p′/P,p_b＝p_b′/P,P＝ρ_wgA (1)

其中：x′表示瞬态波传播距离，x表示瞬态波传播距离的无因次变量；z′表示海床土体所在位置处离海床底部的距离，z表示海床土体所在位置处离海床底部的距离的无因此变量，t′表示瞬态波传播时间，t表示瞬态波传播时间的无因次变量，p′表示瞬态波引起的瞬时孔隙水压力，p表示瞬态波引起的瞬时孔隙水压力的无因次变量，p′_b表示瞬态波在海床表面处的动水压强，p_b表示瞬态波在海床表面处的动水压强的无因次变量，ρ_w表示孔隙水密度，g表示重力加速度，A表示瞬态波特征波幅。

步骤S4：计算瞬态波作用下海床土体内无因次超静孔隙水压力值p；

其中：F_l(t,θ)表示时间t的函数，a_l、α和β均表示常数，K表示孔隙流体的体积压缩模量，v表示泊松比，G表示土体剪切模量，μ_w表示孔隙水的动力粘度系数，T表示瞬态波特征周期，k表示海床土体渗透系数。

计算孔隙流体的体积压缩模量K，

其中：K表示体积压缩模量，K_w表示水的体积压缩模量，p_abs表示绝对孔隙水压力，S_r表示海床土体饱和度。

步骤S5：计算瞬态波作用下海床内超静孔隙水压力垂向梯度值ξ，

其中：ξ表示海床内超静孔隙水压力垂向梯度值。

步骤S6：根据超静孔隙水压力垂向梯度值，建立超静孔隙水压力值的垂向梯度分布图，将垂向梯度分布图与海床土体液化临界值进行对比分析，评估砂质海床土体是否发生液化，并分析海床土体液化区域。

具体而言：当垂直向上的超静孔隙水压力梯度值-ξ_max超过海床土体初始有效重度ξ_c(液化临界垂向梯度值)时，土体结构将发生破坏，呈现流体特征，即海床土体液化。根据超静孔隙水压力值的垂向梯度分布图和临界值可以判断出瞬态波作用海床土体是否发生液化，根据液化发生时所对应的相位可以判断液化发生时的位置，如加速阶段或者减速阶段。

利用判别公式计算海床土体是否液化，

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

以孤立波作为研究的瞬态波，进行砂质海床土体液化评估。

(1)确定瞬态波基本特征，选定海域的水深为30米和特征波幅12米，对应的特征波长为55米，特征周期为3.2秒，即

h＝30m,A＝12m,L＝55m,T＝3.2s

(2)根据现场勘测结果获得海床土体特征，本例中采用以下参数进行计算：

d＝10m,ρ_s＝2650kg/m³,k＝5×10^-11m²,v＝0.33,

G＝2×10⁷Pa,S_r＝0.985,n＝0.45

(3)建立时间坐标系和空间坐标系，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括超静孔隙水压力值p、海床表面动水压强p_b；

x＝x′/L,z＝z′/d,t＝t′/T,p＝p′/P,p_b＝p_b′/P,P＝ρ_wgA

(4)计算瞬态波作用下砂质海床内超静孔隙水压力值p；

其中：F_l(t,θ)为时间t的函数，a_l、α和β均为常数，分别定义为

其中：K为孔隙流体的体积压缩模量，v表示泊松比，G表示土体剪切模量，μ_w表示孔隙水的动力粘度系数，T表示瞬态波特征周期，k表示海床土体渗透系数。

孔隙流体的体积压缩模量K通过如下公式计算：

其中：K_w为水的体积压缩模量，p_abs为绝对孔隙水压力，S_r为土体饱和度。

(5)计算瞬态波作用下砂质海床土体内超静孔隙水压力垂向梯度值ξ；

其中：ξ表示超静孔隙水压力垂向梯度值。

(6)根据超静孔隙水压力垂向梯度值ξ，建立超静孔隙水压力值的垂向梯度分布图，将垂向梯度分布图与海床土体液化临界值进行对比分析，评估砂质海床土体是否发生液化，并分析海床土体液化区域，计算如下：

-ξ≥ξ_c,

如图2和图3所示，其中图2(a)为瞬态波作用下海床表面的动水压强变化曲线图，图2(b)为瞬态波作用下海床土体内孔隙水压力的垂向梯度分布图，图2(a)和图2(b)中水平轴均为瞬态波的相位，即

计算结果表明在孤立波减速阶段海床内向上的孔隙水压力垂向梯度最大值为1，超过海床土体液化临界值0.76。因此孤立波在减速阶段海床土体会发生液化，对应的液化区域如图3所示。

第二实施方式：

如图4所示，本发明的第二实施方式提供了一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估装置，包括：

第一采集模块，用于采集瞬态波的波浪特征，发送给存储模块；

第二采集模块，用于采集海床的土体特征，发送给存储模块；

计算模块，用于根据瞬态波的波浪特征、海床的土体特征，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量；

处理模块，用于分析计算瞬态波作用下砂质海床的土体的超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值；

判断模块，根据超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值，结合海床土体液化临界值判断海床土体是否发生液化，以及海床土体液化区域。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

第三实施方式：

如图5所示，本发明的第三实施方式提供一种网络侧服务端，包括：至少一个处理器301；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器302；其中，所述存储器302存储有可被所述至少一个处理器301执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器301执行，以使所述至少一个处理器301能够执行上述一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法。

其中，存储器301和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器301的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。

处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器301可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于：包括，

采集瞬态波的波浪特征，所述波浪特征包括水深h，特征波幅A、特征周期T、特征波长L、海床动水压强特征值P、海床表面动水压强p′_b；

采集砂质海床的土体特征，所述土体特征包括海床厚度d、土颗粒密度ρ_s、渗透系数k、泊松比v、剪切模量G、饱和度S_r和孔隙率n；

建立时间坐标系和空间坐标系，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括超静孔隙水压力值、海床表面动水压强p_b、空间坐标和时间；

计算瞬态波作用下海床土体内无因次超静孔隙水压力值p；

根据瞬态波作用下海床土体内无因次超静孔隙水压力值p，计算砂质海床土体内超静孔隙水压力的垂向梯度值ξ；

根据超静孔隙水压力垂向梯度值，建立其垂向梯度分布图，将孔隙水压力垂向梯度分布图与海床土体液化临界值进行对比分析，评估海床土体是否发生液化，并分析海床土体液化区域。

2.根据权利要求1所述的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量，通过如下公式进行构造：

x＝x′/L,z＝z′/d,t＝t′/T,p＝p′/P,p_b＝p_b′/P,P＝ρ_wgA (1)

其中：x′表示瞬态波传播距离，x表示瞬态波传播距离的无因次变量，z′表示土体所在位置处离海床底部的距离，z表示海床土体所在位置处离海床底部的距离的无因此变量，t′表示瞬态波传播时间，t表示瞬态波传播时间的无因次变量，p′表示瞬态波引起的超静孔隙水压力值，p表示瞬态波引起的瞬时孔隙水压力的无因次变量，p′_b表示瞬态波在海床表面处的瞬时动水压强，p_b表示瞬态波在海床表面处的动水压强的无因次变量，ρ_w表示孔隙水密度，g表示重力加速度，A表示瞬态波的特征波幅。

3.根据权利要求2所述的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于：所述瞬态波作用下海床内超静孔隙水压力值的计算过程如下，

其中：F_l(t,θ)表示时间t的函数，a_l、α和β均表示常数，K表示孔隙流体的体积压缩模量，v表示泊松比，G表示土体剪切模量，μ_w表示孔隙水的动力粘度系数，T表示瞬态波特征周期，k表示海床土体渗透系数。

4.根据权利要求3所述的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于：所述孔隙流体的体积压缩模量K的计算过程如下，

其中：K表示体积压缩模量，K_w表示水的体积压缩模量，p_abs表示绝对孔隙水压力，S_r表示海床土体饱和度。

5.根据权利要求4所述的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于：所述瞬态波作用下海床土体内超静孔隙水压力垂向梯度值ξ的计算过程如下，

其中：ξ表示海床内超静孔隙水压力垂向梯度值。

6.根据权利要求5所述的一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估方法，其特征在于：所述海床土体液化判别计算具体如下，

其中：ξ_c表示海床土体发生液化时超静孔隙水压力垂向梯度的临界值，当瞬态波引起的垂直向上的孔隙水压力梯度超过海床土体的有效重度时，海床土体发生液化。

7.一种瞬态波作用下砂质海床土体液化破坏评估装置，其特征在于：包括，

第一采集模块，用于采集瞬态波的波浪特征，发送给存储模块；

第二采集模块，用于采集砂质海床的土体特征，发送给存储模块；

计算模块，用于根据瞬态波的波浪特征、海床的土体特征，构造海床土体液化破坏评估相关的无因次变量；

处理模块，用于分析计算瞬态波作用下海床的土体的超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值；

判断模块，根据超静孔隙水压力值，以及超静孔隙水压力的垂向梯度值，结合海床土体液化临界值判断海床土体是否发生液化，以及海床土体液化区域。

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