一种孤立波作用下砂质海床剪切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，具体涉及一种孤立波作用下砂质海床剪切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孤立波作用下砂质海床剪切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：

一种孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估方法，包括如下步骤：

采集孤立波的基本特征，所述基本特征包括水深h，特征波高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′

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

建立空间坐标系和时间坐标系，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括孤立波引起的水平有效正应力、垂直有效正应力、剪切应力、床面动水压强、空间坐标和时间；

计算孤立波引起的海床动力响应，所述海床动力响应包括水平方向上的有效正应力、垂直方向上的有效正应力和剪切应力；

计算孤立波作用下海床土体内的应力角，建立应力角分布图；

比较孤立波作用引起的应力角和土体内摩擦角的大小关系，评估砂质海床土体剪切破坏风险，并分析剪切破坏区域。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量，具体构造如下：

其中：x′表示孤立波的传播距离，x表示孤立波传播距离的无因次变量，z′表示土体所在位置离海床底部的距离，z表示土体所在位置处离海床底部的距离的无因此变量，t′表示孤立波传播时间，t表示孤立波传播时间的无因次变量，τ′

进一步地，所述孤立波作用下砂质海床内水平方向上有效正应力τ

其中：F

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

进一步地，所述孤立波作用下海床土体内应力角φ具体计算如下，

其中：φ表示孤立波作用下的应力角，κ为常数，κ＝A/d，τ

进一步地，所述水平方向上的初始有效正应力τ

其中：ρ

进一步地，所述海床土体剪切破坏判别计算如下，

φ≥φ

其中：φ

一种孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估装置，包括，

信息收集模块一，用于采集孤立波的基本特征，发送给存储模块；

信息收集模块二，用于采集砂质海床的土体特征，发送给存储模块；

构造模块，用于根据孤立波的波浪特征、海床的土体特征，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量；

处理模块，用于分析计算孤立波作用下海床土体内的应力角；

分析模块，根据海床土体内应力角和土体内摩擦角的大小关系，评估砂质海床土体剪切破坏风险，并分析剪切破坏区域。

本发明的有益效果：

相比现有技术而言，本发明的一种孤立波作用下砂质海床土体剪切破坏快速评估方法，通过孤立波作用引起的土体有效应力解析解快速评估土体剪切破坏风险，克服了传统解析解评估方法不适用于孤立波的技术不足，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孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估方法的流程结构图。

图2是本发明海床土体动水压强变化曲线图以及水平方向和垂直方向上有效正应力与剪切应力的分布图。

图3是本发明海床土体动水压强变化曲线图及其对应的海床土体内应力角分布图。

图4是本发明海床土体动水压强变化曲线图及其对应的剪切区域图。

图5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剪切破坏分析模型的流程图。

图6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1-4所示的一种孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集孤立波的基本特征、包括水深h，特征波高A、特征周期T、特征波长L、孤立波引起动水压强特征值P和海床表面的动水压强p′

具体而言：孤立波的基本特征通过现场勘探获得。

步骤S2：采集砂质海床土体参数，包括海床厚度d、土颗粒密度ρ

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，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括水平方向上有效正应力、垂直方向上有效正应力、剪切应力、海床表面动水压强、空间坐标和时间；

具体而言：海床土体剪切评估相关的无因次变量用于分析孤立波在不同空间坐标位置和不同时间状态下所引起的正应力和剪切应力的对应关系，其中空间坐标、时间、水平方向上有效正应力、垂直方向上有效正应力、剪切应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、水平方向上有效正应力、垂直方向上有效正应力、剪切应力和海床表面动水压强进行无量纲标准化，

其中：x′表示孤立波的传播距离，x表示孤立波传播距离的无因次变量，z′表示土体所在位置离海床底部的距离，z表示土体所在位置处离海床底部的距离的无因此变量，t′表示孤立波传播时间，t表示孤立波传播时间的无因次变量，τ′

步骤S4：计算孤立波引起的海床动力响应，所述海床动力响应包括水平方向上的有效正应力τ

其中：F

其中孔隙流体的体积压缩模量K的具体计算如下，

其中：K表示体积压缩模量，K

步骤S5：建立海床内有效应力分布图。

具体而言：海床内有效应力分布图包括水平方向的有效正应力、垂直方向有效正应力和剪切应力的分布图，采用相位为横坐标，计算出孤立波在不同阶段的各个应力分布图，便于分析海床土体在孤立波不同阶段下的有效重度是增加还是减小。

S51：计算水平方向上的初始有效正应力τ

其中：ρ

S52：计算孤立波作用下的应力角φ；

其中：φ表示孤立波作用下的应力角，κ为常数，κ＝A/d，τ

S53：根据孤立波作用海床内应力角φ，建立应力角分布图。

步骤S6：根据应力角分布图，将孤立波作用引起的应力角与海床土体内摩擦角进行对比分析，评估砂质海床土体是否发生剪切破坏，并分析海床土体剪切破坏区域。

具体而言：当孤立波引起的海床内应力角最大值超过海床土体内摩擦角时，海床土体发生剪切破坏。根据应力角分布图和内摩擦角(即临界值)可以判断出孤立波作用下的海床土体是否发生剪切破坏，根据剪切破坏发生时所对应的相位可以判断剪切破坏发生时的位置，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剪切破坏，

φ≥φ

其中：φ

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。

具体实施例

(1)采集孤立波的基本特征，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

G＝2×10

(3)建立时间坐标系和空间坐标系，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量，所述无因次变量包括水平方向上有效正应力、垂直方向上有效正应力、剪切应力、海床表面动水压强、空间坐标和时间；

x＝x′/L,z＝z′/d,t＝t′/T,

τ

(4)计算孤立波作用下砂质海床内水平方向上有效正应力、垂直方向上有效正应力和剪切应力；

其中：F

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，n表示土体孔隙率，μ

其中孔隙流体的体积压缩模量K通过如下公式计算：

其中：K

如图2所示，表示水平方向的有效正应力、垂直方向有效正应力和剪切应力分布图，图中水平坐标为孤立波的相位，即

(5)计算孤立波作用下海床土体内的应力角；

其中：φ表示孤立波作用下的应力角，κ为常数，κ＝A/d，τ

水平和垂直方向上的初始有效正应力通过如下公式计算，海床土体内应力角分布如图3所示，

(6)计算结果表明该孤立波作用下海床内最大应力角为90°大于海床土体内摩擦角31°，根据判别准则可知海床土体会发生剪切破坏，且剪切破坏发生在孤立波减速阶段，对应的剪切破坏区域，如图4所示。

第二实施方式：

如图5所示，本发明的第二实施方式提供了一种孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估装置，包括：

信息收集模块一，用于采集孤立波的基本特征，发送给存储模块；

信息收集模块二，用于采集砂质海床的土体特征，发送给存储模块；

构造模块，用于根据孤立波的波浪特征、海床的土体特征，构造海床土体剪切破坏评估相关的无因次变量；

处理模块，用于分析计算孤立波作用下海床土体内的应力角；

分析模块，根据海床土体内应力角和土体内摩擦角的大小关系，评估砂质海床土体剪切破坏风险，并分析剪切破坏区域。

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6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能够执行上述一种孤立波作用下砂质海床剪切破坏评估方法。

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。