力学所提出随机波浪诱导的海床瞬态孔压响应谱及其表征方法_力学

力学所提出随机波浪诱导的海床瞬态孔压响应谱及其表征方法

2023/8/30 14:21:07 17518: 来源：中国科学院力学研究所李畅飞

摘要：针对上述问题，力学研究所流固耦合系统力学重点实验室(LMFS)流固土耦合力学课题组开展了大型流固土耦合波流水槽(图1)模型试验及理论表征研究。

　　【仪表网研发快讯】海床土体在波浪作用下可产生超静孔隙水压而引起抗剪强度减弱甚至发生液化，导致海洋平台倾覆、海底管道上浮或下沉、防波堤失稳等工程事故。迄今，关于海床孔压响应的研究主要限于规则波情况；然而实际波浪运动具有显著的随机性。如何科学描述随机波浪诱导的海床孔压响应是当前海洋土力学研究的难点问题。注册仪表网，马上发布/获取信息

　　针对上述问题，力学研究所流固耦合系统力学重点实验室(LMFS)流固土耦合力学课题组开展了大型流固土耦合波流水槽(图1)模型试验及理论表征研究。现场和模型试验观测均发现，与规则波相比，随机波在海床深处诱导的瞬态孔压存在幅值增大现象(图2)。课题组进行物理建模提出了“瞬态孔压响应谱”新概念，揭示了随机波浪载荷下的海床瞬态孔压响应规律。

　　在实际海域，波浪受共振激励、波浪破碎和波群束缚等非线性因素影响，低频次峰普遍存在于波浪谱中。本模型试验中，由频率匹配关系推测窄带双峰谱中的低频次峰代表波群束缚的亚重力波(infragravity waves)，主要源于二阶Stokes效应导致的辐射应力(图3)。对不同深度处超静孔压时间序列进行傅里叶变换分析，得到了海床瞬态孔压响应谱(图4)。

　　研究发现，此窄带双峰谱在海床内随土层深度的演化具有普遍的频率筛选效应(图5)：高频主峰随深度衰减较快，而长波次峰衰减则十分缓慢；主次峰之间的此消彼长最终导致长波次峰逐渐超过主峰。这也揭示了随机波的低频长波成分诱导瞬态孔压在深层海床更为显著的物理机制。为定量表征孔压响应谱随土层深度的演化过程，进而提出了筛选深度的无量纲主控参量。

　　可见，在海洋工程实践中，随机波由许多不同单色波成分构成，若将随机波直接简化为有义值对应的单频规则波而忽略长波成分的影响，将会显著低估瞬态孔压幅值。本研究提出的瞬态孔压响应谱及其定量表征方法可以为海床瞬态液化深度提供更为有效的预测方法。

　　以上研究结果得到了国家杰出青年科学基金(No.11825205)资助，论文发表于海洋工程领域核心期刊Ocean Engineering，2023，279： 114490。第一作者于嘉豪为中国科学院力学研究所硕博连读生，本科毕业于中国科学院大学工程科学学院。