【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】海床土體在波浪作用下可產(chǎn)生超靜孔隙水壓而引起抗剪強度減弱甚至發(fā)生液化，導(dǎo)致海洋平臺傾覆、海底管道上浮或下沉、防波堤失穩(wěn)等工程事故。迄今，關(guān)于海床孔壓響應(yīng)的研究主要限于規(guī)則波情況；然而實際波浪運動具有顯著的隨機性。如何科學(xué)描述隨機波浪誘導(dǎo)的海床孔壓響應(yīng)是當(dāng)前海洋土力學(xué)研究的難點問題。注冊儀表網(wǎng)，馬上發(fā)布/獲取信息
針對上述問題，力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點實驗室(LMFS)流固土耦合力學(xué)課題組開展了大型流固土耦合波流水槽(圖1)模型試驗及理論表征研究。現(xiàn)場和模型試驗觀測均發(fā)現(xiàn)，與規(guī)則波相比，隨機波在海床深處誘導(dǎo)的瞬態(tài)孔壓存在幅值增大現(xiàn)象(圖2)。課題組進行物理建模提出了“瞬態(tài)孔壓響應(yīng)譜”新概念，揭示了隨機波浪載荷下的海床瞬態(tài)孔壓響應(yīng)規(guī)律。
在實際海域，波浪受共振激勵、波浪破碎和波群束縛等非線性因素影響，低頻次峰普遍存在于波浪譜中。本模型試驗中，由頻率匹配關(guān)系推測窄帶雙峰譜中的低頻次峰代表波群束縛的亞重力波(infragravity waves)，主要源于二階Stokes效應(yīng)導(dǎo)致的輻射應(yīng)力(圖3)。對不同深度處超靜孔壓時間序列進行傅里葉變換分析，得到了海床瞬態(tài)孔壓響應(yīng)譜(圖4)。
研究發(fā)現(xiàn)，此窄帶雙峰譜在海床內(nèi)隨土層深度的演化具有普遍的頻率篩選效應(yīng)(圖5)：高頻主峰隨深度衰減較快，而長波次峰衰減則十分緩慢；主次峰之間的此消彼長最終導(dǎo)致長波次峰逐漸超過主峰。這也揭示了隨機波的低頻長波成分誘導(dǎo)瞬態(tài)孔壓在深層海床更為顯著的物理機制。為定量表征孔壓響應(yīng)譜隨土層深度的演化過程，進而提出了篩選深度的無量綱主控參量。
可見，在海洋工程實踐中，隨機波由許多不同單色波成分構(gòu)成，若將隨機波直接簡化為有義值對應(yīng)的單頻規(guī)則波而忽略長波成分的影響，將會顯著低估瞬態(tài)孔壓幅值。本研究提出的瞬態(tài)孔壓響應(yīng)譜及其定量表征方法可以為海床瞬態(tài)液化深度提供更為有效的預(yù)測方法。
以上研究結(jié)果得到了國家杰出青年科學(xué)基金(No.11825205)資助，論文發(fā)表于海洋工程領(lǐng)域核心期刊Ocean Engineering，2023，279： 114490。 第一作者于嘉豪為中國科學(xué)院力學(xué)研究所碩博連讀生，本科畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院。
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