力学所揭示随机波浪诱导的海床瞬态孔压响应谱及表征方法

       海床土体在波浪作用下可产生超静孔隙水压，从而引起抗剪强度减弱甚至发生液化，致使海洋平台倾覆、海底管道上浮或下沉、防波堤失稳等工程事故。目前，关于海床孔压响应的研究限于规则波情况，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海洋土力学研究的难点。基于此，中国科学院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。科研人员在现场和模型试验观测中发现，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）。该研究通过物理建模提出了“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）。该工作对不同深度处超静孔压时间序列作了傅里叶变换分析，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），即高频主峰随深度衰减较快，而长波次峰衰减缓慢；主次峰之间的此消彼长致使长波次峰逐渐超过主峰。这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。该研究为定量表征孔压响应谱随土层深度的演化过程，提出了筛选深度的无量纲主控参量。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。该研究提出的瞬态孔压响应谱及其定量表征方法，可为海床瞬态液化深度提供有效的预测方法。 

　　相关研究成果发表在《海洋工程》（Ocean Engineering，2023，279：114490）上。研究工作得到国家杰出青年科学基金的支持。

消息来源：中国科学院官网