【儀表網 研發快訊】海床土體在波浪作用下可產生超靜孔隙水壓而引起抗剪強度減弱甚至發生液化，導致海洋平臺傾覆、海底管道上浮或下沉、防波堤失穩等工程事故。迄今，關于海床孔壓響應的研究主要限于規則波情況；然而實際波浪運動具有顯著的隨機性。如何科學描述隨機波浪誘導的海床孔壓響應是當前海洋土力學研究的難點問題。注冊儀表網，馬上發布/獲取信息
針對上述問題，力學研究所流固耦合系統力學重點實驗室(LMFS)流固土耦合力學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。現場和模型試驗觀測均發現，與規則波相比，隨機波在海床深處誘導的瞬態孔壓存在幅值增大現象(圖2)。課題組進行物理建模提出了“瞬態孔壓響應譜”新概念，揭示了隨機波浪載荷下的海床瞬態孔壓響應規律。
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效應導致的輻射應力(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，得到了海床瞬態孔壓響應譜(圖4)。
研究發現，此窄帶雙峰譜在海床內隨土層深度的演化具有普遍的頻率篩選效應(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瞬態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成，若將隨機波直接簡化為有義值對應的單頻規則波而忽略長波成分的影響，將會顯著低估瞬態孔壓幅值。本研究提出的瞬態孔壓響應譜及其定量表征方法可以為海床瞬態液化深度提供更為有效的預測方法。
以上研究結果得到了國家杰出青年科學基金(No.11825205)資助，論文發表于海洋工程領域核心期刊Ocean Engineering，2023，279： 114490。 第一作者于嘉豪為中國科學院力學研究所碩博連讀生，本科畢業于中國科學院大學工程科學學院。
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