一种海底斜坡震后稳定性分析方法技术

本发明专利技术提供了一种海底斜坡震后稳定性分析方法，具体包括以下步骤：构建计算任务的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程；得到海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式；推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度；得到滑带永久剪切应变沿海底斜坡分布情况；滑带土强度折减系数分布；确定海底斜坡初始破坏区长度。通过本发明专利技术的技术方案，考虑了遭受地震作用后，滑带土强度的不均匀折减的实际情况，更加合理；滑带土实际初始强度分布；通过海底斜坡地震动力响应计算得出的永久应变值，更具有科学性和合理性。这些优势使得初始破坏区长度和临界值的确定更加准确，从而运用该方法对海底斜坡震后稳定性评价结果更加可靠。海底斜坡震后稳定性评价结果更加可靠。海底斜坡震后稳定性评价结果更加可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种海底斜坡震后稳定性分析方法


[0001]本专利技术涉及海底斜坡稳定性分析方法领域，特别是一种海底斜坡震后稳定性分析方法。

技术介绍

[0002]地震是触发海底滑坡的重要因素，海底滑坡严重威胁海底线缆、海洋平台、海上风电等海洋工程设施安全，其释放的巨大能量造成的海啸将会对沿岸居民造成不可估量的生命和财产损失。地震荷载导致海底斜坡产生剪切变形和超孔隙水压力累计，震后斜坡沉积物抗剪强度降低，从而造成海底斜坡整体失稳。
[0003]海底斜坡稳定性评价是海洋工程地质学科重要研究课题。常用的极限平衡法以及近年来新发展的剪切带扩展法均被用于海底斜坡震后稳定性评价。但极限平衡法不能解释为什么在海底滑坡中存在剪切应力小于抗剪强度的区域同样发生破坏的现象。剪切带扩展法克服了极限平衡法的局限性，其依据潜在滑带中剪切应力与滑带土的抗剪强度和残余强度的大小，将滑带分为三个区域，分别是初始破坏区（剪切应力超过抗剪强度）、拟稳定区（剪切应力介于抗剪强度和残余强度之间）、稳定区（剪切应力小于残余强度），该方法认为当海底斜坡初始破坏区长度超过某一临界值时，剪切带将贯穿整个拟稳定区，最终导致海底斜坡失稳。
[0004]该方法能否准确评价震后海底斜坡稳定性取决于初始破坏区长度和临界值的精准确定。然而，目前在运用剪切带扩展法评价震后海底斜坡稳定性时，存在以下不足：一是认为海底斜坡在遭受地震荷载作用后，斜坡潜在滑带中不同部位土的抗剪强度折减程度相同，使用同一强度折减系数对不同部位土抗剪强度进行折减，而实际上斜坡不同部位土抗剪强度折减程度差异较大；二是潜在滑带土强度折减系数通常是根据地震波最大加速度经验性确定，非常依赖经验，缺乏可靠科学依据；三是没有考虑海底斜坡不同部位沉积物抗剪强度差异，即没有考虑坡度引起的剪切应力对沉积物固结过程的影响，沉积物在剪切应力作用下固结，其抗剪强度会有一定提升。
[0005]这些问题将对初始破坏区长度和临界值的确定造成显著误差，从而导致运用该方法对海底斜坡震后稳定性评价失准。

技术实现思路

[0006]针对现有技术不足，提出一种海底斜坡震后稳定性分析方法，更加符合实际情况，是一种准确可行的方法。
[0007]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种海底斜坡震后稳定性分析方法，其特征在于,具体包括以下步骤：S1：构建计算任务的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程如下
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式（1）；S2：将利用有限差分法，将步骤S1中构建的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程离散，得到海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式如下：式（2），式（2）中，；，；S3：采用SIMPPLE DSS模型描述剪切带土动力学本构关系，并获取该模型参数；S4：考虑地震作用后滑带土强度不均匀折减的实际情况，推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式；S5：根据地球物理探测资料，识别海底斜坡潜在滑带厚度h1以及潜在滑体厚度h，根据海底斜坡几何形态利用以下函数进行拟合，如得到拟合参数H、：式（3）式（3）中H为海底滑坡半坡高；为海底斜坡最陡处坡度。
[0008]S6：获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数；S7：选取拟研究的地震时程曲线，并将该地震时程数据文件保存为txt格式；S8：利用MATLAB软件编写程序，输入计算参数值，读取地震时程数据；S9：计算边界点地震动力响应；S10：将边界点地震动力响应计算结果作为边界条件，计算海底斜坡地震动力响应，得到滑带永久剪切应变沿海底斜坡分布情况；S11：计算地震发生前，海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布，根据下式：：式（4）为潜在滑带中重力引起的剪切应力，可表示为，式中为坡度；为潜在滑带中土的抗剪强度；为潜在滑带中土的残余强度。
[0009]S12：预测地震作用后，滑带土强度折减系数分布。
[0010]S13：计算地震发生后，海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布，确定海底斜坡初始破坏区长度，可表示为：式（5）
斜坡潜在剪切带中的区域即为初始破坏区，确定其长度。
[0011]S14：判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。
[0012]作为优选方案，步骤S1的具体推导过程如下：在地震前，海底斜坡处于静止状态，斜坡单元受力状态满足力矩平衡原理，为海底斜坡初始静止侧压力；为静止剪切应力；为斜坡曲率半径；为剪切带长度；为斜坡倾角；为滑体垂直厚度，并满足；为滑体浮重度，计算式如式（6）所示。
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式（6）在地震过程中，海底斜坡运动满足角动量守恒原理，为地震作用增加的侧压力；为地震中剪切带内动剪切应力；为地震加速度；为滑体相对基岩的位移；式（7）为角动量变化率，可表示为：式（8）假设地震作用过程中，滑体单元间压缩和拉伸满足胡克定律，可表示为：
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式（9）为滑体侧压缩模量；由于海底滑坡角度一般较小，因此满足下式：
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式（10）将式（7）减式（6），并将式（8）至式（10）代入，可得步骤S1中海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的式（1）；步骤S1中海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的边界条件为：
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式（11）式（7）中表示坐标处，在时刻滑体相对基底的位移；表示坐标处，在时刻滑体相对基底的加速度；，；，为海底斜坡水平长度, 为设定的距离步长；，为地震持续时长, 为设定的时间步长；为边界点处在时刻滑体相对基底的位移，由于海底斜坡在边界处坡度非常平缓，可认为近似水平，可由水平地震响应计算得到。
[0014]进一步地，步骤S2中的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式是通过利用有限差分法，结合式（11）得到海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式。
[0015]作为优选方案，步骤S3中所述SIMPPLE DSS模型为基于有效应力原理的土动力本构模型，能考虑初始剪切应力比对沉积物土动力学性质的影响，能够描述循环加载过程中塑性剪切应变和超孔隙水压力累积过程，所述SIMPPLE DSS模型共含有7个参数，分别为、、、、、、，为控制灵敏度，为控制不排水强度，为描述有效应力包络线,为控制小应变剪切模量，为控制单调剪切应力
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应变曲线，为控制循环加载有效应力路径，为控制循环加载剪切刚度。
[0016]作为优选方案，步骤S4的具体推导过程如下：在遭受地震后，在海底斜坡潜在滑带范围内产生初始破坏区，其长度，该初始破坏区能进一步向两端分别扩展长度dl1和dl2区域，需满足能量守恒定理，如下：式（12）式中为初始破坏区下滑过程中重力势能做功；为下滑过程中转化为滑体土的弹性势能；为下滑过程中克服滑带土残余强度所需做的功；为下滑过程中克服滑带土超过残余强度部分阻力所需做的功；式（12）中式（13）式（14）式（15）式（16）式（16）中式（17）式（18）为海底斜坡几何形态函数；为滑体浮重度；h为滑体厚度；h1为滑体厚度；为初始破坏区下滑切线位移增量；为滑带土残余强度；为滑带土抗剪强度；为滑带土遭受地震、水合物分解、底辟等地质作用后强度折减系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底斜坡震后稳定性分析方法，其特征在于,具体包括以下步骤：S1：构建计算任务的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程如下式（1）；S2：将利用有限差分法，将步骤S1中构建的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程离散，得到海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式如下：式（2），式（2）中，；，；S3：采用SIMPPLE DSS模型描述剪切带土动力学本构关系，并获取该模型参数；S4：考虑地震作用后滑带土强度不均匀折减的实际情况，推导海底斜坡失稳临界初始剪切带长度值计算公式；S5：根据地球物理探测资料，识别海底斜坡潜在滑带厚度h1以及潜在滑体厚度h，根据海底斜坡几何形态利用以下函数进行拟合，得到拟合参数H、：式（3）式（3）中H为海底滑坡半坡高；为海底斜坡最陡处坡度；S6：获取计算所需的海底斜坡潜在滑带和滑体土的力学参数；S7：选取拟研究的地震时程曲线，并将该地震时程数据文件保存为txt格式；S8：利用MATLAB软件编写程序，输入计算参数值，读取地震时程数据；S9：计算边界点地震动力响应；S10：将边界点地震动力响应计算结果作为边界条件，计算海底斜坡地震动力响应，得到滑带永久剪切应变沿海底斜坡分布情况；S11：计算地震发生前，海底斜坡潜在滑带中初始剪切应力比分布，根据下式：：式（4）为潜在滑带中重力引起的剪切应力，可表示为，式中为坡度；为潜在滑带中土的抗剪强度；为潜在滑带中土的残余强度；S12：预测地震作用后，滑带土强度折减系数分布；S13：计算地震发生后，海底斜坡潜在滑带中剪切应力比分布，确定海底斜坡初始
破坏区长度，可表示为：式（5）斜坡潜在剪切带中的区域即为初始破坏区，确定其长度；S14：判断海底斜坡是否失稳及破坏类型。2.根据权利要求1所述的一种海底斜坡震后稳定性分析方法,其特征在于,所述步骤S1的具体推导过程如下：在地震前，海底斜坡处于静止状态，斜坡单元受力状态满足力矩平衡原理，为海底斜坡初始静止侧压力；为静止剪切应力；为斜坡曲率半径；为剪切带长度；为斜坡倾角；为滑体垂直厚度，并满足；为滑体浮重度，计算式如式（6）所示；
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式（6）在地震过程中，海底斜坡运动满足角动量守恒原理，为地震作用增加的侧压力；为地震中剪切带内动剪切应力；为地震加速度；为滑体相对基岩的位移；式（7）为角动量变化率，可表示为：式（8）假设地震作用过程中，滑体单元间压缩和拉伸满足胡克定律，可表示为：
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式（9）为滑体侧压缩模量；满足下式：
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式（10）将式（7）减式（6），并将式（8）至式（10）代入，可得步骤S1中海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的式（1）；步骤S1中海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的边界条件为：
式（11）式（7）中表示坐标处，在时刻滑体相对基底的位移；表示坐标处，在时刻滑体相对基底的加速度；，；，为海底斜坡水平长度, 为设定的距离步长；，为地震持续时长, 为设定的时间步长；为边界点处在时刻滑体相对基底的位移，由水平地震响应计算得到。3.根据权利要求2所述的一种海底斜坡震后稳定性分析方法,其特征在于,所述步骤S2中的海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式是通过利用有限差分法，结合式（11）得到海底斜坡地震动力响应运动学控制方程的离散化格式。4.根据权利要求1所述的一种海底斜坡震后稳定性分析方法,其特征在于,...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾永刚，李正辉，胡聪，朱超祁，薛凉，刘汉露，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：