一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法。该方法囊括原位孔隙水压力前处理、设备沉降量计算、波致累积孔压计算及海床波致累积液化判断，可实现设备沉降、潮汐等非累积孔压要素的高效剔除及海床波致累积液化的准确判断。通过本发明专利技术的技术方案，解决了原位孔隙水压力数据受设备沉降、潮汐、波浪等诸多因素的影响，难以计算用于判定海床波致累积液化的波致累积孔隙水压力等关键要素的难题。素的难题。素的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法


[0001]本专利技术涉及海底探测
，具体而言，特别涉及一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法。

技术介绍

[0002]波致累积液化作为一种常见的浅海地质灾害，在过去几十年里，一直作为海洋地质灾害研究的热点问题被海洋工程领域学者关注。它主要是指由于波浪循环荷载作用导致海床内部孔隙水压力累积上升，当累积孔隙水压力大于上覆沉积物的有效应力时，上覆沉积物强度急剧下降甚至丧失，沉积物颗粒悬浮于孔隙水中，整体呈现流态化失稳的现象。这种在波浪作用下海床沉积物强度降低和失稳的潜在液化现象，会极大威胁采油平台、光电光缆及海洋牧场等近岸海洋工程设施安全，造成经济社会财产损失。因此，海床孔隙水压力原位监测及其数据解译已成为波致累积液化这种地质灾害研究和防控的重要手段。
[0003]目前，关于海床孔隙水压力原位监测多采用阵列式孔隙水压力传感器探针设备，即在海床垂向上集成布设多个孔隙水压力传感器进行同步测量。如申请号为201610289676.6公开的一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测系统，申请号为03112050.4公开的一种波浪作用下土体原位孔压和影响深度的监测装置及申请号为CN202111158026.5公开的一种可自动化折叠的孔压探杆装置及其工作方法等。上述已公开的专利多集中于孔隙水压力原位观测装置的创新设计，对于获取的原位孔隙水压力的数据处理方法和波致累积液化评判方法却少有提及。特别是原位获取的孔隙水压力数据受设备沉降、潮汐、波浪等诸多因素的影响，如何剔除这些因素的干扰、获取可靠的波致累积孔压值及其所在深度，对于海床波致累积液化的精准判定具有重要意义。。

技术实现思路

[0004]为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法。该方法囊括原位孔隙水压力前处理、设备沉降量计算、波致累积孔压计算及海床波致累积液化判断，可实现设备沉降、潮汐等非累积孔压要素的高效剔除及海床波致累积液化的准确判断。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法，包括用于测定海床表面水压力起伏变化的参考孔隙水压力传感器和埋置于海床表面以下的孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器在海床深度方向呈等间距分布，其特征在于,具体包括以下步骤：S1：对原位获取的孔隙水压力数据进行前处理，以得到原始数据中波浪的特征频率范围并滤除高频噪声信号；S2：计算阵列式孔隙水压力传感器探针设备的沉降量（），将沉降后平均绝对水压力（）与沉降前平均绝对水压力（）作差，得到设备沉降量（）：
（2）式中，为海水密度，g为重力加速度；判断海床是否发生波致累积液化；其表达式如下：（1）其中，为距海床表面面垂直距离为处的累积孔隙水压力；为孔隙水压力传感器所在的海床位置上覆沉积物的平均垂直有效应力；为沉积物的浮容重；为孔隙水压力传感器所在的海床位置距海床表面的垂直距离；为沉积物的水平有效力和垂直有效力的比值；S3：计算累积孔隙水压力；位于海床内部不同深度（,，
…
，）处的累积孔隙水压力（）:=（3）式中，为滤除噪声信号的孔隙水压力数据，为通过高通滤波将海床内部孔隙水压力数据中波浪引起的波压力信号，为通过低通滤波将潮汐引起的压力信号；S4：修正累积孔压计算结果；结合设备沉降量（）对S3计算的累积孔隙水压力（）进行修正，以获得修正后的累积孔隙水压力（）：=（4）；S5：将S4计算的累积孔隙水压力带入公式（1），并将设备沉降量（）引入公式（1）中平均垂直有效应力的计算公式（）中，由此可将公式（1）变换为：（5）。
[0006]作为优选方案，步骤S1具体包括以下步骤:S1.1：将原位获取的孔隙水压力数据进行分段并去除其线性变化的趋势，以获得因波浪引起的孔隙水压力脉动值（）；去除线性变化趋势的方法为原始的孔隙水压力数据（）减去分段周期内孔隙水压力数据的平均值（）；S1.2：将S1.1获得的孔隙水压力脉动值（）进行功率谱密度估算，功率谱密度的估算基于Matlab的Welch函数；S1.3：以S1.2获得的孔隙水压力脉动值（）的功率谱密度为纵坐标，以对应的频率为横坐标，在双对数坐标下绘制孔隙水压力脉动值（）的功率谱图；
S1.4：根据步骤S1.3确定原位波浪引起的波压力特征频率（）范围（）,为波压力特征频率的下边界，为波压力特征频率的上边界；S1.5：根据S1.4确定的波压力特征频率的上边界（），将原始的孔隙水压力数据（）以为截断频率进行低通滤波，以此去除原始孔隙水压力数据（）中的高频噪声信号，获得滤除噪声信号后的孔隙水压力数据（）。
[0007]进一步地，步骤S1.1中的分段的周期为10分钟。
[0008]进一步地，步骤S2具体包括以下步骤:S2.1：将S1.5滤除噪声信号的参考孔隙水压力数据（）用于功率谱密度估算，以确定潮汐的特征频率（）；S2.2：以S2.1中确定的潮汐特征频率（）为截断频率，以S1.5滤除噪声信号的参考孔隙水压力数据（）为对象进行低通滤波，剔除波浪和潮汐信号，以获得设备所测得的海底绝对水压力变化；S2.3：将沉降后平均绝对水压力（）与沉降前平均绝对水压力（）作差，得到设备沉降量（）：
………
（2）式中为海水密度，g为重力加速度。
[0009]进一步地，步骤S2.2中的低通滤波的截断频率小于2到4个潮汐的特征频率（）。
[0010]进一步地，步骤S3具体包括以下步骤:经过S1.5滤除噪声信号的参考孔隙水压力数据（）内包含波浪引起的压力信号（）和潮汐引起的压力信号（）；位于海床内部不同深度（,，
…
，）处，经过S1.5滤除噪声信号的孔隙水压力数据（）内包含波浪引起的压力信号（）、潮汐引起的压力信号（）和累积孔压信号；根据S1.4确定的波浪引起的波压力特征频率（）范围（）和S2.1确定的潮汐特征频率（），通过低通滤波将潮汐引起的压力信号（）和通过高通滤波将海床内部孔隙水压力数据中波浪引起的波压力信号（）提取出来。
[0011]本专利技术由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：（1）本专利技术专利提供了一种简单、高效的原位孔隙水压力数据前处理的方法。解决了原位孔隙水压力数据受设备沉降、潮汐、波浪等诸多因素的影响，难以计算用于判定海床波致累积液化的波致累积孔隙水压力等关键要素的难题。
[0012]（2）本专利技术专利基于浅海环境中潮汐、波浪等动力的特征频率特征，根据海床波致累积液化的机理，结合谱分析方法，提出了一种准确计算累积孔隙水压力的方法。
[0013]（3）本专利技术专利考虑了设备沉降对传统海床波致累积液化判定准确性的影响。利
用潮汐、波浪等海洋环境中压力信号特征频率的区别，准确计算了设备沉降量，并将设备沉降量考虑至海床波致累积液化的判别公式中，发展了判别海床波致累积液化的公式。
[0014]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法，包括用于测定海床表面水压力起伏变化的参考孔隙水压力传感器和埋置于海床表面以下的孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器在海床深度方向呈等间距分布，其特征在于,具体包括以下步骤：S1：对原位获取的孔隙水压力数据进行前处理，以得到原始数据中波浪的特征频率范围并滤除高频噪声信号；S2：计算阵列式孔隙水压力传感器探针设备的沉降量（），将沉降后平均绝对水压力（）与沉降前平均绝对水压力（）作差，得到设备沉降量（）：（2）式中，为海水密度，g为重力加速度；判断海床是否发生波致累积液化；其表达式如下：（1）其中，为距海床表面面垂直距离为处的累积孔隙水压力；为孔隙水压力传感器所在的海床位置上覆沉积物的平均垂直有效应力；为沉积物的浮容重；为孔隙水压力传感器所在的海床位置距海床表面的垂直距离；为沉积物的水平有效力和垂直有效力的比值；S3：计算累积孔隙水压力；位于海床内部不同深度（,，
…
，）处的累积孔隙水压力（）:=（3）式中，为滤除噪声信号的孔隙水压力数据，为通过高通滤波将海床内部孔隙水压力数据中波浪引起的波压力信号，为通过低通滤波将潮汐引起的压力信号；S4：修正累积孔压计算结果；结合设备沉降量（）对S3计算的累积孔隙水压力（）进行修正，以获得修正后的累积孔隙水压力（）：=（4）；S5：将S4计算的累积孔隙水压力带入公式（1），并将设备沉降量（）引入公式（1）中平均垂直有效应力的计算公式（）中，由此可将公式（1）变换为：（5）。2.根据权利要求1所述的一种考虑设备沉降的海床波致累积液化的判定方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括以下步骤:
S1.1：将原位获取的孔隙水压力数据进行分段并去除其线性变化的趋势，以获得因波浪引起的孔隙水压力脉动值（）；去除线性变化趋势的方法为原始的孔隙水压力数据（）减去分段周期内孔隙水压力数据的平均值（）；S1.2：将S1.1获得的孔隙水压力脉动值（）进行功率谱密度估算，功率谱密度的估算基于Matlab的Welch函数；S1.3：以S1.2获得的孔隙水压力脉动值（）的功率谱密度为纵坐标，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓磊，余和雨，高涵，李星宇，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：