[发明专利]精确预测海洋桩基液化前后承载力的方法

说明书

一种精确预测海洋桩基液化前后承载力的方法，通过建立波浪‑海床土‑桩基计算模型，在该模型中的流体部分子模型、土体部分子模型和桩基之间建立数据交换，将任意时刻流体部分子模型所计算得到的极端波浪环境荷载、海床土体参数和海洋桩基的设计参数施加到土体和桩基模型并得到桩基和海床土体特性参数，确定桩基插入土体深度在液化前后的深度和宽度的变化，从而对桩基承载力的退化程度进行预测。本发明考虑土体液化前后海床土体、水深、桩基插入深度的变化，计算液化深度变化对桩基承载力的影响，并根据液化前后桩基插入深度变化预测桩基承载力退化规律。

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程和土木工程领域的技术，具体是一种精确预测海洋桩基液化前后承载力的方法。

背景技术

在长期服役过程中，海洋桩基承受着波浪、海流、海啸等海洋环境荷载。这种长期、持续、高频的作用会导致桩基周围海床土体出现不同程度液化，桩基的支撑条件发生改变，土体对桩基的水平和竖向阻力减弱，桩基产生变形，基础承载力降低，甚至导致整体结构倾斜。在国内外海洋开发工程中，曾发生过多起灾难性海洋桩基倾斜事故，造成了重大的经济损失和环境污染。海洋桩基不同于常规陆上桩基，它不仅受到本身结构自重荷载的作用，还长期服役于恶劣的海洋环境荷载作用。

现阶段对于桩基承载力的计算方法包括：Winkler地基梁法、连续弹性动力法、弹性理论、数值方法等。这些理论都是基于桩周土体被如何模拟而分类的。日本建筑协会与道路协会在其相应的规范中提出，液化土层中桩的水平抗力可按层位和液化安全系数之值进行折减，进而评价桩的承载力，至于其折减的合理性，并没有合理的说明。我国在海洋平台桩基设计中，对于液化土层中的桩基仍将其水平承载力取为0作为一种保守的估计，显然这种估计与实际情况有差异。此外，隋倜倜等2018年在《海洋工程》期刊发表的《波浪作用下单桩基础周围海床液化机制研究》一文指出：海床液化导致单桩插入深度发生变化，土体初始有效应力对海床液化的影响要大于超孔隙水压力。由此可见，开展对海洋桩基承载力性能的研究，对于评估液化状况，改善桩基承载力，保证服役期安全运营，是非常重要而迫切的。

但是现有规范和研究中桩基的局部液化深度计算公式是以陆地的桩基地震液化计算为主，且仅针对的是地震荷载对单桩基础的局部液化计算，没有针对复杂海洋环境下的桩基承载力计算方法，没有考虑海床土体液化前后，由于桩基插入深度减少对桩基承载力的影响。因此，提出海洋桩基液化前后承载力的计算方法尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种精确预测海洋桩基液化前后承载力的方法，能够精确计算海洋环境中桩基的局部液化深度，并根据液化前后桩基插入深度变化预测桩基承载力衰减情况，为海洋桩基设计提供依据，具有广泛的工程应用及实用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种精确预测海洋桩基液化前后承载力的方法，通过建立波浪-海床土-桩基计算模型，在该模型中的流体部分子模型、土体部分子模型和桩基之间建立数据交换，将任意时刻流体部分子模型所计算得到的极端波浪环境荷载、海床土体参数和海洋桩基的设计参数施加到土体和桩基模型并得到桩基和海床土体特性参数，确定桩基插入土体深度在液化前后的深度和宽度的变化，从而对桩基承载力的退化程度进行预测。

所述的波浪-海床土-桩基计算模型中部分子模型中波浪运动的控制方程为N-S方程，其作用为模拟波浪的传播，确定作用于桩基和海床上的波浪压力；土体部分子模型的控制方程为Biot耦合方程，将海床土控制方程通过PDE接口写入到COMSOL Multiphysics中进行波浪荷载下海床响应的求解。

所述的极端波浪环境荷载是指海啸荷载，通过数值方法进行造波，该波浪特征参数包括：海浪波高、海水深度、海浪波长、周期。

所述的海洋桩基的设计参数包括：桩基弹性模量、桩长、桩径和桩的插入深度、桩基的承载力。