(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210840516.1 (22)申请日 2022.07.18 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市大 学路1号 (72)发明人 朱彬　裴华富　杨庆　李超　 卢萌盟　王涛　 (74)专利代理 机构 徐州苏越知识产权代理事务 所(普通合伙) 32543 专利代理师 张旭 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种模拟波浪荷载作用下海床响应的概率 计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种模拟波浪荷载作用下海 床响应的概率计算方法， 先确定土性参数的统计 规律及空间结构特征， 对获取的土性参数采用基 于Karhunen‑Loeve展开方法进行随机场离散， 得 到多维随机场； 确定波浪参数， 根据确定的波浪 参数采用JONSWAP谱对随机波浪荷载进行模拟； 对多孔弹性海床进行建模， 完成多孔弹性海床的 模型建立， 然后确定土体液化判定准则； 将建立 的多孔弹性海床模型耦合得出的随机波浪荷载 与得出的土性参数多维随机场对海床进行分析 计算， 获得海床响应结果， 根据液化判定准则及 统计特征得出当前多孔弹性海床响应及液化风 险的概率数据。 本发明充分考虑了海床沉积物参 数的空间变异特征以及波浪荷载的随机性， 为海 床响应定量评价 提供理论决策框架。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115221758 A 2022.10.21 CN 115221758 A 1.一种模拟波浪荷载作用下海床响应的概 率计算方法， 其特 征在于， 具体步骤为： 步骤1： 确定土性参数的统计规律及空间结构特征， 对获取的土性参数采用基于 Karhunen ‑Loeve展开方法进行随机场离 散， 得到多维随机场； 步骤2： 确定波浪参数， 根据确定的波浪参数采用JONSWAP谱 对随机波浪荷载进行模拟； 步骤3： 对多孔弹性海床进行建模， 耦合遵循虎克定律的土骨架与遵循达西定律的可压 缩孔隙流体， 并进 行网格划分以及边界条件的设置， 完成多孔弹性海床的模型建立， 然后确 定土体液化判定准则； 步骤4： 使用步骤3建立的多孔弹性海床模型耦合步骤2得出的随机波浪荷载与步骤1得 出的土性参数多维随机场对海床进 行分析计算， 获得海床响应结果， 其包括土体有效应力、 孔隙水压力和瞬时液化特征； 重复上述步骤进行多次的蒙特卡洛模拟， 根据多次获得的海 床响应结果最终得到海床响应的统计特征； 在统计特征中采用步骤3确定的土体液化判定 准则获得海床液化区域深度和宽度的统计直方图， 最后根据海床响应的统计特征和海床液 化区域深度和宽度的统计直方图， 得 出当前多孔弹性海床响应及液化 风险的概 率数据。 2.根据权利要求1所述的模拟波浪荷载作用下海床响应的概率计算方法， 其特征在于， 所述步骤1中土性参数 的统计特征和空间结构特征包括海洋沉积物的渗透系 数K和剪切模 量G各自的均值、 标准差、 分布类型、 相关距离和自相关函数， 采用基于Karhunen ‑Loeve展开 方法进行随机场离 散的具体公式为： 其中， H(x, θ )为离散的参数随机场； μ*和σ*分别为目标参数的均值和标准差； ξi( θ )为一 组均值为0、 标准差为1的互相独立随机变量； λi和 分别为自相关函数的特征值和特征 函数； 若土性参数的统计特征不服 从高斯分布， 则采用非高斯随机场来模拟其空间变异 性； 为了提高高维随机场离散的计算效率问题， 使用逐步分解方法将多维随机场分解为独自维 度的一维随机场， 再通过 Kronecker乘积获得多维随机场。 3.根据权利要求1所述的模拟波浪荷载作用下海床响应的概率计算方法， 其特征在于， 所述步骤2中波浪参数包括波高、 周期、 波长、 水的密度、 土体密度、 泊松比、 孔隙率和饱和 度， 采用JONSWAP谱 对随机波浪荷载进行模拟， 具体公式为： 其中， Tp为谱峰周期； Hs为有效波高； γ为峰升因子； g为重力加速度； ωp为峰值频率， 能 通过ωp＝2π/Tp计算得到； 考虑波浪传播方向的空间分布， 将频谱S(ω)与方向分布函数D ( θ )相乘获得 方向谱， 以应用于生成三维随机波浪， 表达公式如下： S(ω, θ )＝S(ω)D( θ ) 其中θ表示分量波的扩散方向； 作用于海床表面的随机波浪水动力压力的公式表达如权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115221758 A 2下： 其中Mw和Nw分别为分量频率和方向角的数量， 其大小决定了模型的精度； ωi和 θj分别为 分量波的频率和方向角； εij是在(0,2π )范围内随机分布的初始相位角； 分量波的波数ki由 波散函数确定； aij是分量波的波幅， 能通过以下公式计算： 4.根据权利要求1所述的模拟波浪荷载作用下海床响应的概率计算方法， 其特征在于， 所述步骤3中设置的模型边界条件： 在海床表面， 垂直有效应力和剪应力为零， 即σ'z＝τ'xz ＝τ'yz＝0， 其中σ'z为垂直有效应力， τ'xz、 τ'yz为剪应力； 孔隙水压力等于沿海床表面分布 的波浪力； 模型 的底部假设为不透水 的刚性边界， 土体位移为零， 垂向方向孔压梯度为零， 即 假设侧边界上无水平向的位移和孔压梯度， 即 为了减 少侧边界的假设对 模型中部区域的影响， 选取模型计算区域长度为波长的2 ～3倍； 所述土体液化判定准则选取如下： 其中γs表示土体重度， K0表示静止 土压力系数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115221758 A 3