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波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究

王刚 许国辉 刘志钦 刘会欣 孙振红

王刚, 许国辉, 刘志钦, 刘会欣, 孙振红. 波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 176-183. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021
引用本文: 王刚, 许国辉, 刘志钦, 刘会欣, 孙振红. 波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 176-183. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021
WANG Gang, XU Guohui, LIU Zhiqin, LIU Huixin, SUN Zhenhong. EXPERIMENTAL STUDY ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS CHANGES OF WAVE-INDUCED LIQUEFIED SILT[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 176-183. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021
Citation: WANG Gang, XU Guohui, LIU Zhiqin, LIU Huixin, SUN Zhenhong. EXPERIMENTAL STUDY ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS CHANGES OF WAVE-INDUCED LIQUEFIED SILT[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 176-183. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021

波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021
详细信息
    作者简介:

    王刚(1988—), 男, 工程师, 硕士, 从事海岸工程环境研究, E-mail:wanggang8080@163.com

    通讯作者: 许国辉(1972—), 男, 教授, 博士, 从事海洋工程地质研究, E-mail:xuguohui@ouc.edu.cn
  • 基金项目:  国家自然科学基金——海底粉质土液化重建地层特征及其风暴浪动力强度研究;国家海洋局海洋公益性行业科研专项——近海底灾害预测评价及防控关键技术研究
  • 中图分类号: P642.1

EXPERIMENTAL STUDY ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS CHANGES OF WAVE-INDUCED LIQUEFIED SILT

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-20
  • 修回日期:  2016-07-01
  • 刊出日期:  2017-02-28

波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.021
    作者简介:

    王刚(1988—), 男, 工程师, 硕士, 从事海岸工程环境研究, E-mail:wanggang8080@163.com

    通讯作者: 许国辉(1972—), 男, 教授, 博士, 从事海洋工程地质研究, E-mail:xuguohui@ouc.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金——海底粉质土液化重建地层特征及其风暴浪动力强度研究;国家海洋局海洋公益性行业科研专项——近海底灾害预测评价及防控关键技术研究
  • 中图分类号: P642.1

摘要: 粉质土底床在波浪作用下发生液化,发现有液化发展和液化沉积两个过程。以粉质土铺设底床开展波浪水槽试验,通过测试贯入阻力、含水量、密度、中值粒径和黏粒含量在液化过程中随时间的变化,给出粉质土在液化过程中物理力学性质的变化规律。试验给出:总体上,粉质土底床液化层在液化发展过程中强度急剧降低,含水量增加,密度减小,中值粒径增大,黏粒含量减少;在液化沉积(固结)阶段强度增大,含水量减小,密度增大,中值粒径增大,黏粒含量减少。

English Abstract

  • 粉质土在波浪循环荷载作用下容易发生液化,特别是河口三角洲地区,粉质土海床由于沉积固结时间短,受到强风暴浪作用,将更加容易发生液化失稳[1]。液化失稳及其伴生的地质灾害将直接危害此区域内大量油气平台、海底管线以及海底电缆的正常运行,导致严重环境问题和经济损失。如1969年美国密西西比三角洲受卡米尔飓风影响,B石油平台发生翻倒,造成上亿美元的经济损失[2-5]。Prior和杨作升等在20世纪80年代对我国黄河水下三角洲实地勘察资料也反映出海床液化失稳现象,特别是前缘斜坡上,塌陷凹坑等地貌的富集存在,应该是海底土体液化后的遗存,其对这些地貌有详细描述[6, 7]。室内试验对波致粉质土液化问题已经做了大量的模拟验证和计算分析[8-13],初步给出了粉质土液化判定条件、液化过程、液化后海床地貌形态及工程地质条件。

    虽然前人对波浪作用下粉质土液化问题做了大量的现场调查或室内试验,对其形成机理与过程有了初步的认识,但缺少液化过程中粉质土的物理力学性质变化的直接数据证实(已有波浪水槽试验中仅进行了含水量和密度的测试工作[14])。在已经开展的底床液化波浪水槽试验中,发现波浪导致的粉质土液化过程可以分为液化发展和液化沉积两个过程[15, 16],而液化土体的物理力学性质在此两个过程中的变化没有进行分析。本文利用黄河三角洲的粉质土制备波浪水槽试验的底床,模拟波浪作用下粉质土底床液化失稳的水槽试验研究,对处于液化发展和液化沉积过程中的底床土体进行取样和贯入阻力试验,获得粉质土物理力学性质在液化过程中随时间的变化规律,进一步研究其液化过程中的性态变化。

    • 本文研究开展的波浪水槽试验重复进行了两次,两次试验过程一致,结果有良好的再现性,本文主要对第二次试验进行总结。

      开展试验的主要设备是波浪水槽,在试验造波中形成Stokes波。底床布置见图 1(本试验同时进行液化粉质土从源区出流状态观察的试验,设置了活动挡板,将试验底床分隔成两个区域,即平整底床区和斜坡底床区,本文的测试取样工作主要在产生液化的平整底床区进行)。试验用土为取自黄河三角洲的岸滩原土,试验前测得其基本物理性质为:粒径0.075~0.005 mm的颗粒含量占84.66%,小于0.005 mm的占9.6%(见图 2),塑性指数为7.5,确定本试验用土为粉土(本文称为粉质土)。

      图  1  底床布置示意图

      Figure 1.  Sketch of flume

      图  2  初始底床土体粒度分析曲线

      Figure 2.  Grain size accumulation curve of test soil bed

      首先将粉质土在室内风干,碾压成粉末。为保证试验底床均匀一致,先在水箱中将土重塑制成均匀的高浓度浆体,含水量为33.5%。然后用顺板滑塌方法分批移入水槽中,制成试验底床。平整底床长2.6 m,高0.6 m,宽0.5 m;斜坡底床长1.3 m,坡度设置为1°,最厚处0.1 m。再加水至0.4 m水深,固结7天后,开始试验(表 1)。

      表 1  底床初始物理参数

      Table 1.  Summary of soil properties of test soil bed

      中值粒径d50/mm 土体密度/(kg/m3) 含水量/% 黏粒含量/% 颗粒比重Gs 孔隙比e 塑性指数Ip
      0.041 1792 33.5 9.6 2.7 1.0 7.5
    • 加波前,底床经过7天的静置固结,床面下降约2 cm。施加波浪前对底床取样及测定贯入阻力(本文将开始加波试验的时刻定为0 min;取样用自制活塞式取样器;贯入阻力测定用普氏贯入仪)。底床取样和贯入阻力测定完成后马上进行加波试验,施加的波浪要素:波高H为14 cm,波长L为2.6 m,波周期T为1.53 s,第二次试验波浪作用2.0 h(第1次试验波浪作用1.5 h)。在加波后的50 min、80 min、120 min及停波后的220 min 4个时刻,重复进行加波前的取样和贯入阻力试验操作。利用贯入阻力测试和取得的样品,得到不同时刻底床的贯入阻力值及土样基本物理性质指标(含水量、黏粒含量、中值粒径及密度),每个时刻的取样与贯入阻力的测试位置都在底床沿波向的相同断面上,取样和贯入阻力测试位置与上一次位置相隔1~2 cm以保证测试位置的原状性。每次取样为一个点位,贯入阻力测试为两个点位,试验点位距离水槽边壁大于5 cm,以减少边壁效应对测试结果的影响(取样或微贯测试位置与时间见图 3表 2;具体试验情况参见文献[16])。

      图  3  液化过程中取样与贯入测试点分布

      Figure 3.  The positions of sampling and penetration resistance test during the liquefaction process

      表 2  试验中测试指标安排

      Table 2.  Test time and positions of test items

      测试指标 试验位置 测试或取样时间/min
      0 50 80 120 220
      贯入阻力 180 cm、220 cm
      含水量 200 cm
      黏粒含量 200 cm
      中值粒径 200 cm
      土体密度 200 cm
      注:试验位置为距底床左侧边界的距离。

      试验中观察到,施加波浪作用初期,平整底床表面部分土体颗粒开始悬浮于水中,少量粗颗粒贴着床面随波浪做往返运动,上覆水体下部开始变浑浊,几分钟后整个水体呈现出均一的淡褐色。因底床已固结7天,在试验条件下形成的波浪难以使土体发生液化。之后对平整底床进行人为扰动,扰动后平整底床区迅速发生液化,在波浪作用下液化深度快速增加到最大值(约40 cm),液化流动粉质土随波浪协调运动(此时抽取活动挡板,液化粉质土开始在斜坡底床上流动)。随着试验进行, 液化底边界逐渐清晰,60 min时液化底界面开始出现横向粗细相间的纹路,液化底界面开始不断上移。2 h后平整底床区表层尚有25 cm的液化土体处于运动状态,停止加波,底床开始固结。试验过程进度见表 3

      表 3  试验过程进度

      Table 3.  Testing schedule

      时间 现象 工作事项
      0 min 底床未液化 取样、测贯入阻力值、开始加波
      3 min 上覆水体基本呈均色,底床开始液化 人为扰动平整底床区
      8 min 液化深度到达最大值,约40 cm。 抽取活动挡板
      50 min 平整底床区液化粉质土随波浪协调运动,斜坡区流动粉质土逐渐成层沉积。 取样、测贯入阻力值
      60 min 平整底床区液化底界面逐渐清晰,并有粗细相间纹路出现,液化界面开始回返上升。
      80 min 平整底床区液化界面持续上升,再次沉积的底床出现沉积纹路。 取样、测贯入阻力值
      120 min 平整底床区尚有约25 cm深的液化土体。 取样、测贯入阻力值,停止加波
      220 min 底床处于再沉积固结状态 取样、测贯入阻力值
      注:在试验过程中的60 min以前为液化发展阶段,其后为液化沉积阶段。
    • 手持微型贯入仪的贯入阻力可以反映土体强度的变化。试验中各时刻贯入测试点有两个,取用两点同层位贯入阻力平均值来反映土体强度的变化,将各时刻各层位的阻力平均值沿深度方向做图,得到贯入阻力变化图(图 4)。

      图  4  贯入阻力变化

      Figure 4.  The variation in penetration resistance

      在0 min时刻所测为底床经过静置自重固结后的贯入阻力初始值,贯入值整体表现为随底床深度增加而逐渐增大的特点(在深度10 cm以下和深度25 cm以下出现有强度降低现象)。液化后50 min时的贯入值是液化发展阶段的测量值,沿深度上数据均很小,与初始值比较急剧降低。液化后80 min的贯入值是在60 min刚刚开始出现液化沉积后的测量值,表现出与液化发展阶段50 min是同样的测量结果。随着液化底界面在液化沉积阶段的不断上移,在100 min、120 min时刻,25 cm深度以下所测贯入值出现较明显的增加,而在25 cm深度层以上则依然处于液化发展阶段。220 min时刻的贯入阻力为停波100 min后液化沉积再固结过程中的测量值,在25 cm深度以下的数值明显增加,超过了测量的初始值(因为停波前尚有25 cm深度的底床依然处于液化运动状态,所以表现出以25 cm深度为分界,上部贯入阻力小于初始值,下部贯入阻力大于初始值的变化)。

    • (1) 含水量和密度的变化

      每时刻柱状样品由自制土体取样器取出,2 cm为一个样品单元(一个层位),按照土工试验规范进行样品含水量和密度的测定。将每时刻各深度层位上土样含水量和密度分别作图,并拟合趋势线,得到不同时刻土样含水量和密度随深度的变化情况如图 5图 6所示。

      图  5  底床土体含水量变化

      Figure 5.  Water content variation of test soil

      图  6  底床土体密度变化

      Figure 6.  Density variation of test soil

      图 5可知,各时刻的含水量趋势线斜率都为正值,说明含水量在每时刻沿深度方向上都具有逐渐减小的趋势。在停波前已分选再沉积的层位,试验后(220 min)含水量明显低于同层位初始值。由图 6可知,每时刻密度变化趋势线斜率均为负值,密度值具有随深度的增大逐渐增大的趋势。

      (2) 中值粒径与黏粒含量的变化

      波浪作用下,液化粉质土运动过程中颗粒会发生迁移分选,原来在深度上均匀的底床,在液化运动后,各深度层土体平均中值粒径和黏粒含量会发生变化。本文试验过程中0 min、80 min和220 min时刻取得的柱状土样同样以2 cm为一个样品单元(一个层位)进行颗分实验(筛分+比重计法),颗分实验中将每时刻的一个样品单元(一个层位)设为一组,每组有3个平行实验,以保证数据的准确性,共进行实验45组。每组实验中取3个平行实验的均值作为该单元的颗分数据值(若有异常数据将首先进行去除,剩余数据取均值)。将试验中平整底床区域0 min、80 min、220 min时刻中值粒径和黏粒含量数据沿深度方向做图,变化特征如图 7图 8所示(本文黏粒是粒径d ≤0.005 mm的土颗粒)。

      图  7  底床土体中值粒径变化

      Figure 7.  Median size variation of test soil

      图  8  底床土体黏粒含量变化

      Figure 8.  Clay content variation of test soil

      0 min时中值粒径为底床的初始值,沿深度基本一致。80 min时液化区底部已经再次沉积,未沉积的液化土体经过波浪分选中值粒径也发生变化,液化区底部中值粒径增大明显,上部中值粒径比初始值也有少许增幅,上部底床层位中,表层(约3 cm的厚度)中值粒径在15 cm以浅增幅最大。经过波浪分选再沉积,220 min时在4 cm和10 cm深度附近中值粒径值出现明显跳跃,12 cm以下深度中值粒径远大于同层位初始值,4~10 cm层中值粒径低于初始值,呈现黏粒富集。此时,表层中值粒径依旧远大于底床初始值,表层粒径在试验过程中逐渐粗化。

      0 min和80 min黏粒含量在22 cm以浅变化规律和量值基本一致,22 cm以下深度,80 min的黏粒含量较初始黏粒含量出现一定幅度减小。220 min的黏粒含量在深度6 cm和10 cm附近出现跳跃,6 cm以浅黏粒含量随深度的增加逐渐增大,6~10 cm层区段黏粒含量出现富集,大于初始底床黏粒含量值,10 cm以下黏粒含量均小于同层初始值,且24 cm以下黏粒含量减小速率明显。试验结束后,黏粒含量最低值出现在表层,约5%。8 cm以浅到表层黏粒含量急剧降低,其原因应是:表层振荡剧烈,黏粒析出更加容易所造成。

    • 粉质土底床液化后在波浪作用下,液化层会出现土体颗粒的分选现象,黏土颗粒将在孔隙水的携带下向上部运动,细砂和粉砂将逐渐下降,加上土体振荡导致的含水量和密度变化,将使液化层的性质发生改变。总体上可以将波浪作用下粉质土液化的过程分为液化发展和液化沉积两个过程,加上无波浪作用的静置阶段和后期停波后的土体固结阶段,可将整个试验分为4个阶段:静置固结段、液化发展段、液化沉积段以及沉积固结段。为给出粉质土液化层在各阶段的性质变化,将每时刻底床各层位贯入阻力、含水量、密度和黏粒含量等物理指标的平均值按试验发展的时间序列做图,其变化特征如图 9所示,各物理指标在15 cm、25 cm和30 cm三个层位的时间序列变化如图 10所示。

      图  9  测量指标平均值时间变化

      Figure 9.  The variation in average test index with time

      图  10  各深度层测试指标随时间变化

      Figure 10.  The variation in average test index in different depth with time

      图 9中可看出,经过静置固结底床土体具有一定的强度,贯入阻力值约为5 N,当发生液化后(进入液化发展段),固结土体转变成流动土体,强度急剧减小到0 N附近(大于0 N,流动状态的粉质土含有一定粘力),颗粒骨架支撑力几近消失,悬浮于水体中,含水量较静置固结段明显增加,单位体积土颗粒减少,密度随之减小。黏粒在液化发展阶段会随着孔隙水迁移,进入上覆水体中,水体逐渐变浑浊,底床中的黏粒含量相应减少。液化沉积阶段,底床液化土体经过持续的波浪作用,土颗粒发生分选,粗颗粒相对下移,黏粒不断向上迁移,下部的孔隙水不断被排出,液化土体逐渐粗化,液化底界面附近土颗粒之间的摩擦力增大,首先发生再沉积现象,且液化底界面开始上移。液化沉积段是从液化界面开始上移,到斜坡区流动停止的阶段。该段由于再沉积层厚度逐渐增加,以及液化粉质土持续分选,黏粒不断迁出,整体的土体强度、密度增大,含水量、黏粒含量逐渐减小。停波后,底床土体进入沉积固结段。排水固结后,底床土体更加密实,强度明显增大。最终,再沉积的土体强度值、密度值大于初始底床,含水量、黏粒含量低于初始底床。

      图 10为上述4个物理指标在各深度层位随时间的变化图,在时间序列上符合图 9中平均值的变化规律,同时表现出四个阶段各物理指标在深度层上响应快慢及幅度特征。在静置固结阶段,底床下部排水固结比上部充分,贯入阻力、含水量、密度呈明显的单调变化规律,黏粒含量迁移需要上部土层作为路径,底部含量最低,中间有少许的富集。液化发展段,粉质土处于液化流动状态,各物理指标在深度上差异不明显。液化沉积段,液化土体底部粉质土状态首先发生改变,再次沉积成固体,密度在32 cm层位上出现急剧增加现象,增加幅度明显大于15 cm和25 cm层位,25 cm层位增加幅度次之,黏粒含量、含水量在32 cm层位的减小值最大。随着试验的进行,液化界面逐渐上升,25 cm层位的物理指标变化幅度增大,在沉积固结段,25 cm层位以下已经再沉积的土层,由于分选排水固结更充分,底部的贯入阻力值、密度值高于上部土层对应指标值,含水量、黏粒含量则低于上部土层对应物理指标值。

    • 本文以粉质土作为底床开展波浪作用下土体液化的水槽试验,在底床液化发展阶段和液化沉积阶段,对底床土体进行贯入阻力、含水量、密度、中值粒径和黏粒含量的测定,得出试验结果:

      (1) 波浪作用下粉质土底床液化发展的过程中,土体强度急剧降低,含水量增加,密度减小,中值粒径增大,黏粒含量减少。在液化发展过程中液化层的土体颗粒有分选现象,黏土颗粒向上部析出,细砂粉砂向下沉降。

      (2) 由于液化层在液化过程中的振荡作用导致颗粒趋于密实和排水作用,在液化沉积(固结)阶段,液化层的强度增大,含水量减小,密度增大,中值粒径增大,黏粒含量减少。

参考文献 (16)

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