波浪作用下液化粉土流動特性拖球試驗研究

劉濤,崔逢,張美鑫

（1 .中國海洋大學環境科學與工程學院,山東青島266100；2 .山東省海洋環境地質工程重點實驗室,山東青島266100）

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波浪作用下液化粉土流動特性拖球試驗研究

劉濤1,2,崔逢1,張美鑫1

（1 .中國海洋大學環境科學與工程學院,山東青島266100；2 .山東省海洋環境地質工程重點實驗室,山東青島266100）

摘要:粉質土大量存在于黃河水下三角洲地區,粉土液化過程中具有類似流體的性質,可以把液化過程中的粉土視為黏性流體進行研究。基于流體力學中Stokes黏滯阻力原理,在波浪水槽試驗基礎上,設計了一套測量液化過程中粉土流變特性的拖球裝置,并對其實用性進行驗證。在鋪設有粉土底床的波浪水槽中埋入可以水平滑動的小球,通過拖動小球在粉土中水平運動,測量小球所受阻力值的大小,用以計算液化粉土表觀動力黏度。充分考慮試驗中波浪要素、超孔壓比等因素的影響。結果表明,該裝置能夠滿足試驗要求；波浪循環荷載作用下,觀察到了孔壓的累積至液化的過程；波浪參數對結果有較大影響,其中波高越大,表觀黏度值越小；同一波高情況下,表觀黏度隨時間緩慢增加；隨著超孔壓比的升高,波浪作用下粉土表觀黏度值逐漸減小。

關鍵詞:粉質土；液化；流體；拖球試驗

1 引言

黃河水下三角洲海床由入海沉積物快速堆積而成［1］,沉積過程中發育有塌陷凹坑、滑坡、粉砂流等地質災害,并可導致近海工程設施破壞、海底管線斷裂等嚴重后果［2］。前期研究認為該災害的發生主要與波浪循環荷載下粉質海床發生液化、強度降低有關。

對于液化土體的試驗研究,劉漢龍等［3］進行了大量砂土液化大變形的室內試驗,根據結果初步提出了一個反映砂土液化應力-應變關系的雙曲線模型,并且驗證得出該模型與試驗結果吻合較好。Sasaki等［4］利用振動臺進行了一系列試驗,對液化變形的發生機理進行研究,得到液化砂土與流體“非常類似”的結論。隨后,Towhata等［5］將液化砂土假設為流體,并進行了振動臺模擬試驗,根據試驗結果將液化土體的側向變形曲線假設為正弦函數曲線,依據最小勢能原理,得到了反應簡單地形條件下的液化表層位移的解析式。Nishimura等［6］將液化土體假設為黏性流體,采用三軸扭剪試驗來研究液化土的黏滯特性,利用試樣在高圍壓下固結,然后提高反壓,使得有效圍壓降低的方法,以低圍壓下的土體狀態來近似模擬土體的液化。陳育民等［7］發現在一定條件下,液化狀態砂土是一種“剪切稀化非牛頓流體”,可以用冪律方程來表示其本構關系（應力-應變率關系）,且液化砂土在“剪切稀化”狀態下能發生較大的應變。

綜上所述,雖然有眾多學者對于液化過程中土體的性狀研究開展了很多工作,但這些研究都局限于液化砂土,而對粉質土尤其是黃河口地區快速沉積物液化過程中性狀的研究較少,關于土體在波浪作用下行為特征的量化分析更是缺乏系統研究。因此,對現代黃河三角洲快速沉積物在波浪作用下液化過程中的性狀展開研究,不僅有利于了解液化粉土的工程特性,明確黃河口水下三角洲海底滑坡等地質災害的動力機制,而且能夠為海洋工程建設及極端水文情況下海洋地質災害評價及預警提供技術支持。

目前有關液化土體的研究多是將其視為具有黏性或塑性的連續介質,采用流體力學的方法進行的研究較少［3,7］。本文在總結前人試驗經驗和教訓的基礎上,引入流體力學的經典理論和實驗原理,開發了一套測量液化粉土流動特性的試驗裝置和試驗方法,并開展了相關的工作,為液化過程中粉土流動特性研究提供了試驗支持。

2 儀器設計與試驗過程

2 .1 試驗原理

本試驗裝置基于Stokes黏滯阻力原理。當固體小球以較小的速度在廣延的黏性流體中運動時,除了受到重力和浮力外,還受到一種阻力,此阻力E的大小與流體的黏度η、小球的半徑r0及小球的運動速度ν成正比［8—9］。

圖1所示的均勻黏性流體中小球運動問題,根據試驗原理,有公式:

式中,E為黏滯阻力,單位:N,η為黏度系數,單位: Pa·s,v為勻速運動小球的速度,單位:m/s；r0為小球半徑,單位:m。

圖1 Stokes黏滯阻力原理Eig .1 Stokes viscous principle

黏度是表示流體在流動過程中所產生的內部摩擦阻力的物理量,其數值越高,表明流動性越差［10］。

通過超孔壓比ru來描述土層液化狀態,超孔壓比的計算可以通過實測超孔壓值與上覆土層重量的對比獲得,從而確定液化的發生。

式中,ut為t時刻實測的超孔壓值,ul為上覆土層重量,通過土壓力計測量獲得。

2 .2 試驗用土

試驗所用土樣取自黃河口,其重度為19.0 k N/m3,土體天然含水率為25 %。對土樣進行烘干并分散后,嚴格按照《土工試驗規范》進行顆分試驗,得到級配曲線如圖2所示,根據顆分結果,該細粒土定名為粉土。測量得到土樣液限為20.1 % ,塑限為13.2 % ,塑性指數為6.9。

圖2 試驗粉土顆粒級配曲線Eig .2 Particle size distribution of silty soil

2 .3 試驗裝置設計

本試驗采用大型波浪水槽進行,水槽位于中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室,由中國船舶重工集團公司第七零二研究所設計并安裝。其中水槽尺寸14 m（L）×0.5 m（W）×1.3 m（H）；土槽位置處于水槽中間,尺寸2 m（L）×0.5 m（W）×0.5 m （H）,用于鋪設土床,具體尺寸見圖3。造波器位于水槽一端,由動力傳輸與變頻率控制系統組成,能夠制造規則波,通過改變頻率來控制造波板的擺動幅度,從而改變波浪的波要素,包括波高、波長、周期。尾端鋪設有碎石塊,并以1∶4的斜坡排列,用以消減波浪,減少反射波干擾。

結合波浪水槽尺寸,設計加工了測定流動土體黏度的拖球試驗裝置,如圖4所示。

在模型箱中架設支架,支架內側安放4個定滑輪,鋼絲繩穿過滑輪與小球連接。通過可以正反轉動的馬達拖動鋼絲繩,帶動小球在軌道上水平滑動,小球直徑20 m m,埋深9 cm；馬達轉速可調,并可自動轉向運動。鋼絲繩連接有拉力傳感器和加速度傳感器,分別用以測量小球運動的拉力與加速度；土層中布設土壓力傳感器和孔隙壓力傳感器,如圖5所示,分別用于測量總壓力和孔壓,其中深度D2與小球處于同一水平高度,深度D1位于小球上方7 cm處,深度D3位于小球下方7 cm處。

圖3 波浪水槽Eig .3 W ave flume

圖4 拖球裝置示意圖Eig .4 Test apparatus for draging ball method

圖5 傳感器布設示意圖Eig .5 Sensor layout

2 .4 試驗步驟

試驗前將土樣混合均勻,晾曬后碾碎、篩勻,以備泥漿制備。由于底床較大,需要較多的土樣,本次試驗使用了攪拌機,其在快速攪拌的同時也確保了制備土床的均一性。本次試驗一共制備了30桶漿體,每次都取一定式樣測定其含水率,見圖6,可以看出土樣的含水率在32 %左右。攪拌完成后,用順板滑塌方法分批移入水槽,其高度略高于模型海床上表面,自重作用下固結7 d。

圖6 土樣含水率Eig .6 M oisture content of silt samples

本次試驗水頭恒定高出海床面0.4 m,海床的厚度0.5 m,采用規則波加載。初始波高9.5 cm,調節波高進行另一組試驗,整個試驗包括3個不同波高下的3組試驗,如表1所示。

過程中可以觀察到粉土液化深度不斷增加,傳感器記錄了不同深度的孔壓在波浪作用下積累過程。當液化到達并超過小球所在深度,并能維持穩定后,打開電機,拖動小球進行試驗。小球運動約40 cm,每次拖動小球后間隔10 min進行下次拖動,防止反復拖動造成的周圍土體均勻性降低。

表1 不同試驗階段波浪數據Tab .1 W ave manufacture in different trials

3 結果分析與討論

3 .1 試驗阻力分析

本試驗裝置設計較為復雜,這使得拉力傳感器測到的值不僅有運動中小球所受阻力值,還包括試驗裝置中的構件摩擦阻力值,主要有:（1）鋼絲繩與滑輪之間的摩擦阻力；（2）鋼絲繩與粉土之間的摩擦阻力；（3）鋼絲繩與步進電機中軸接觸的摩擦阻力。這些誤差的存在造成了測量數據的不精確,為減小試驗誤差,首先要在滑輪、鋼絲繩上涂抹凡士林用于潤滑；其次需要定量測量阻力值大小,用沒有小球的裝置在相同試驗條件下進行測量,認為測量得到的阻力值就為試驗裝置的摩擦力,并且在試驗過程中保持不變。測量3次空拉阻力值見表2,可以認為阻力值恒為25 N。

表2 空拉阻力值Tab .2 The resistance value of dragging without ball

3.2 超孔隙水壓力發展規律

隨著波浪循環荷載的施加,土顆粒骨架有趨于緊密的趨勢,外荷載逐漸轉移到水體上去,使得水體處于受壓狀態。這樣使得土骨架內部的超孔壓上升以及有效應力降低［11—12］。在波浪作用不斷施加的情況下,孔壓會不斷增加而使得有效應力不斷減小,土的抗剪強度降低,液化現象產生［13］,其中深度D2處孔壓累積發展曲線見圖7,孔壓上升較迅速,且能維持穩定。

不同深度超孔壓隨試驗過程變化如圖8所示。試驗發現,在液化現象可以達到的深度里,隨著埋深增加,超孔壓值增大；且在相同深度下,超孔壓值隨波高增大呈不斷累積增長趨勢。比較3條曲線可以看出,埋深與波高對超孔壓值有較大的影響；其中埋深D1處,由于接近地表,波高變化對其超孔壓的累積影響較小；埋深D2、D3處,波高對超孔壓影響較大,影響程度隨深度增加而增大。傳感器埋設深度都處于液化可達深度范圍內,小球所處深度粉土在波浪作用下可以達到液化狀態。

圖7 埋深D2處孔壓歷時曲線Eig .7 Pore pressure time curve at the depth of D2

圖8 波浪作用下超孔隙水壓力變化Eig .8 Excess pore pressure under wave loading

試驗過程中隨著波浪作用施加,D1深度處超孔壓是先增加、后緩慢減小的。由于液化粉土的似流體性,產生與波浪運動一致的振蕩,細粒物質會從振蕩土層中的骨架中脫離進入水體中,并在土體表層形成一層以黏粒為主的絮凝狀沉積物,土體內部的細粒物質流失后,黏粒含量減少,土體粒徑粗化、滲透性增加,從而加快超孔壓消散,使得超孔壓值有所下降［14］。因此,土床表層隨著試驗進行,黏粒不斷脫離,液化能力不斷減弱,超孔壓呈減小趨勢。

D2和D3深度處,超孔壓隨波高增加明顯分為3個階段,分別對應波高9.5 cm、12 cm和15 cm 3種狀態。海床中各點孔壓累積現象基本同時發生,且超孔壓累積趨勢基本一致。波高增加,海床表面波壓力隨之增加,本次試驗波高較大,波壓力影響深度較大。

試驗過程中存在十分明顯的液化層與非液化層分隔帶,即滑動面,如圖9所示。通過有機玻璃可以明顯觀察到液化粉土隨波浪的左右滑動,非液化層則維持穩定。

圖9 滑動面Eig .9 Sliding surface

3 .3 液化過程中粉土黏度影響因素分析

H wang［8］總結了前人已開展的砂土液化流動試驗得到的表觀動力黏度值,見圖10。從圖中可以總結一下幾點:（1）通過類似拖球試驗得到的液化狀態下砂土表觀動力黏度數值上主要集中在1～11 kPa·s的范圍；（2）本次試驗得到的液化狀態下粉土表觀動力黏度能達到50～100 kPa·s,遠超過砂土。

液化粉土黏度影響因素的分析,首先對3個試驗階段數據進行對比,分析波浪要素對粉土黏度值的影響；其次通過計算得到超孔壓比,分析液化過程中表觀黏度隨超孔壓比的變化。

圖10 H wang等［8］總結前人對砂土黏度的研究Eig .10 Previous research on the viscosity of sand sum marized by H wang et al［8］

3 .3.1 波浪要素的影響

不同波高情況下的表觀動力黏度值見圖11。在同一波高下,隨波浪荷載施加,孔壓值達到穩定后,多次測量得到的表觀動力黏度數值差異性較小；隨著波高增大,表觀動力黏度降低,且趨勢十分明顯。在粉土液化過程中,即低有效應力狀態下,土-水處于半懸浮狀態,土體發生變形時會表現出類似流體的性質,即具有一定的黏度。波浪水槽中,隨著波高增加,造波器產生的波周期也隨即減小,施加于土床表面循環荷載作用力大小與頻率均增加。循環荷載作用力與頻率的增加,使得土體結構帶間膠結作用不斷減弱,黏聚力不斷減小,表現為表觀動力黏度的不斷減小。波高在9.5 cm時,狀態恒定后,經多次測量的表觀黏度值在94～104 kPa·s范圍內；波高在12 cm 時,表觀動力黏度值在80～90 kPa·s范圍內；波高在15 cm時,表觀動力黏度值在55～65 kPa·s范圍內。波高與表觀黏度呈現較好的線性關系。

圖11 波高與表觀動力黏度的關系Eig .11 The relationship between wave height and viscosity

相同波高情況下測得的表觀黏度值雖然差異較小,但仍呈現一定的規律性,測量時間約是每階段施加波浪荷載50 min后開始的,每次間隔10 min。

從圖12中可以看出,相同波高且孔壓值處于穩定的情況下,表觀黏度隨波浪荷載的施加仍會緩慢變化,其變化值較小,隨時間呈增加的趨勢。分析其原因,波浪施加初期孔壓升高,這使得土顆粒間的相互作用減弱,隨著時間推移土體在循環荷載下又會變得密實,土體結構帶間膠結作用在一定程度上有所增強,表現為黏度的增強。在不同波高的下一階段,土體又會同樣表現出黏度在總體程度上的降低,以及在相同波高下隨時間的緩慢增加。

3 .3.2 超孔壓比的影響

研究表明,粉土在超孔壓比達到0.68時,可以作為液化過程開始的標志［15］,本次試驗得到的超孔壓比皆大于0.75,可以認為液化現象已經發生。

圖12 同一波高情況下表觀動力黏度隨時間的變化Eig .12 Changes of viscosity along wave loading in the same wave height

超孔壓比與表觀動力黏度的擬合曲線見圖13。在超孔壓比分別為0.76～0.79、0.80～0.82和0.95 ～0.99三種狀態下,隨著超孔壓比的增大,表觀動力黏度逐漸減小,超孔壓比-表觀動力黏度曲線逐漸變緩,根據此過程,也可以認為粉土液化與液化后的狀態是一種漸變的過程,而不是突變的過程。根據變化趨勢推測,表觀動力黏度在粉土達到完全液化狀態并維持狀態穩定后,其數值也會達到恒定。

圖13 超孔壓比對表觀動力黏度的影響Eig .13 The relationship between excess pore pressure ratio and viscosity

在有效應力較小但未達到零的狀態下,雖然土-水尚處于半懸浮狀態,但超孔壓比的值已經很高,土體抵抗變形的能力就會降低,表現為表觀動力黏度的減小。階段三超孔壓比已經接近于1,此時可以認為土體在波浪荷載作用下達到了完全液化狀態,土-水處于懸浮狀態,表現為黏度值達到最小。

3 .4 誤差分析

（1）水槽的誤差:造波器只能產生一種波,波高較大時會造成波形破碎；水槽消波段相對較短,使得波高較大時對試驗有一定影響。

（2）傳感器的誤差:傳感器本身存在的誤差以及率定誤差,對結果有一定的影響。

4 結論

（1）本文基于波浪水槽試驗裝置,在總結前人經驗的基礎上,設計了一套可用于測量液化過程中粉土流動特性的拖球裝置。根據多次試驗結果發現,該裝置能夠完成預期的試驗目標,試驗結果可靠,且具有高效、便捷等特點,具有較強的實用性,可以為后續研究提供參考。

（2）在類似拖球試驗的土體流變特性測試中,粉質土的表觀黏度要遠大于砂土表觀黏度。

（3）水槽試驗中,波浪要素對試驗結果影響較大,其中隨著波高增大,表觀動力黏度逐漸減小；同一波高情況下,表觀動力黏度隨波浪時間有緩慢升高趨勢。

（4）表觀動力黏度隨著超孔壓比的升高而降低。此規律性進一步驗證了液化過程中粉土可以作為一種流體來進行研究。

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中圖分類號:P642.1；P731.22

文獻標志碼:A

文章編號:0253-4193（2016）03-0123-08

收稿日期:2015-04-17；

修訂日期:2015-06-08。

基金項目:國家自然科學基金資助項目（41202204,41427803）。

作者簡介:劉濤（1979—）,男,山東省高唐縣人,副教授,主要從事海洋工程地質和海底災害觀測等方面教學與科研工作。E-mail:ltmilan @ ouc . edu .cn

劉濤,崔逢,張美鑫.波浪作用下液化粉土流動特性拖球試驗研究［J］.海洋學報,2016,38（3）:123 - 130,doi:10.3969/j.issn . 0253-4193.2016.03.012

Liu Tao,Cui Eeng,Zhang M eixin . Dragging ball test on flow characteristics of liquefied silt under wave loading［J］. Haiyang Xuebao, 2016,38（3）:123 - 130,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.012

Dragging balltest on flow characteristics ofliquefied silt under wave loading

Liu Tao1,2,Cui Eeng1,Zhang M eixin1
（1 .Collegeof Environment Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China；2 .Shandong Provincal Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering,Qingdao 266100,China）

Abstract:Silty seabed exists widely in the Yellow River Subaqueous Delta . Liquefied silt has properties similar tofluid .It has found thatthe behavior ofliquefied silt can be simulated appropriately by modeling the liquefied silt as viscous fluid . According to the theory of Stokes Law,the test apparatus of flow characteristics of liquefied silt is developed based on the wave flu me tests . A steel sphere,embedded in the wave flu me,can be moved in the horizontal direction when the silt liquefaction occurs . Resistance force and velocity of the steel sphere are measured during sphere dragging,then apparent viscosity can be evaluated .Considering fully theinfection of wave parameters and excess pore pressure ratio in the tests . The resultsindicate thatthis apparatus can meetthe test requirements . It can be observed the processes of pressure buildup when itis forced by the cyclicloading of wave . W ave parameters have great influence on the results,apparent viscosity decreased as wave height increase . Apparent viscosity slowly enlarge with the passing oftime atthe same wave heights . Along with theincreasing of pore pressure ratio, the apparent viscosity of the liquefied silt apparently decreases .

Key words:silt；liquefaction；fluid；dragging ball test