波浪引起海床內部孔隙遷移試驗研究?

崔錫欽， 董文彬， 臧文坤， 徐 宙， 徐曉飛， 陶 威??

(1.青島市勘察測繪研究院， 山東 青島 266100； 2. 青島啟誠環境科技有限公司， 山東 青島 266100； 3. 中交海洋建設開發有限公司， 天津 濱海新區 300457； 4. 青島市嶗山區農業農村局， 山東 青島 266100)

海底土體中存在著大量的淺層氣。中國黃河泥沙中平均有機質含量為0.79%，其中可生物降解部分占總有機質的1%～3%[1]，在有氧條件下降解產生二氧化碳，而厭氧條件下則產生甲烷、硫化氫等氣體。海底淺層氣的存在及遷移可能導致全球變暖、海洋工程風險以及海洋地質災害。

Sills和Wheeler[2]在1992年提出了海洋含氣土體中氣體的存在形式，即溶解氣、孤立的氣泡和氣水化合物三種。其中溶解氣孔隙流體具有高壓縮性，對海床的工程特性的影像觀測影響較大；孤立的氣泡對土層的影響不顯著，而氣水化合物融化時才會對海床工程造成威脅。Dusseault[3]通過提出描述含氣土的變形特性的非線性彈性本構模型，研究了含氣土的不排水體積應力變化特性；Grozic等[4]則在劍橋模型的基礎上發展了一個考慮氣相的本構模型，通過此模型來描述在不排水條件下含氣粘土的變形特征。

海底淺層氣的存在會顯著影響土體的物理力學性質[5-6]。Chaney[7]和Yoshimi等[8]指出，當土體內氣體飽和度由100%降低至90%時，土體液化阻力將降低一半。土體中氣體存在將導致孔隙水彈性模量的顯著降低[9]并增加孔隙水壓力梯度，進而引起海床瞬態液化[10]，但土體中飽和度減小將增加土的抗液化強度。Martin等[11]認為，砂土中飽和度降低1%將導致每循環中孔隙水壓力增加量減少28%。Yang等[12]認為，飽和度1%的減少量將使超孔壓比由0.6降低至0.15。氣體的存在對海床土的不排水抗剪強度具有較大影響，其含量越大,土體剪切帶的強度就越小[13]。

海床土體中自由氣體的存在對海床土體工程性質以及波浪在海床中的傳播均有影響。在軟土區的工程建設中常出現因海床中的自由氣體引發的巖土工程問題，嚴重時甚至釀成重大災害[14-16]。氣體存在將增加海床液化的可能性，進而導致海底滑坡的發生。在密西西比河的松軟三角洲地區，氣體是降低土體抗剪強度進而導致海床失穩的主要原因[17]。而海床土體中自由氣體的運移釋放過程也會導致工程設施破壞、井噴甚至燃爆，造成嚴重工程事故[18-19]。對于海洋地質過程，海床土體中自由氣體的遷移釋放可以形成麻坑、氣煙囪、類泥火山構造等災害性地質構造[20-21]，以致誘發海床塌陷、海底滑坡等地質災害[22]。

此外，海床土體中自由氣體的存在及遷移可能導致全球變暖、海洋工程風險以及海洋地質災害。CH4作為僅次于CO2的第二大溫室氣體，其吸熱能力是CO2的28～34倍，而每年從海底釋放到大氣的CH4占到全球CH4排放量的1%～13%[23]，因此海床土體中自由氣體的遷移釋放很大程度上影響著全球變暖的趨勢。因此，了解海床土體中自由氣體的存在及運移機理并研究相應的原位監測手段具有重要意義。

近年來的研究發現，土體在動荷載作用過程中除孔隙水壓力升高外還經常伴隨著孔隙的重新分布。隨著動力荷載引起的累積孔隙水向上流動，底部的土層越來越密實，強度增加而上部土層強度則減小。孔隙水的流動使得土層內的孔隙發生改變，由于海洋土的非飽和特性及波浪動力特性，波浪荷載引起的瞬態孔隙水壓力和累積孔隙水壓力以及剪切等同樣能夠引起海床內部氣體的運移。毛細侵入和劈裂侵入是氣體在海底土體中遷移的兩種模式，其主要控制因素是土體顆粒的尺寸和有效應力[24-26]。對于氣體沿裂縫通道遷移，許多觀測結果和實驗研究表明，這種氣體遷移模式具有周期性特征[27-29]。目前的實驗研究表明，土體的起裂壓力受到諸多因素控制，如土體初始應力條件、強度、剛度、固結條件等，氣體壓力及土體局部非均質性等[30]。

海床中存在的氣體會使海床產生孔隙，在動荷載作用下，壓力梯度發生改變，氣體會發生遷移，會產生新的孔隙，而原先失去氣體的孔隙便會被壓實填充，進而消失，因此孔隙的遷移其實質就是孔隙內氣體的遷移。為此，本文通過水槽試驗以觀察孔隙遷移的方式來研究氣體在波浪作用下的運移規律。

1 實驗材料與方法

1.1 波浪荷載

鑒于海床中累積孔隙水壓力變化是由波致剪應力引起，且波節處剪應力最大，本文擬采用駐波荷載施加于海床上。實驗裝置為方形水槽，為在水槽中間部位獲得最大剪應力，本文采用波長等于水槽長度一半的駐波。

為了能夠讓水槽內產生波浪，在水槽一側利用直徑為10 cm，長為40 cm的空心圓柱在水面上振動產生第一個水波(見圖1(a))。當第一個水波傳播到水槽另一側形成反射向相反方向傳播時，第二個波開始產生，這樣兩個波在水槽中間相遇并迭加(見圖1(c))，然后兩個波繼續向各自的方向前進，并同時遇到水槽側壁形成反射波。當第一個水波位于空心圓柱處時，以水波的頻率振動圓柱以增加水波的振幅或補充水波在傳播過程中損失的能量(見圖1(e))。經過一段時間，第二個水波經過水槽側壁的反射后又與第一個水波在水槽的中間位置相遇，然后分離并在圓柱處獲得能量的補充。這樣不斷循環就在水槽內形成了一個一定頻率水波。當水槽的長度較小時，水波從一個側壁傳播到另一側壁的時間也減小，這樣兩個水波在水槽內迭加在一起，形成駐波，因此試驗中只能在水槽中看到圖1(e)和圖1(f)的波形。

圖1 水槽中波浪生成過程示意圖

1.2 試驗流程

試驗土樣取自于黃河三角洲埕島地區，制備方法如下：取粉土樣，加水用攪拌機充分攪拌至含水率接近40%，然后將土樣轉移到玻璃水槽中直到厚度達到45 cm，同時，將孔壓探頭分別放在波峰作用點下(水槽中部)，深度分別為0、20、35和40 cm，然后慢慢向水槽中注水，當清水層厚30 cm時停止加水。如此制備的土樣中含有一定量的氣體,但考慮到本實驗主要用于觀察試樣中孔隙運移，因此無需對土樣進行真空飽和。當土樣制備完靜止一段時間，我們發現海床表面分布著不斷噴發的類泥火山構造(見圖2)。

圖2 試樣制備完成后土床表層的類泥火山構造

隨后進行試驗(見圖3)。控制造波器使之保持產生周期0.9 s、高度為15～20 cm左右的波浪，每天持續作用60～80 min，連續作用5天后，將上層清水取出，取出土樣觀察其內部孔隙變化。

圖3 水槽試驗模型示意圖

2 試驗結果

2.1 水夾層與懸浮層的形成

水夾層的形成是通過水槽外側的玻璃觀測，在波浪的作用下，實驗初期土體變形較小，土體的變形幾乎表現為彈性體；20 min后，上層15 cm厚的土層呈現波形振蕩，其頻率和相位與水波的頻率及相位一致。同時在水槽的中間位置出現了裂隙(見圖4(a))，該裂隙長度達到20 cm，厚度最大為3 cm，內部被水所填充，該裂隙為水夾層的典型特征。在第二次實驗過程中(見圖4(b)、(c))，水夾層內的水逐漸被土顆粒所取代，形成懸浮層。從顏色上可以看出夾層內土顆粒的顏色幾乎與土床表層粘粒土的顏色一致，因此可以判斷該夾層內的填充物具有很高的粘粒含量。

與水夾層同時出現的還有“W”形的滑動面(見圖4(a))，該滑動面在水槽中間和兩邊位置較高，而在水槽兩邊各1/4處則較低。從玻璃表面可以看到這條滑動面的顏色較深，有明顯的滑動跡象，水夾層就位于滑動面內。在第二次的試驗中在原先滑動面的上方生成新的滑動面(見圖4(b)、(c))，新滑動面上部土體依然發生振動，老滑動面不再滑動。

圖4 水夾層發展過程

2.2 孔隙水壓力變化

海床中波浪產生的循環剪應力能引起海床內超孔隙水壓力累積，這是富含氣泡的海床土中氣泡運移及重新分布的動力，因此孔隙水壓力觀測是掌握海床氣體運移的重要手段。試驗中水槽內埋設的孔隙水壓力傳感器很好地記錄了土體中孔隙水壓力的變化。

圖5為連續5天內荷載作用時間內波浪作用下土床內超孔隙水壓力變化規律。土床表層的孔隙水壓力探頭記錄了海床表面的波動現象，表現為孔隙水壓力在0點上下波動。可以看出，5天內作用的波壓力幅值隨著時間而逐漸增加，表明土床的剛度越來越大。

圖5 孔隙水壓力發展歷時曲線

在第1天的荷載作用過程中，孔隙水壓力隨著荷載作用時間而緩慢增加，但作用到10 min后，40 cm處的孔隙水壓力出現震蕩性的波動，并在此過程中緩慢降低至0，說明土層底部與表層形成了貫通。從第2天開始，施加荷載作用過程中孔隙水壓力迅速升高，并達到穩定值，且孔隙水壓力探頭埋置越淺，則孔隙水壓力發展速率越快。第5天時土床內的孔隙水壓力由第2天的1.5 kPa降低至0.3 kPa。從連續5天內孔隙水壓力的累積現象可以看出，第1天加載時土床內的土較為松軟，強度較低容易產生滲流破壞，因此能夠輕易形成水夾層現象。通過第1天的振動作用后土床內土的密實度逐漸增加，導致孔隙水壓力雖然產生累積但土層內部相對穩定。

2.3 土體內氣泡分布

實驗后取出滑動層的土樣，并進行了觀察。土樣內存在大量的氣泡，但分布極不均勻。圖6為水槽一端附近的取樣剖面照片。從圖中可以看出，氣泡在沿深度分布極為不均勻，滑動面處氣泡密度較高，而非滑動面處氣泡數量明顯減少。

圖6 海床剖面氣泡分布情況

水槽總長120 cm，在距離左邊壁115 cm處深度3～4 cm和8～10 cm兩個土體滑動面所在深度上，孔隙的數量在100個以上，而其它深度范圍內的孔洞數量不到30個。在距離左邊壁100～110 cm處土樣內的氣泡則呈多層傾斜帶狀分布，這些氣泡帶與水平面夾角在30°～40°內，并且越接近土樣表層，傾角越小，這正與滑動面的分布完全一致。滑動面的部分氣泡內壁因為飽水比較光滑，而另外一部分內壁則相對比較粗糙，并且有顆粒物散落在孔洞內，這可能是由于土體的振動導致孔洞內壁上的顆粒物質脫落堆積于孔洞內。

圖7 滑動面氣泡分布情況

3 討論

氣體不僅能夠改變土體性質而且可以在其內部遷移。近年來的研究發現，土體在動荷載作用過程中除孔隙水壓力升高外還經常伴隨著孔隙的重新分布[31-33]。這種孔隙分布由孔隙水壓力梯度引起，隨著動力荷載引起的孔隙水向上流動，底部的土層密實強度增加而上部土層密實強度減小。孔隙水的流動使得土層內的孔隙發生改變，土體的獨立氣泡的運移過程受控于外界荷載與土體的狀態，其動力主要是孔隙水的壓力梯度[24-26]。當土體較為松軟時，在由外界動力荷載作用導致的土體內部孔隙水壓力梯度增加和孔隙內部的氣泡提供上浮力的共同作用下，氣體突破土體的瞬時強度，產生一定量的運移。在滑動面上氣體受到的阻力顯著降低，因此更容易產生運移。這也是本試驗能夠在滑動面附近看到水夾層以及大量氣泡的原因。

與海底麻坑形成機理是氣體壓力突破土體強度相似[34-35]，波浪荷載作用產生的孔隙遷移過程也涉及到土體的強度問題[25-26,29]，但由于低含量氣體靠自身的浮力無法突破土體自身強度，需借助于波浪荷載產生的累積孔隙水壓力以及剪切應力來降低并克服土體強度，從而使孔隙能夠產生緩慢遷移。因此除外界荷載外，土體密實度也是影響孔隙遷移的重要因素。松軟土體相比于密實土體，更容易累積孔隙水壓力并產生破壞。

孔隙運移的結果將導致兩方面的影響。首先孔隙運移將導致土體力學性質發生重要改變，與固結導致的土體均勻變形不同，含氣泡的孔隙運移導致部分土體更加密實，而另外一部分土體則更加松軟。當大量含氣孔隙運移并集中時可能會在土體中形成一個氣囊，對工程建設產生不利影響。

4 結論

為研究波浪荷載作用下土體內部孔隙運移過程，本文通過室內方形水槽開展了波浪荷載對孔隙遷移過程影響試驗研究，并取得以下結論。

(1)對于松軟土體，波浪荷載會導致土體發生剪切破壞形成滑動層，而孔隙水則會在累積孔壓作用下沿著滑動層形成的孔隙發生遷移。

(2)波浪荷載導致土體內部孔隙遷移，其遷移過程受外界荷載以及土體性質影響顯著。

(3)含氣泡的孔隙會在波浪循環荷載過程中的負壓作用和氣體自身浮力作用的共同影響下發生遷移，循環荷載中的負壓作用越強，含氣泡的孔隙越容易發生遷移。

(4)孔隙向上遷移后會導致底部土體的密實度增加，上方土體的密實度下降。

(5)土體的松軟程度會影響滑動面的形成，越松軟的土體越容易形成滑動面。相比于密實土體,孔隙在滑動面中更容易發生遷移。