波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究

刘涛,崔逢,张美鑫

（1 .中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100；2 .山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东青岛266100）



波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究

刘涛1,2,崔逢1,张美鑫1

（1 .中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100；2 .山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东青岛266100）

摘要:粉质土大量存在于黄河水下三角洲地区,粉土液化过程中具有类似流体的性质,可以把液化过程中的粉土视为黏性流体进行研究。基于流体力学中Stokes黏滞阻力原理,在波浪水槽试验基础上,设计了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球装置,并对其实用性进行验证。在铺设有粉土底床的波浪水槽中埋入可以水平滑动的小球,通过拖动小球在粉土中水平运动,测量小球所受阻力值的大小,用以计算液化粉土表观动力黏度。充分考虑试验中波浪要素、超孔压比等因素的影响。结果表明,该装置能够满足试验要求；波浪循环荷载作用下,观察到了孔压的累积至液化的过程；波浪参数对结果有较大影响,其中波高越大,表观黏度值越小；同一波高情况下,表观黏度随时间缓慢增加；随着超孔压比的升高,波浪作用下粉土表观黏度值逐渐减小。

关键词:粉质土；液化；流体；拖球试验

1 引言

黄河水下三角洲海床由入海沉积物快速堆积而成［1］,沉积过程中发育有塌陷凹坑、滑坡、粉砂流等地质灾害,并可导致近海工程设施破坏、海底管线断裂等严重后果［2］。前期研究认为该灾害的发生主要与波浪循环荷载下粉质海床发生液化、强度降低有关。

对于液化土体的试验研究,刘汉龙等［3］进行了大量砂土液化大变形的室内试验,根据结果初步提出了一个反映砂土液化应力-应变关系的双曲线模型,并且验证得出该模型与试验结果吻合较好。Sasaki等［4］利用振动台进行了一系列试验,对液化变形的发生机理进行研究,得到液化砂土与流体“非常类似”的结论。随后,Towhata等［5］将液化砂土假设为流体,并进行了振动台模拟试验,根据试验结果将液化土体的侧向变形曲线假设为正弦函数曲线,依据最小势能原理,得到了反应简单地形条件下的液化表层位移的解析式。Nishimura等［6］将液化土体假设为黏性流体,采用三轴扭剪试验来研究液化土的黏滞特性,利用试样在高围压下固结,然后提高反压,使得有效围压降低的方法,以低围压下的土体状态来近似模拟土体的液化。陈育民等［7］发现在一定条件下,液化状态砂土是一种“剪切稀化非牛顿流体”,可以用幂律方程来表示其本构关系（应力-应变率关系）,且液化砂土在“剪切稀化”状态下能发生较大的应变。

综上所述,虽然有众多学者对于液化过程中土体的性状研究开展了很多工作,但这些研究都局限于液化砂土,而对粉质土尤其是黄河口地区快速沉积物液化过程中性状的研究较少,关于土体在波浪作用下行为特征的量化分析更是缺乏系统研究。因此,对现代黄河三角洲快速沉积物在波浪作用下液化过程中的性状展开研究,不仅有利于了解液化粉土的工程特性,明确黄河口水下三角洲海底滑坡等地质灾害的动力机制,而且能够为海洋工程建设及极端水文情况下海洋地质灾害评价及预警提供技术支持。

目前有关液化土体的研究多是将其视为具有黏性或塑性的连续介质,采用流体力学的方法进行的研究较少［3,7］。本文在总结前人试验经验和教训的基础上,引入流体力学的经典理论和实验原理,开发了一套测量液化粉土流动特性的试验装置和试验方法,并开展了相关的工作,为液化过程中粉土流动特性研究提供了试验支持。

2 仪器设计与试验过程

2 .1 试验原理

本试验装置基于Stokes黏滞阻力原理。当固体小球以较小的速度在广延的黏性流体中运动时,除了受到重力和浮力外,还受到一种阻力,此阻力E的大小与流体的黏度η、小球的半径r0及小球的运动速度ν成正比［8—9］。

图1所示的均匀黏性流体中小球运动问题,根据试验原理,有公式:

式中,E为黏滞阻力,单位:N,η为黏度系数,单位: Pa·s,v为匀速运动小球的速度,单位:m/s；r0为小球半径,单位:m。

图1 Stokes黏滞阻力原理Eig .1 Stokes viscous principle

黏度是表示流体在流动过程中所产生的内部摩擦阻力的物理量,其数值越高,表明流动性越差［10］。

通过超孔压比ru来描述土层液化状态,超孔压比的计算可以通过实测超孔压值与上覆土层重量的对比获得,从而确定液化的发生。

式中,ut为t时刻实测的超孔压值,ul为上覆土层重量,通过土压力计测量获得。

2 .2 试验用土

试验所用土样取自黄河口,其重度为19.0 k N/m3,土体天然含水率为25 %。对土样进行烘干并分散后,严格按照《土工试验规范》进行颗分试验,得到级配曲线如图2所示,根据颗分结果,该细粒土定名为粉土。测量得到土样液限为20.1 % ,塑限为13.2 % ,塑性指数为6.9。

图2 试验粉土颗粒级配曲线Eig .2 Particle size distribution of silty soil

2 .3 试验装置设计

本试验采用大型波浪水槽进行,水槽位于中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,由中国船舶重工集团公司第七零二研究所设计并安装。其中水槽尺寸14 m（L）×0.5 m（W）×1.3 m（H）；土槽位置处于水槽中间,尺寸2 m（L）×0.5 m（W）×0.5 m （H）,用于铺设土床,具体尺寸见图3。造波器位于水槽一端,由动力传输与变频率控制系统组成,能够制造规则波,通过改变频率来控制造波板的摆动幅度,从而改变波浪的波要素,包括波高、波长、周期。尾端铺设有碎石块,并以1∶4的斜坡排列,用以消减波浪,减少反射波干扰。

结合波浪水槽尺寸,设计加工了测定流动土体黏度的拖球试验装置,如图4所示。

在模型箱中架设支架,支架内侧安放4个定滑轮,钢丝绳穿过滑轮与小球连接。通过可以正反转动的马达拖动钢丝绳,带动小球在轨道上水平滑动,小球直径20 m m,埋深9 cm；马达转速可调,并可自动转向运动。钢丝绳连接有拉力传感器和加速度传感器,分别用以测量小球运动的拉力与加速度；土层中布设土压力传感器和孔隙压力传感器,如图5所示,分别用于测量总压力和孔压,其中深度D2与小球处于同一水平高度,深度D1位于小球上方7 cm处,深度D3位于小球下方7 cm处。

图3 波浪水槽Eig .3 W ave flume

图4 拖球装置示意图Eig .4 Test apparatus for draging ball method

图5 传感器布设示意图Eig .5 Sensor layout

2 .4 试验步骤

试验前将土样混合均匀,晾晒后碾碎、筛匀,以备泥浆制备。由于底床较大,需要较多的土样,本次试验使用了搅拌机,其在快速搅拌的同时也确保了制备土床的均一性。本次试验一共制备了30桶浆体,每次都取一定式样测定其含水率,见图6,可以看出土样的含水率在32 %左右。搅拌完成后,用顺板滑塌方法分批移入水槽,其高度略高于模型海床上表面,自重作用下固结7 d。

图6 土样含水率Eig .6 M oisture content of silt samples

本次试验水头恒定高出海床面0.4 m,海床的厚度0.5 m,采用规则波加载。初始波高9.5 cm,调节波高进行另一组试验,整个试验包括3个不同波高下的3组试验,如表1所示。

过程中可以观察到粉土液化深度不断增加,传感器记录了不同深度的孔压在波浪作用下积累过程。当液化到达并超过小球所在深度,并能维持稳定后,打开电机,拖动小球进行试验。小球运动约40 cm,每次拖动小球后间隔10 min进行下次拖动,防止反复拖动造成的周围土体均匀性降低。

表1 不同试验阶段波浪数据Tab .1 W ave manufacture in different trials

3 结果分析与讨论

3 .1 试验阻力分析

本试验装置设计较为复杂,这使得拉力传感器测到的值不仅有运动中小球所受阻力值,还包括试验装置中的构件摩擦阻力值,主要有:（1）钢丝绳与滑轮之间的摩擦阻力；（2）钢丝绳与粉土之间的摩擦阻力；（3）钢丝绳与步进电机中轴接触的摩擦阻力。这些误差的存在造成了测量数据的不精确,为减小试验误差,首先要在滑轮、钢丝绳上涂抹凡士林用于润滑；其次需要定量测量阻力值大小,用没有小球的装置在相同试验条件下进行测量,认为测量得到的阻力值就为试验装置的摩擦力,并且在试验过程中保持不变。测量3次空拉阻力值见表2,可以认为阻力值恒为25 N。

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

3.2 超孔隙水压力发展规律

随着波浪循环荷载的施加,土颗粒骨架有趋于紧密的趋势,外荷载逐渐转移到水体上去,使得水体处于受压状态。这样使得土骨架内部的超孔压上升以及有效应力降低［11—12］。在波浪作用不断施加的情况下,孔压会不断增加而使得有效应力不断减小,土的抗剪强度降低,液化现象产生［13］,其中深度D2处孔压累积发展曲线见图7,孔压上升较迅速,且能维持稳定。

不同深度超孔压随试验过程变化如图8所示。试验发现,在液化现象可以达到的深度里,随着埋深增加,超孔压值增大；且在相同深度下,超孔压值随波高增大呈不断累积增长趋势。比较3条曲线可以看出,埋深与波高对超孔压值有较大的影响；其中埋深D1处,由于接近地表,波高变化对其超孔压的累积影响较小；埋深D2、D3处,波高对超孔压影响较大,影响程度随深度增加而增大。传感器埋设深度都处于液化可达深度范围内,小球所处深度粉土在波浪作用下可以达到液化状态。

图7 埋深D2处孔压历时曲线Eig .7 Pore pressure time curve at the depth of D2

图8 波浪作用下超孔隙水压力变化Eig .8 Excess pore pressure under wave loading

试验过程中随着波浪作用施加,D1深度处超孔压是先增加、后缓慢减小的。由于液化粉土的似流体性,产生与波浪运动一致的振荡,细粒物质会从振荡土层中的骨架中脱离进入水体中,并在土体表层形成一层以黏粒为主的絮凝状沉积物,土体内部的细粒物质流失后,黏粒含量减少,土体粒径粗化、渗透性增加,从而加快超孔压消散,使得超孔压值有所下降［14］。因此,土床表层随着试验进行,黏粒不断脱离,液化能力不断减弱,超孔压呈减小趋势。

D2和D3深度处,超孔压随波高增加明显分为3个阶段,分别对应波高9.5 cm、12 cm和15 cm 3种状态。海床中各点孔压累积现象基本同时发生,且超孔压累积趋势基本一致。波高增加,海床表面波压力随之增加,本次试验波高较大,波压力影响深度较大。

试验过程中存在十分明显的液化层与非液化层分隔带,即滑动面,如图9所示。通过有机玻璃可以明显观察到液化粉土随波浪的左右滑动,非液化层则维持稳定。

图9 滑动面Eig .9 Sliding surface

3 .3 液化过程中粉土黏度影响因素分析

H wang［8］总结了前人已开展的砂土液化流动试验得到的表观动力黏度值,见图10。从图中可以总结一下几点:（1）通过类似拖球试验得到的液化状态下砂土表观动力黏度数值上主要集中在1～11 kPa·s的范围；（2）本次试验得到的液化状态下粉土表观动力黏度能达到50～100 kPa·s,远超过砂土。

液化粉土黏度影响因素的分析,首先对3个试验阶段数据进行对比,分析波浪要素对粉土黏度值的影响；其次通过计算得到超孔压比,分析液化过程中表观黏度随超孔压比的变化。

图10 H wang等［8］总结前人对砂土黏度的研究Eig .10 Previous research on the viscosity of sand sum marized by H wang et al［8］

3 .3.1 波浪要素的影响

不同波高情况下的表观动力黏度值见图11。在同一波高下,随波浪荷载施加,孔压值达到稳定后,多次测量得到的表观动力黏度数值差异性较小；随着波高增大,表观动力黏度降低,且趋势十分明显。在粉土液化过程中,即低有效应力状态下,土-水处于半悬浮状态,土体发生变形时会表现出类似流体的性质,即具有一定的黏度。波浪水槽中,随着波高增加,造波器产生的波周期也随即减小,施加于土床表面循环荷载作用力大小与频率均增加。循环荷载作用力与频率的增加,使得土体结构带间胶结作用不断减弱,黏聚力不断减小,表现为表观动力黏度的不断减小。波高在9.5 cm时,状态恒定后,经多次测量的表观黏度值在94～104 kPa·s范围内；波高在12 cm 时,表观动力黏度值在80～90 kPa·s范围内；波高在15 cm时,表观动力黏度值在55～65 kPa·s范围内。波高与表观黏度呈现较好的线性关系。

图11 波高与表观动力黏度的关系Eig .11 The relationship between wave height and viscosity

相同波高情况下测得的表观黏度值虽然差异较小,但仍呈现一定的规律性,测量时间约是每阶段施加波浪荷载50 min后开始的,每次间隔10 min。

从图12中可以看出,相同波高且孔压值处于稳定的情况下,表观黏度随波浪荷载的施加仍会缓慢变化,其变化值较小,随时间呈增加的趋势。分析其原因,波浪施加初期孔压升高,这使得土颗粒间的相互作用减弱,随着时间推移土体在循环荷载下又会变得密实,土体结构带间胶结作用在一定程度上有所增强,表现为黏度的增强。在不同波高的下一阶段,土体又会同样表现出黏度在总体程度上的降低,以及在相同波高下随时间的缓慢增加。

3 .3.2 超孔压比的影响

研究表明,粉土在超孔压比达到0.68时,可以作为液化过程开始的标志［15］,本次试验得到的超孔压比皆大于0.75,可以认为液化现象已经发生。

图12 同一波高情况下表观动力黏度随时间的变化Eig .12 Changes of viscosity along wave loading in the same wave height

超孔压比与表观动力黏度的拟合曲线见图13。在超孔压比分别为0.76～0.79、0.80～0.82和0.95 ～0.99三种状态下,随着超孔压比的增大,表观动力黏度逐渐减小,超孔压比-表观动力黏度曲线逐渐变缓,根据此过程,也可以认为粉土液化与液化后的状态是一种渐变的过程,而不是突变的过程。根据变化趋势推测,表观动力黏度在粉土达到完全液化状态并维持状态稳定后,其数值也会达到恒定。

图13 超孔压比对表观动力黏度的影响Eig .13 The relationship between excess pore pressure ratio and viscosity

在有效应力较小但未达到零的状态下,虽然土-水尚处于半悬浮状态,但超孔压比的值已经很高,土体抵抗变形的能力就会降低,表现为表观动力黏度的减小。阶段三超孔压比已经接近于1,此时可以认为土体在波浪荷载作用下达到了完全液化状态,土-水处于悬浮状态,表现为黏度值达到最小。

3 .4 误差分析

（1）水槽的误差:造波器只能产生一种波,波高较大时会造成波形破碎；水槽消波段相对较短,使得波高较大时对试验有一定影响。

（2）传感器的误差:传感器本身存在的误差以及率定误差,对结果有一定的影响。

4 结论

（1）本文基于波浪水槽试验装置,在总结前人经验的基础上,设计了一套可用于测量液化过程中粉土流动特性的拖球装置。根据多次试验结果发现,该装置能够完成预期的试验目标,试验结果可靠,且具有高效、便捷等特点,具有较强的实用性,可以为后续研究提供参考。

（2）在类似拖球试验的土体流变特性测试中,粉质土的表观黏度要远大于砂土表观黏度。

（3）水槽试验中,波浪要素对试验结果影响较大,其中随着波高增大,表观动力黏度逐渐减小；同一波高情况下,表观动力黏度随波浪时间有缓慢升高趋势。

（4）表观动力黏度随着超孔压比的升高而降低。此规律性进一步验证了液化过程中粉土可以作为一种流体来进行研究。

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中图分类号:P642.1；P731.22

文献标志码:A

文章编号:0253-4193（2016）03-0123-08

收稿日期:2015-04-17；

修订日期:2015-06-08。

基金项目:国家自然科学基金资助项目（41202204,41427803）。

作者简介:刘涛（1979—）,男,山东省高唐县人,副教授,主要从事海洋工程地质和海底灾害观测等方面教学与科研工作。E-mail:ltmilan @ ouc . edu .cn

刘涛,崔逢,张美鑫.波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究［J］.海洋学报,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