循环荷载下粉土液化流动特性拖球试验研究

基于流体力学中的Stokes黏滞阻力理论,以振动台试验为基础,开发了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球试验装置。在铺有粉土海床的模型箱内埋设光滑小球,通过测量小球水平运动过程中所受阻力值的大小,计算粉土液化的表观动力黏度,分析粉土液化过程中的表观动力黏度与超孔压比之间的关系,以及液化后表观黏度与应变率的变化规律。试验结果表明,振动台试验下,孔隙压力表现为迅速上升,粉土迅速达到液化状态;振动过程对海床固结影响较大;粉土海床在未达到完全液化状态时（ru<1）,表观黏度随超孔压比增大而减小,在液化状态下（ru=1）,剪应力随应变率增大而减小,粉土呈现出剪切稀化的特点,为典型的非牛顿流体特征。     

波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究

波浪作用下粉质土海床的液化是影响海上平台、海底管线等海洋构筑物安全的灾害之一。在进行构筑物设计中应考虑海床液化的深度问题,而液化土体对下部海床的界面波压力是计算海床孔隙水压力增长以及液化深度的重要参量。本文基于波致粉土海床自上而下的渐进液化模式,利用双层流体波动理论,推导了考虑海床土体黏性的海床界面波压力表达式,并与不考虑黏性时的界面波压力进行了比较分析。结果表明,计算液化后土体界面波压力时,是否考虑液化土体的黏性对结果影响较大,进而可能影响粉质土海床液化深度的确定。     

波浪作用下黄河三角洲海底粉土液化特征对比研究

作为一种常见的近海海底灾害地质现象,波致海床液化严重威胁着黄河三角洲地区海底工程设施的安全。粉质海床液化后,海底粉土的结构、物理和力学性质均发生了改变,研究该变化规律尤其是评估液化后海底粉土再次发生液化的可能性具有重要的理论意义和应用价值。本文利用室内动三轴仪对取自黄河三角洲已液化和未液化海底粉土开展了液化试验对比研究,讨论了已液化和未液化海底粉土在孔压增长模式和轴向动应变发展趋势方面的异同,对比分析了二者的液化势。研究结果表明：应变标准比孔压标准更适用于评估黄河三角洲地区海底粉土的液化势;孔压和动应变发展模式均表明与未液化粉土相比,已液化海底粉土再次发生液化的抗力有所提高;已液化和未液化海底粉土归一化孔压比u_d/σ₃与循环加载次数比N/N_f间相关关系可采用双曲线或指数函数模型进行定量化描述;未液化海底粉土的波致液化临界循环应力比约为0.20,已液化海底粉土的临界循环应力比约为0.35。研究成果有助于加深对海底粉土波致液化特性的认识,亦可为循环应力历史影响下的土体力学性质研究提供参考。     

波浪作用下黄河口粉土液化与振荡层形成试验研究

通过室内水槽试验,观察波浪作用下土体产生的现象,分析了土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体粒度组成变化特征,研究了波浪荷载作用下黄河口粉土液化和"振荡层"的形成过程。试验及讨论结果表明:在波浪作用下,上层粉土体大部分时间处于液化状态;由液化土形成的振荡土层与下部土层之间形成"W"形的滑动面,振荡土层的厚度随着波浪作用时间的增加而变小;在波浪的振动和孔隙流体的共同作用下,土颗粒重新排列,细粒物质向上迁移,土体底部土颗粒粒径较为粗大,振荡层范围内土颗粒粒径组成相似,粒径分布范围较小;其内部孔压比随深度和波浪作用次数的增加而较少,土体内部积累的超孔压逐渐消散,海床土体逐渐趋于稳定。     

波致粉质土液化过程中物理力学性态变化试验研究

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。     

粉质土底床桩基压力对波浪响应相位差试验研究

近年来,在各种近海建筑物的建设中,桩基础被越来越广泛地应用。关于海床内桩基各层位对波浪动力响应相位差的研究,国内外学者研究的重点主要集中在海床内各层位孔隙水压力的相位变化。而关于波浪作用下海床各层位土体总压力相位的研究则很少。本研究采用波浪水槽实验,在土床未扰动和土床扰动液化两种工况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位土体总压力的相位进行对比研究。实验结果表明,当土体未运动时,在渗透性和饱和度均匀的土体中,各层位土体之间不存在相位差。当底床液化后,土体出现显著分层现象,在液化土层和不动土层间存在显著的相位差。此时,总压力振幅呈现先增大后减小的现象,且在床面下-10cm处出现最大值。     

粉质土底床液化塌陷量形成试验研究

黄河三角洲海床沉积物质为粉质土,在大的风暴浪作用下海底浅表粉质土能够发生液化,形成塌陷凹坑。以黄河三角洲粉质土铺设底床,进行液化粉质土形成塌陷的波浪水槽试验,在底床粉粒和砂粒不随水流脱离液化区的前提下,对形成塌陷量的贡献因素进行了分析。根据试验数据,估算了黏粒迁移析出与液化区底床密度增大对液化致塌陷凹坑的贡献度,得出黏粒迁移析出贡献一般大于55%。试验还发现在波浪作用下粉质土液化后黏粒发生迁移,原均质底床黏粒含量在垂向上出现2个分段特点的重新分布,分段点处于水土界面、底床液化最终界面和最大液化界面上,每段以上少下多分布。     

波致液化粉质土有效应力变化的试验数据分析

海床不稳定性的现象很多都是海底液化引起的。根据之前的研究,粉土在液化之后有效应力会依然存在,关于波浪作用下海床液化之后有效应力变化的研究很少。采用波浪水槽实验,在未液化和液化2种情况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位土体孔隙水压力进行采集,并对比研究。实验结果表明,液化后有效应力的相对值相对于液化前有很明显的减小,并且在深度上表现出显著的差异性,这种差异性随着波高的增大而减小。当相同深度处同一种波高作用一定时间时,有效应力会出现极大值,然后有效应力会减小。     

波致土体液化下水体含沙量垂向分布试验研究

本文利用波浪水槽试验,对底床粉质土液化状态下水体垂向含沙量分布特征进行了研究。试验结果表明,波浪导致粉质土液化情况下,水体含沙量在近底边界层出现激增,含沙量垂向分布形态呈现出近于L型的特征。     

底床粉质土液化下波动水体含沙量垂向L型分布特征试验研究

根据现场大风浪条件下的实测资料,粉质土海岸水体中的含沙量沿垂向具有上部均匀、近底突增的分布特点,即呈L型分布特征。利用黄河三角洲粉质土作为试验底床开展波浪水槽试验研究,揭示了底床粉质土在波浪作用下产生液化情况的水体含沙量沿垂向存在L型分布特征。根据试验现象以及悬沙粒度变化,分析认为底部高含沙层的形成主要受粉质土液化后细颗粒析出的影响,上部水体中悬沙由湍流脉动维持。对粉质土海岸大风天气期间水体含沙量剧烈增加采用波致粉质土液化的观点进行了初步解释。     

波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的应用

粉土在波浪等动荷载作用下极易发生液化破坏,而孔隙水压力在粉土动力学行为中扮演了一个很重要的角色,其发展变化会直接影响到土体的稳定性。因此,通过室内波浪作用下的粉土孔压响应模型试验探讨了孔压与波浪之间的响应情况,发现波浪能量的影响沿土层深度递减,水深条件相同时,响应的孔压随波高的增大而增加,当波浪作用足够长时间后粉土发生液化破坏,此时粉土内累积的孔压小于上覆土体的自重应力。根据结果提出了1种评价粉土海床稳定性的方法。     

波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究

海床在波浪作用下是否稳定对海底工程的安全至关重要,海床的稳定性与土体中的孔压响应密切相关。水槽模拟试验表明:在波浪的作用下,黄河三角洲粉土海床中将产生振荡孔隙水压力和累积孔隙水压力。振荡孔隙水压力大小与土层深度、波高和粘粒含量有关,其振幅(能量)在土层中随深度的增加呈指数衰减,且粘粒含量越高衰减越快;加载波高越大,能量衰减越快。而累积孔压响应模式表现为在波浪作用最初的一段时间内,孔隙水压力快速上升,然后逐渐减小而趋于稳定,其大小和速率也与波高、粘粒含量、土层埋深有关,粘粒含量越高,孔压累积速度越低。     

Analysis of wave-induced liquefaction in seabed deposits of silt

The dynamic stress introduced in half elastic space by wave loading is characterized by the equation between the magnitude of half cyclic axial stress and cyclic torsion shear stress and the principal stress,whose direction rotates continuously and compression stress on seabed can be calculated by the use of small amplitude wave theory.With relationship curves of saturated silt of liquefaction cycles and cyclic stress ratios obtained by cyclic triaxial-torsional coupling shear tests and curve fitting method to different data points of relative density,it is suggested that the cyclic stress ratio corresponding to constant liquefaction impedance be taken as the critical cyclic stress ratio which implies liquefaction.There exists a linear relationship between critical cyclic stress ratio and relative density under different relative densities.Empirical formula for critical cyclic stress ratios of seabed liquefaction induced by wave loading under different relative densities is established.The possibility of seabed silt liquefaction and its influence factors are analyzed based on the small-amplitude wave theory and the data acquired in laboratory tests.     

饱和粉土在低围压下剪切特性的试验研究

通过室内静三轴试验,对黄河水下三角洲埕岛海域沉积物———粉土的剪切特性进行了研究。比较了粉土在低围压和高围压下的剪切变形特性和强度特性。试验结果表明,粉土在低围压(10,20,30,40 kPa)下的应力应变曲线和高围压下的应力应变曲线总体趋势基本一致,但在不同围压下其抗剪强度存在差别。     

黄河口埕岛海域粉土波致孔压现场监测

波浪会对海床产生反复的作用力,由此引起的土体颗粒间孔隙水压力变化是造成土体液化的主要原因。使用自行研发的孔压监测设备,对黄河口埕岛海域易液化区海底孔压进行了长时间、高精度的观测,并对孔隙水压力、波高以及潮位间的关系进行分析。监测结果显示,本次监测条件下波浪最大作用深度介于0.5～1.5 m之间,超过该作用深度后孔压无明显变化。土体内部孔隙水压力的变化主要由潮位和波高决定,潮位的作用可使孔压缓慢平滑的变化且对超孔压无影响;波高的作用可使孔压快速、剧烈地振荡并导致超孔压的出现。     

不均匀波浪荷载作用下海积软黏土的动力特性

为研究饱和海积黏土在均匀与不均匀波浪荷载作用下的循环特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪进行了一系列不排水试验,在相同的初始固结状态下,对试样施加不同最大偏应力q_max、最小偏应力q_min的圆形及螺旋形应力路径的轴—扭联合循环载荷。分析了在考虑主应力轴旋转时,这两种不同应力路径的循环应力比R_CS与动应力比δ=q_mim/q_max对循环加载期间土体动力特性的影响。试验结果表明：R_CS与δ的增大均能提升黏土在波浪荷载下的孔压、轴向应变、双幅剪切应变及其速率,同时也能使土体轴向回弹模量与动剪切模量的衰减更严重,且δ的作用效果会随R_CS的增大而增大。当R_CS≤0.05时,土体在循环期间保持为“弹性安定或塑性安定”状态;而当R_CS≥0.06时,土体会处于“疲劳破坏”或“塑性蠕变”状态,其具体形式由R_CS与δ共同决定。土体在循环过程中的轴向回弹模量与动剪切模量近似呈一定比例。     

低围压下埕北海域重塑粉土振动孔压模型试验研究

开展了低围压条件下固结不排水振动三轴实验,对埕北海域重塑粉土振动孔压发展模型进行研究。低围压条件下粉土孔压随振次的发展曲线呈现两种形态,具体呈现何种形态与粉土轴向动应力和临界循环应力有关。对孔压数据进行了归一化处理,发现低围压条件下粉土孔压模型可以用指数函数进行拟合,且黏土含量并不影响孔压模型形式,只会影响a、b两个实验参数。孔压影响因素分析表明,少量黏粒含量的加入可以使粉土的孔压发展速度增大;振动频率对粉土孔压发展的影响也存在一个临界值,约0.2 Hz,当振动频率小于该值时,粉土孔压增长速度随频率的增加而减缓;当振动频率大于该值时,粉土孔压增长的速度随频率的增加而增大。