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。     

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。     

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。     

波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究

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。     

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。     

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。     

黏粒含量对粉质土液化发生的作用机制

近年来,海岸沉积的粉质土在波浪作用下发生液化的问题开始被关注和研究。由于粉质土中含有黏粒成分,其液化机制可能与砂性土不同。通过对不同黏粒含量的粉质土进行循环荷载三轴试验,获得孔压、应变的变化曲线。以应变5%为土体破坏标准,结合土体的微结构特征,分析认为粉质土由于黏粒含量不同,存在液化破坏和触变破坏两种导致液化发生的机制。     

波浪作用下单桩基础周围海床液化机制研究

建立波浪作用下单桩周围三维海床动力响应模型,考虑自重影响下的海床长时间固结过程。采用已有物理模型试验数据对模型进行验证,证实其具有较好的适用性。模拟波浪作用下单桩周围三维海床液化区域,通过定量分析超孔隙水压力和土体初始有效应力的变化,讨论单桩插入深度对海床液化的影响机制。研究表明,单桩插入深度发生变化时,土体初始有效应力对海床液化的影响要大于超孔隙水压力,且影响程度随着插入深度的增加而逐渐增大。     

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。     

粉质土海底边界层动态演化过程波浪水槽实验

The objectives of this study are carried out a series of controlled large wave flume experiments using fine-grained sediment from the Huanghe River Delta, exploring the complete sequence of sediment behavior in the bottom boundary layer(BBL) during wave-induced liquefaction. The results show that:(1) The BBL in silty seabed is exposed to a progressive wave, goes through a number of different stages including compaction before liquefaction, sediment liquefaction, and compaction after liquefaction, which determines the range and thickness of BBL.(2) With the introduction of waves, first, the sediment surface has settled by an amount S(S=1–2 cm) in the course of wave loadings with an insufficient accumulation of pore water pressure. And a thin high concentration layer formed the near-bed bottom.(3) Once the liquefaction sets in, the liquefied sediment with an ‘orbital motion' and the sub-liquefied sediment form a two-layer-sediment region. The range of BBL extends downwards and stopped at a certain depth, subsequently, develops upwards with the compaction process. Meanwhile, resuspended sediments diffuse to the upper water column.(4) During the dynamics process of the BBL beneath progressive waves, the re-suspended sediment increment ranked as sediment liquefaction erosion before liquefaction compaction after liquefaction.     

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。     

Stability analysis on a porous seabed under wave and current loadings

The stability of a porous seabed under wave and current loadings is particularly important for engineers to design marine structures such as submarine pipelines, breakwaters, and offshore platform foundations. Most previous investigations of dynamic response of marine structures and seabed have only considered the influence of wave loading, but the important influence of current is ignored. Even if the influence of current is considered, the interaction mechanism of both loadings has not been clearly elaborated. Based on the Biot’s dynamic theory and combined two-dimensional nonlinear progressive wave and uniform current theory, the interaction mechanism of wave and current loadings and the influence of current on wave characteristic are analyzed by numerical computations. The influence of current velocity, different permeability, and stratification in seabed on the effective stresses and pore pressures of seabed is discussed in detail. Further, the stability of seabed is evaluated through the liquefaction analysis of seabed, which will provide important reference frames to improve the design and construction of marine structures.     

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。     

波浪作用下海床动力反应的数值分析

近海和离岸建筑物的基通常处于连续不断的小风浪作用之下，可将其变形视为弹性。基于二维广义Biot理论，提出了线性或非线性波浪作用下饱和弹性海床动力应应的时域有限元数值解法。静力平衡条件和Biot方程组成的边值方程可视为其特例，在比较算例中，数值计算得到的孔压和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解十分吻合。土骨架和孔隙流体的加速度对海床动力反应的影响很小。具体算例表明，线性波沿缓坡海床传播时，土层中超静孔压和有效应力幅值随之增大，有可能发生滑动坡坏。所提出的数值解法能够灵活地处理非线性波浪荷载，海底复杂地质条件和波浪沿缓坡传播等复杂情况。     

浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析

近岸水深较浅,波浪具有较强的非线性,海床破坏与波浪作用下孔隙水压力的分布有着密切的关系。波浪场控制方程采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,入射波采用椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面;海床域以Biot动力固结理论为基础,建立了非线性波浪与海床相互作用的弱耦合数学模型,获得椭圆余弦波作用下沙质海床中孔隙水压力响应规律。计算结果表明,与线性波浪相比,浅水非线性波作用下沙质海床中孔隙水压力幅值增大非常显著。