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。     

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.     

波浪作用下黄河口海底粉土孔压响应特征及过程

以黄河口海底粉土为研究对象,利用自行研发的监测设备现场监测了波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应过程,获取了2个大风过程中孔隙水压力的有效数据。波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应由表层土最先开始,向下层土延伸,且响应程度随着土层深度的增加而减弱。孔隙水压力响应特征受潮位与波高影响明显,潮位影响孔隙水压力响应的整体趋势而波高影响孔隙水压力响应的幅值,且海底粉土孔隙水压力对波高的响应具有滞后性,滞后时间约为2 h。大风过程中海底面以下1.5 m以深孔隙水压力未发现明显变化,说明其超过了波浪最大作用深度;海底面以下0.5 m位置处孔隙水压力在一段时间内产生剧烈振荡,无明显的累积现象,说明其处于波浪作用范围内,但波浪作用导致的孔隙水压力小于土体孔隙水压力的消散速率。     

波浪导致粉质土海床破坏过程试验研究

以黄河三角洲粉质土底床为研究对象,通过水槽模拟试验,研究了不同波高波浪荷载作用下底床的破坏过程与特点。研究发现,波浪导致粉质土底床在孔压累积和剪应力耦合作用下由表及里破坏;在波浪作用下粉质土底床破坏过程分为土体扩展过程和土体恢复过程,在扩展过程中,破坏土体与波浪同步振荡,边界不断扩展直至极限深度。在恢复过程中,破坏土体振荡由深到浅逐渐停止,稳定后出现细粒土夹层;破坏土体的长度﹑深度和体积间呈幂函数关系,破坏土体的范围主要由深度决定;波浪作用停止后,动力固结不足的原破坏土体在新一轮波浪作用下可能会再次破坏;基于极限平衡理论对波致粉质土底床的破坏深度范围进行了初步的预测,并与试验结果进行了对比分析。     

波浪作用下海底粉土孔隙水压力响应过程监测研究

波浪引起的海底土体内部孔压累积是导致液化发生的主要原因,研究波浪作用下土体内部孔压响应过程对于明确液化机理、预测液化发生具有重要作用。在黄河口使用自行研发的孔压监测设备对海底粉土孔隙水压力进行了有效监测。监测结果显示,海底粉土的孔压变化主要受波浪影响且存在一定的影响范围,超出该范围则波浪对海底粉土的孔压无影响。同时,基于监测过程内的孔压变化对海底粉土进行了液化评判,并对波浪作用效果和液化影响因素进行了探讨。波浪对海底粉土内部孔压影响效果主要有3种:(1)有孔压振荡但不发生累积;(2)有孔压振荡且发生累积;(3)无孔压振荡且不发生累积。     

波浪作用下粉质土海床累积孔隙水压力简化分析

波浪引起的孔隙水压力直接影响海床地基稳定性,而累积孔隙水压力是细颗粒弱粘性粉质土的主要响应形式。针对在海岸和近海广泛分布的粉质土,基于一维固结理论,采用更适于描述粉质土动力特性的双曲线型孔隙水压力发展模式作为源项,推导相应的有限差分格式,并在MATLAB环境下进行编程求解,给出波浪作用下粉质土海床累积孔隙水压力响应的简化分析方法。以黄河三角洲为背景的算例显示,本文所给的模型和计算方法高效、易行,可为相关的海岸与海洋工程设计提供理论参考和技术支持。     

黄河口海底液化粉土特征研究

选取黄河口埕岛油田海域作为研究区,在先前调查研究工作的基础上对该区域海底液化粉土特征进行研究,从声学特征、物理力学参数特征、微结构特征以及动三轴试验分析这4个方面详细分析了液化粉土与未液化粉土的性质差异。研究表明,液化粉土的物理力学性质相对于未液化粉土有着明显的变化,液化粉土的标贯击数值较未液化粉土增加,在相同的振次条件下,液化粉土的抗液化剪应力比比未液化粉土大,土的抗液化强度增加,液化粉土较未液化粉土更难发生液化。     

波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程

以黄河口海底粉土为研究对象,利用自行研发的监测设备现场监测了波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应过程,获取了2个大风过程中孔隙水压力的有效数据。波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应由表层土最先开始,向下层土延伸,且响应程度随着土层深度的增加而减弱。孔隙水压力响应特征受潮位与波高影响明显,潮位影响孔隙水压力响应的整体趋势而波高影响孔隙水压力响应的幅值,且海底粉土孔隙水压力对波高的响应具有滞后性,滞后时间约为2 h。大风过程中海底面以下1.5 m以深孔隙水压力未发现明显变化,说明其超过了波浪最大作用深度;海底面以下0.5 m位置处孔隙水压力在一段时间内产生剧烈振荡,无明显的累积现象,说明其处于波浪作用范围内,但波浪作用导致的孔隙水压力小于土体孔隙水压力的消散速率。     

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。     

波流作用下黄河三角洲多层粉质土孔压累积及液化分析

在波浪和海流作用下,多层粉质土海床可能会发生液化破坏,进而影响工程构筑物的安全.以黄河三角洲为背景,选取垦东地区三种典型粉质土海床,基于Terzaghi固结方程和Biot渗流理论,验证了波流作用下多层土海床累积孔压响应模型,探讨了三种不同典型海床累积孔压与液化特征的差异,以及波流参数对海床动力响应的影响.结果表明,上覆...     

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。     

波浪作用下海底管线的物理模型实验研究

本文进行了海底管线受波浪力作用的两种不同比尺的物理模型实验，得出了水平力系数Ｃｆｘ和垂直力系数Ｃｆｚ随ＫＣ数和Ｒｅｄ数的变化曲线，并对比了不同比尺物理模型实验的结果。结果对比表明，比尺对波浪力的影响是不可忽略的。     

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。     

液化粉质土波动压力试验研究（英文）

海床土对波浪响应以及波致海床液化失稳的问题,已经有很多研究成果,而波浪作用海床液化土波动压力的研究还未见报道。采用波浪水槽实验,在未液化和液化两种情况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位采集土体土压力,进行分析。实验结果表明,液化前后总土压力变化不明显,液化后的土动压力比液化前增大几倍到十几倍,且沿着深度的衰减速度更快。根据试验获得结果,进一步分析,提出了在水槽试验条件下的土动压力与波浪要素之间的经验公式。同时指出,在工程设计中应注意因底床液化引起的土动压力的增加的现象。     

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。     

波浪作用下沙丘状海底地形对溶质迁移影响特征研究

基于海床土体变形、渗流和溶质运移的耦合数值计算模型,考虑波浪沿沙丘状海底地形传播的浅水效应,本文分析了沙丘状海床内部孔隙水渗流特征和海水中溶质进入沉积物的运移特征,并通过与平底海床计算结果的对比,分析了沙丘状海底地形对溶质迁移的影响特征。结果分析表明,相对于平底海床,沙丘状海床一定深度内孔隙水渗流呈现明显的二维特征,进一步加速了溶质在沉积物中的迁移速率;对于沙丘状海底,对流和水动力弥散均有效促进了溶质向沉积物中的迁移,其中,对流作用相对稳定,而水动力弥散作用随着波浪作用时间的增加而不断减弱。参数分析表明,沙丘地形对溶质运移过程的影响程度基本不受波高的影响,但其随着波浪周期、水深和坡角的增大而增大,随着剪切模量和渗透系数的增大而减小,其中坡角的影响最为显著。     

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。