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。     

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。     

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。     

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。     

随机波作用下海底管道振动对土体液化的影响

海底管道-土体-水体相互作用对土体和管道的稳定性具有重要影响，但波浪作用下海底管道对其周围土体性质的影响仍有待深入研究。通过一系列室内波浪水槽试验，研究了波浪荷载和管道振动作用下海床土体内部的超孔隙水压力响应。实验结果表明，管道的铺设会增大海底土体超孔隙水压力累积程度，当管道发生振动时，海床土体超孔隙水压力累积程度进一步增大，从而增加了土体液化势。此外，波高增加也会导致海床土体的超孔隙水压力累积程度增大。本文研究成果对管道-土体相互作用研究和海底管道维护具有指导意义。     

波浪作用下海底粉质土液化过程的速率特征

海底的粉质土在强烈波浪作用下会发生液化现象。粉质土从液化发生到最后形成流体有其变化的过程。本文针对黄河三角洲的粉质土,进行了波浪水槽试验和现场监测试验,记录了孔压在粉质土液化过程中的变化,给出了波浪作用下粉质土液化过程的速率特征。试验结果给出:海底粉质土在波浪作用下某一深度层的液化发展迅速,水槽试验重塑土用孔压增长速率反映的液化发展速率平均为0.15kPa/min,现场监测原状土液化发展速率平均为0.29kPa/min;水槽试验重塑土和现场监测原状土均出现液化深度自上而下的发展过程,本文水槽试验条件和现场条件给出的液化深度发展平均速率分别为0.01和0.10m/min。     

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明：相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为：桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。     

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。     

沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明：随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。     

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。     

坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征影响研究

波浪作用下海底斜坡滑动稳定性分析中,一般未考虑海底坡度引起的波浪浅水效应,即不考虑波浪在斜坡面上的变形导致的波压力变化,降低了其计算结果的可靠性。本文基于沿斜坡面传播的线性波浪理论,考虑波浪的浅水效应,利用波浪与重力作用下海底斜坡的有效应力场,计算海底斜坡滑动稳定性安全系数。在验证海底斜坡滑动稳定性计算结果可靠性的基础上,分析了坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征的影响。结果表明,由于波浪沿斜坡面传播的浅水效应,相对于水平海床,波浪作用下斜坡最大瞬态应力和孔隙水压力随着坡度的增加基本呈线性增加趋势,最大水平位移呈非线性增加趋势;相比于坡底水平段海床的滑动区,斜坡面上滑动区的深度和水平方向滑动范围均有所增加,且坡度越大,这种效应越显著;相比于饱和海床,非饱和条件下,坡度对斜坡体滑动特征的影响程度有所降低。     

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。     

循环水压作用下粉土渗流试验研究

海底塌陷凹坑是黄河三角洲地区常见的一种地貌现象,广泛分布于近代沉积海床中。虽然目前海底塌陷凹坑形成机理尚未明确,但普遍认为其成因与波浪引起的海床渗流有关。为此,设计模拟波压力的实验装置,对粉土施加40kPa循环水压荷载,研究正常固结粉土在液化渗流条件下的侵蚀过程。试验过程中,粉土液化时产生2种不同的裂隙,即倾斜状的"干裂隙"和水平状的"水夹层";孔隙水从"水夹层"中渗出,把从土样侧壁冲刷下的物质运移至土样表面堆积,形成"泥火山"。试验表明,土体内气泡溢出对表层土的侵蚀具有强化作用;循环荷载产生的孔隙水压力梯度是粉土液化渗流动力,而渗流过程对土的粒径成分具有粗化作用;分析结果表明,波压力引起的海床渗流是长效的作用机制,不同于地震荷载引起的渗流侵蚀。这种侵蚀模式是海底塌陷凹坑形成的主要原因。     

东海围垦滩地强夯作用下孔隙水压力响应试验研究

围垦滩地饱和粉土地基属于软土地基的一种,其含水量高,渗透性差,强夯加固作用使地基土中的孔隙水压力瞬时升高,且短时间内得不到消散,容易出现“橡皮土”。通过现场试验研究了饱和粉土地基在强夯作用下孔隙水压力的响应规律,确定了两遍强夯之间的间歇时间和强夯的影响深度,以便优化强夯参数,正确指导强夯施工。     

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。     

随机波作用下埋管海床动态响应及液化研究

基于广义Biot动力理论和Longuet-Higgins线性叠加模型,构建波浪-海床-管线动态响应的有限元计算模型,求解随机波作用下,多层砂质海床中管线周围土体孔隙水压力和竖向有效应力的分布。采用基于超静孔隙水压力的液化判断准则,得出液化区的最大深度及横向范围,从而判断海床土体液化情况。考虑海洋波浪的随机性,将海床视为多孔介质,海床动态响应计算模型采用u-p模式,孔隙水压力和位移视为场变量。并考虑孔隙水的可压缩性、海床弹性变形、土体速度、土体加速度以及流体速度的影响,忽略孔隙流体惯性作用。参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及有效波高等参数对海床土体孔隙水压力、竖向有效应力和液化区域分布有显著影响。     

波浪作用下粘质粉砂底床性态变化的试验研究

利用不同波高条件下的波浪水槽试验,对现行黄河水下三角洲粘粉砂底床的性态变化进行了研究。试验中观测了底床土体孔隙水压力的变化和扰动破坏区与未成动破坏区之间在波浪作用下的性态差异。结果分析表明,土体孔隙水压力受波高要素影响较大;扰动破坏区含水量减小和容重增加现象比未扰动破坏区明显。在扰动破坏区经波浪长时间作用后形成凹坑塌陷,此结果对认识黄河三角洲上凹坑塌陷的形成过程有借鉴意义。     

波浪作用下粘质粉砂底床性态变化的试验研究

利用不同波高条件下的波浪水槽试验,对现行黄河水下三角洲粘质粉砂底床的性态变化进行了研究.试验中观测了底床土体孔隙水压力的变化和扰动破坏区与未扰动破坏区之间在波浪作用下的性态差异.结果分析表明,土体孔隙水压力受波高要素影响较大;扰动破坏区含水量减小和容重增加现象比未扰动破坏区明显.在扰动破坏区经波浪长时间作用后形成凹坑塌陷,此结果对认识黄河三角洲上凹坑塌陷的形成过程有借鉴意义.