劉濤, 張美鑫, 崔逢

(1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

循環(huán)荷載下粉土液化流動(dòng)特性拖球試驗(yàn)研究

劉濤1,2, 張美鑫1，2, 崔逢1，2

(1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

基于流體力學(xué)中的Stokes黏滯阻力理論，以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套測量液化過程中粉土流變特性的拖球試驗(yàn)裝置。在鋪有粉土海床的模型箱內(nèi)埋設(shè)光滑小球，通過測量小球水平運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力值的大小，計(jì)算粉土液化的表觀動(dòng)力黏度，分析粉土液化過程中的表觀動(dòng)力黏度與超孔壓比之間的關(guān)系，以及液化后表觀黏度與應(yīng)變率的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)下，孔隙壓力表現(xiàn)為迅速上升，粉土迅速達(dá)到液化狀態(tài)；振動(dòng)過程對(duì)海床固結(jié)影響較大；粉土海床在未達(dá)到完全液化狀態(tài)時(shí)(ru<1)，表觀黏度隨超孔壓比增大而減小，在液化狀態(tài)下(ru=1)，剪應(yīng)力隨應(yīng)變率增大而減小，粉土呈現(xiàn)出剪切稀化的特點(diǎn)，為典型的非牛頓流體特征。

粉質(zhì)土；液化；流動(dòng)特性；拖球試驗(yàn)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1 引言

現(xiàn)代黃河水下三角洲海床沉積物主要由高泥沙含量河流在入?？诳焖俣逊e形成的粉土構(gòu)成[1]，具有高含水率、欠固結(jié)等特點(diǎn)[2]。該類土在波浪循環(huán)荷載作用下極易發(fā)生液化，可能誘發(fā)海床失穩(wěn)、海底滑坡、海底管線破壞等，對(duì)于海上建筑有著極大的危害[3—5]。

針對(duì)土體液化的研究，日本學(xué)者Sasaki等[6]在一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)砂土液化變形的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液化土體有著與黏性流體十分類似的特征，并提出液化后砂土具有流動(dòng)特性這一觀點(diǎn)。隨后，Hamada和Wakamatsu[7]針對(duì)1980-1990年間發(fā)生于日本的地震進(jìn)行匯總分析，通過多次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了土體液化的流動(dòng)和移動(dòng)的特點(diǎn)，認(rèn)為液化土體流動(dòng)存在與亞塑性流體相似的特點(diǎn)。Uzuoka等[8]將液化土體假設(shè)為一種存在屈服強(qiáng)度的非牛頓Bingham流體，通過考慮土體的屈服強(qiáng)度值，提出了等效黏滯度的概念，利用壓力耦合公式求解斯托克斯公式，并實(shí)現(xiàn)了有限差分的求解，基于此建立了非牛頓流體的模型。劉漢龍等[9—10]進(jìn)行了大量砂土液化大變形室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果初步提出了一個(gè)反映砂土液化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的雙曲線模型，并且通過驗(yàn)證得出該模型與試驗(yàn)結(jié)果較吻合的結(jié)論。陳育民等[11]通過一些列室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液化狀態(tài)的砂土是一種“剪切稀化”非牛頓流體，可用冪律方程來表示其本構(gòu)關(guān)系，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液化后的砂土能夠產(chǎn)生較大的位移變形。劉濤等[12]以黃河口粉質(zhì)土為研究對(duì)象，對(duì)波浪作用下粉土液化過程進(jìn)行了分析，綜合考慮試驗(yàn)中波浪要素、超孔壓比等因素的影響，得出了液化粉土黏度隨液化程度的變化趨勢。

目前有關(guān)液化土體性狀的研究大多局限于砂土[13—14]，而針對(duì)粉質(zhì)土液化的研究，尤其是黃河口地區(qū)沉積物快速液化過程中土體性狀的研究成果尚不多。在粉質(zhì)土液化流變的前期研究中，雖然給出了表觀黏度隨液化程度的變化，但仍存在一定的局限性。本文通過設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)模型箱試驗(yàn)，分析粉土液化過程中的表觀黏度與超孔壓比之間的關(guān)系，以及液化后表觀黏度與應(yīng)變率的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)所使用的振動(dòng)臺(tái)位于中國海洋大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸1 m×1 m(長×寬)；振動(dòng)頻率：60 Hz；振幅：5 mm；電機(jī)功率：1.5 kW。

為防止模型箱在裝滿粉土?xí)r受壓變形，造成孔壓從邊壁的消散，選用強(qiáng)度較大、不易發(fā)生形變的鐵箱作為試驗(yàn)所用模型箱。模型箱尺寸為60 cm(L)×40 cm(W)×40 cm(H)，在連接縫處涂抹環(huán)氧樹脂膠水，從而提高模型箱的防水性能，振動(dòng)臺(tái)及模型箱如圖1所示。

圖1 振動(dòng)臺(tái)及模型箱Fig.1 Shaking table and the test box

依據(jù)模型箱尺寸，設(shè)計(jì)加工了測定流動(dòng)土體黏度的拖球試驗(yàn)裝置，如圖2所示。該拖球裝置置于模型箱內(nèi)部，支架內(nèi)側(cè)固定有3個(gè)定滑輪和1個(gè)小型絞車，鋼絲繩穿過定滑輪和絞車連接小球。通過手動(dòng)控制絞車能夠使小球在土體中勻速運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)。小球直徑1.5 cm，埋深距海床面15 cm。拉力傳感器位于支架的上部，用來測量試驗(yàn)過程中的拉力值。

土層中埋設(shè)土壓力傳感器和孔隙壓力傳感器，分別用于測量土體總壓力和孔壓，傳感器布設(shè)如圖2所示。其中深度D1與小球處于同一水平高度，深度D2距離模型箱底部10 cm，D1、D2相距10 cm。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test equipment

2.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土選自黃河水下三角洲地區(qū)的粉土，土體重度γ=19.0 kN/m3，含水率ω=25%，液限ωL=20.1%，塑限ωP=13.2%，塑性指數(shù)IP=6.9。土樣顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 粉土顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Silt particle size distribution curve

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在高頻的振動(dòng)下，容器的側(cè)壁會(huì)很快的形成排水通道，土中的水會(huì)很快的從側(cè)壁涌出，影響數(shù)據(jù)測量的真實(shí)性。為提高土體抵抗振動(dòng)液化的能力，在底層和頂層的粉土中摻入少量高嶺土，使其土樣配比仍處于粉質(zhì)土范圍內(nèi)，顆分曲線如圖4所示。

圖4 摻雜高嶺土的土樣顆分曲線Fig.4 Doping kaolin soil particles curve points

2.3 試驗(yàn)方法

(1)制作海床前，按照預(yù)設(shè)高度將孔壓、土壓傳感器和拖球裝置固定在模型箱中，調(diào)整箱內(nèi)走線，以減小走線對(duì)試驗(yàn)的影響。

(2)海床制備。首先，按照一定比例把土樣與純高嶺土混合，加水混勻，均勻的鋪設(shè)在模型箱的底層，鋪設(shè)厚度約5 cm，讓其自然固結(jié)1 d；中間土樣首先使用攪拌機(jī)攪拌均勻，海床高度為25 cm，由于海床較松散，存在自重固結(jié)，因此海床埋設(shè)過程中，初始高度略高于擬定高度，之后固結(jié)1周；最后在表層鋪設(shè)與底層相同的摻雜了高嶺土的粉土，海床整體高度高于35 cm，形成表層非液化層。上部非液化層表面平整，不存在斜狀面。

(3)試驗(yàn)前使海床靜置固結(jié)5 d，由于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率較大，模型箱表層的積水容易在振動(dòng)下濺出，試驗(yàn)前需把水排出部分，確保不會(huì)影響試驗(yàn)觀測人員操作的方便。

(4)振動(dòng)前需要對(duì)孔壓、土壓初值進(jìn)行記錄，由于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率較大，因此每次振動(dòng)施加約20 s便停止，過程中持續(xù)記錄孔壓、土壓數(shù)據(jù)變化，振動(dòng)停止后馬上通過拖球裝置進(jìn)行測量，記錄拉力值、小球運(yùn)動(dòng)距離及運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

振動(dòng)臺(tái)每次振動(dòng)強(qiáng)烈，小球重復(fù)拖動(dòng)形成的運(yùn)動(dòng)軌跡在下次振動(dòng)中均可振動(dòng)均勻，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)有影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)阻力分析

由于試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，拉動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)的過程中，鋼絲繩與滑輪之間、鋼絲繩與粉土之間都會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。因此拉力傳感器測量到的數(shù)值除了小球在運(yùn)動(dòng)過程所受土層阻力值，還包括試驗(yàn)裝置中的構(gòu)件摩擦力值。為減小試驗(yàn)誤差，一方面在滑輪、鋼絲繩上涂抹凡士林用于潤滑；另一方面要測量裝置的摩擦阻力。在沒有小球的情況下進(jìn)行拉動(dòng)，可認(rèn)為傳感器測到的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)裝置的摩擦力，且試驗(yàn)過程中摩擦力保持恒定。3次空拉摩擦力值見表1，可以認(rèn)為摩擦力值恒定為25 N。

表1 空拉阻力值

圖5為一次振動(dòng)試驗(yàn)過程中的拉力值時(shí)程曲線，小球拖動(dòng)過程中拉力值逐漸增大并維持恒定，拖動(dòng)結(jié)束后拉力值迅速減小。數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇拉力值較穩(wěn)定的一段作為小球運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力。

圖5 拉力值時(shí)程曲線Fig.5 Rally value time curve

3.2 試驗(yàn)壓力分析

圖6和圖7分別為某一組振動(dòng)試驗(yàn)過程中土壓力傳感器和孔隙壓力傳感器測到的數(shù)據(jù)。首先由圖6來分析試驗(yàn)過程中土體總壓力變化情況。在D1深度處，即與小球處于同一高度處的總壓力維持在2.0 kPa，D2深度處總壓力維持在3.7 kPa左右。振動(dòng)臺(tái)對(duì)海床垂直方向施加的循環(huán)荷載對(duì)總壓力基本沒有影響，總壓力可以維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，直至試驗(yàn)結(jié)束。因此超孔壓比可以用此土壓傳感器測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 土壓力時(shí)程曲線Fig.6 Earth pressure time curve

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力在振動(dòng)荷載下的累積，一段時(shí)間后能夠達(dá)到液化，并且孔壓能夠一直保持在較高的水平。振動(dòng)開始后，孔隙水壓力值迅速上升，振動(dòng)結(jié)束后，孔壓不會(huì)馬上消散，在一段時(shí)間內(nèi)維持在較高水平。由于P2傳感器所在位置更靠近底板，振動(dòng)荷載由下向上傳播，因此D2深度處的孔隙水壓力升高速度更快。

圖7 孔隙水壓力時(shí)程曲線Fig.7 Pore pressure time curve

在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，振動(dòng)循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙水壓力的響應(yīng)能產(chǎn)生一定的影響，從圖7中可知，雖然振動(dòng)循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙水壓力沿海床深度方向分布趨勢影響有限，但孔隙水壓力最大振幅會(huì)隨著振動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加而增加。然而，振動(dòng)循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙壓力平均值幾乎無影響。造成孔隙水壓力最大振幅值隨循環(huán)次數(shù)變化的原因在于，海床會(huì)在荷載施加后出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。針對(duì)本次試驗(yàn)具體來說，海床的初始高度是35 cm，隨著荷載的施加而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象即液化，并最終造成海床沉降，而海床沉降的發(fā)生將導(dǎo)致海床相對(duì)深度變小，由于孔隙水壓力平均值并不隨循環(huán)次數(shù)的變化而變化，因此海床相對(duì)深度的減小將最終造成孔隙水壓力最大振幅值的減小。

圖8為測量連續(xù)兩次施加振動(dòng)荷載時(shí)孔壓值的變化曲線，測量的傳感器為P2孔壓傳感器，測量深度為距海床面25 cm。第一次施加振動(dòng)時(shí)間較短，在振動(dòng)過程中觀察到土體孔壓值不斷變化，這一過程中既有孔壓積累又有消散，總體呈現(xiàn)孔壓上升變化趨勢。振動(dòng)停止后，孔壓迅速消散，并在較短時(shí)間內(nèi)下降到初始值附近；隨后開始施加第二次振動(dòng)荷載，此次持續(xù)時(shí)間較長，由于初次振動(dòng)使得土體密實(shí)，因此第二次振動(dòng)過程中孔壓升高曲線明顯變緩，且升高到最大值后可以維持較高的孔壓值不變，由于測量時(shí)間有限，沒有觀察到此次孔壓值下降的曲線變化。

圖8 P2傳感器連續(xù)兩次振動(dòng)孔壓曲線Fig.8 P2 vibration sensor twice pore pressure curve

3.3 振動(dòng)對(duì)海床固結(jié)的影響

在均勻土試驗(yàn)中，海床高度會(huì)隨著循環(huán)振動(dòng)荷載的施加而往復(fù)變化，并最終出現(xiàn)一定沉降。為了更清晰的研究試驗(yàn)過程中海床沉降現(xiàn)象，采用千分尺對(duì)海床沉降過程進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。如圖9所示，海床初始高度為38 cm，靜置過程中由于自重固結(jié)使海床產(chǎn)生沉降，最終海床高度維持在35 cm；隨著振動(dòng)荷載的施加，海床高度突降并出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，逐漸產(chǎn)生變化最終出現(xiàn)一定的沉降，圖10清晰地記錄了振動(dòng)荷載下海床沉降的情況。

圖9 土體自重固結(jié)Fig.9 Soil gravity consolidation

圖10 土體振動(dòng)固結(jié)Fig.10 Soil vibration consolidation

造成海床沉降的基本原因可以歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：第一個(gè)也是重要的原因是海床液化過程中的孔壓積累與消散。在孔壓累積過程中，同時(shí)存在著孔壓消散過程，有一部分孔隙水排出，孔隙空間減小，導(dǎo)致海床沉降。沉降量的大小取決于土的滲透系數(shù)和松散程度[17—18]。海床液化過程中的孔壓積累與消散和海床沉降現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)。第二個(gè)原因是循環(huán)振動(dòng)荷載的施加使海床土顆粒之間孔隙體積減小造成海床相對(duì)密度的變化。

3.4 黏度特性分析

針對(duì)未達(dá)到液化的過程，為了分析超孔壓比對(duì)液化粉土表觀動(dòng)力黏度的影響，選用同一天進(jìn)行的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以認(rèn)為這組數(shù)據(jù)是在相對(duì)密度相差不大的情況下得到的，因此可以假設(shè)為在相同初始相對(duì)密度下的試驗(yàn)結(jié)果。圖11為表觀動(dòng)力黏度隨超孔壓比的變化曲線，從圖中可見，其兩者關(guān)系十分明顯，隨著超孔壓比升高(超孔壓比ru<1)，表觀動(dòng)力黏度不斷減小。土體的有效應(yīng)力尚未達(dá)到0即尚未完全液化時(shí)，土體處于一種半流體的狀態(tài)，而此時(shí)超孔壓比已經(jīng)增大到一定程度，土體表現(xiàn)為黏度的減小以及變形能力的增加。隨著超孔壓比升高，曲線不斷變緩，也就是說表觀動(dòng)力黏度減小的速度減慢，說明土體的液化是一種漸變的過程，土體的孔隙水壓力值不斷上升直至引起土體模量的下降，最終完全液化，并體現(xiàn)出剪切稀化的非牛頓流變的特性。

圖11 超孔壓比(ru<1時(shí))對(duì)表觀動(dòng)力黏度的影響Fig.11 Effect of excess pore pressure ratio of the apparent kinematic viscosity

在完全液化狀態(tài)(ru=1)時(shí)，分析其應(yīng)變率與剪應(yīng)力的關(guān)系如圖12所示，隨著應(yīng)變率增大，剪應(yīng)力增長速度逐漸減緩。

圖12 ru =1時(shí)剪應(yīng)力-應(yīng)變率的關(guān)系曲線Fig.12 The shear stress-strain rate curve(ru=1)

圖13 ru=1時(shí)應(yīng)變率-表觀動(dòng)力黏度的關(guān)系曲線Fig.13 The strain rate-apparent viscosity curve(ru=1)

根據(jù)剪應(yīng)力-應(yīng)變率的關(guān)系可以計(jì)算出表觀動(dòng)力黏度值。從圖13中可以看出，對(duì)于液化后土體，表觀黏度隨著應(yīng)變率的增大而逐漸減小，且變化趨勢逐漸變緩，呈現(xiàn)出“剪切稀化”的特征。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)下的拖球試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)開發(fā)了一套可用于測量粉土液化過程中流動(dòng)特性的拖球裝置，通過小型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了液化粉土拖球試驗(yàn)，驗(yàn)證了拖球裝置的可靠性。

(2)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)下，孔隙壓力表現(xiàn)為迅速上升，粉土迅速達(dá)到液化狀態(tài)；試驗(yàn)中海床存在固結(jié)現(xiàn)象，振動(dòng)過程對(duì)固結(jié)影響較大。

(3)通過拖球運(yùn)動(dòng)獲得了液化粉土的黏度值，并對(duì)其黏度特性進(jìn)行分析，在未達(dá)到完全液化狀態(tài)(ru<1)時(shí)，表觀黏度隨超孔壓比增大而減??；在液化狀態(tài)(ru=1)時(shí)，剪應(yīng)力隨應(yīng)變率增大而減小，粉土呈現(xiàn)出剪切稀化的特點(diǎn)，為典型的非牛頓流體特征。

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Dragging ball test on flow characteristics of liquefied silt under cyclic loading

Liu Tao1,2, Zhang Meixin1，2, Cui Feng1，2

(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofMarineEnvironmentandGeologicalEngineering,Qingdao266100,China; 2.KeyLaboratoryofOceanEnvironmentandEcology,MinistryofEducation,Qingdao266100,China)

According to the theory of Stokes Law, the test apparatus of flow characteristics of liquefied silt is developed based on the shaking table tests. A steel sphere, embedded in the test box, 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. Analysis the relationship between apparent viscosity and excess pore pressure ratio during silty liquefaction. The change of apparent viscosity and strain rate after silty liquefaction is researched. The result shows that, during the shaking table test, the pore pressure showed a rapid increase, and silt quickly reached a liquefied state; there was consolidation phenomenon in the soil bed, and vibration had a great influence on consolidation. Analysis found that, when the soil has not reached completely liquefied state (ru<1), the apparent viscosity decreases with increasing of excess pore pressure ratio; when it has reached liquefied state (ru=1), the shear stress decreases with increasing of strain rate, the silt is shear thinning non-Newtonian fluid.

silt; liquefaction; fluid; dragging ball test; shaking table test

2016-05-23；

2016-10-19。

國家自然科學(xué)基金(41672272，41427803)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201564017)。

劉濤(1979—)，男，山東省高唐縣人，副教授，主要從事海洋工程地質(zhì)和海底災(zāi)害觀測等方面教學(xué)與科研工作。E-mail：ltmilan@ouc.edu.cn.com

P642.1

A

0253-4193(2017)03-0115-07