孟慶生， 曹國林， 劉圣彪， 趙 釗

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

粉土液化再固結(jié)過程中的波速特征及物理性質(zhì)試驗研究?

孟慶生1，2， 曹國林1， 劉圣彪1，2， 趙 釗1

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

強振動荷載作用下海底沉積物可能會發(fā)生液化。為了解粉土振動液化和再固結(jié)過程中波速特性與物理性質(zhì)的變化規(guī)律，采用振動臺試驗?zāi)M地震作用，針對不同狀態(tài)的土體開展了波速測量和土體物理性質(zhì)測試，研究了縱、橫波速度的變化規(guī)律以及與物理性質(zhì)之間的相關(guān)性。試驗結(jié)果表明：與原始固結(jié)狀態(tài)相比，粉土液化后縱、橫波速度降低；液化再固結(jié)后土體縱、橫波速度明顯升高。縱、橫波速度與沉積物物理性質(zhì)具有良好的相關(guān)關(guān)系，與密度、平均粒徑呈正相關(guān)，而與孔隙度、含水量具負(fù)相關(guān)性。相對于縱波速度，橫波速度對沉積物的物理性質(zhì)更敏感，能更好地刻畫沉積物物理性質(zhì)的變化。

振動液化；粉土；縱波速度；橫波速度；物理性質(zhì)

海底沉積物的承載能力和穩(wěn)定性是影響海洋工程設(shè)施安全的重要因素之一。這類沉積物除了受到風(fēng)、浪、流等荷載外，還會受到海底地震作用的影響。海底地震是一種強烈的隨機荷載，其循環(huán)作用可使飽和無黏性土發(fā)生液化和軟黏土進(jìn)一步軟化，使土體的承載力大部分或完全喪失，誘發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致海洋工程結(jié)構(gòu)破壞[1-2]。

由于沉積物所處的特殊海洋環(huán)境，無法直接照搬陸地上的方法和實驗設(shè)備。研制專用的海洋測試設(shè)備，或者尋求一種可替代的測試手段，成為國內(nèi)外海洋地質(zhì)學(xué)界廣泛關(guān)注的研究熱點，這對人類認(rèn)識海底土的物理力學(xué)性質(zhì)，尤其是外部荷載作用對沉積物工程性質(zhì)的影響，預(yù)測海底地質(zhì)災(zāi)害地發(fā)生、確保海洋構(gòu)筑物的安全和促進(jìn)海洋地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展等方面都具有極其重要的意義。

沉積物土顆粒在外部荷載作用下會產(chǎn)生振動，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足波在黏彈性介質(zhì)中的傳播方程，其透過沉積物的剪切波速(橫波速度)、聲速(壓縮波、縱波速度)和衰減特性嚴(yán)格受控于沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)。研究證實，在小尺度范圍內(nèi)開展的聲場測量結(jié)果，可以準(zhǔn)確預(yù)測海底沉積物的部分物理性質(zhì)參數(shù)，與高保真的實驗室測量結(jié)果具有良好的對應(yīng)關(guān)系。董全財[3]研究發(fā)現(xiàn)聲速在沉積物中隨深度增加具有速度梯度的特點，程凈凈等[4]證實南黃海中部沉積物的壓縮波速與密度呈正相關(guān)，與孔隙比、含水率呈負(fù)相關(guān)，Endler等[5]和Kim等[6]分別對波羅的海西南部海域和韓國南部海域的沉積物聲速與物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究，鄒大鵬等[7]通過聲速比校正的方法證實了聲速模型預(yù)測結(jié)果與實驗室測量結(jié)果的一致性，孟祥梅等[8]利用南黃海中西部沉積物的聲速成功預(yù)測了孔隙度。上述事實表明，沉積物聲學(xué)測量方法能夠有效解決海洋工程地質(zhì)調(diào)查存在的困難，且與目前已有的海洋測試設(shè)備相比，這類測量手段具有經(jīng)濟、便捷的優(yōu)勢。

通常，在極端海況、地震等強荷載作用下海底沉積物可能會發(fā)生液化[9]，但該過程中沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的變化不得而知。鑒于此，本文利用自主研制的縱、橫波測量探頭，借助振動臺試驗的方法，對比研究了粉土在靜置固結(jié)～振動液化～液化再固結(jié)過程中土體物理性質(zhì)和縱、橫波速度變化規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，以期為深入了解土體液化對沉積物的改造作用、保證工程結(jié)構(gòu)安全以及為利用聲學(xué)特性進(jìn)一步研究沉積物物理力學(xué)性質(zhì)提供參考。

1 試驗裝置系統(tǒng)

試驗裝置主要包括波速測試系統(tǒng)，振動液化系統(tǒng)和孔壓、土壓測量系統(tǒng)。

波速測試系統(tǒng)是本試驗裝置的核心部分，由接收探桿和數(shù)據(jù)采集儀組成。由于試驗需要同步測量不同深度土層的波速，現(xiàn)有的接收傳感器均無法實現(xiàn)這一目標(biāo)，為此，根據(jù)三分量微測井技術(shù)原理[10]，自主研制了可同時接收6個不同深度振動信號的接收探桿(見圖1)。其主體為金屬結(jié)構(gòu)，桿長1.78 m，直徑8 cm，內(nèi)嵌六個不同極性方向的傳感器，間距均為0.03 m。試驗中數(shù)據(jù)采集儀為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WZG-6A波速測試儀，并采用北京波普公司生產(chǎn)的WS-Z30-10型振動臺產(chǎn)生機械振動模擬海底地震作用，振動頻率200 Hz，振幅5 mm，電機功率1.5 kW。在孔隙水壓力、土壓力測量中，使用美國生產(chǎn)的ICSensors 86-015-G-C型孔壓探頭，并用Iotech.Inc設(shè)計制造的DBK 43A型壓力采集系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。

圖1 聲學(xué)探桿結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic probe

2 試驗材料與方案

2.1 試驗底床制備

試驗土體取自黃河三角洲水下沉積物。試驗前將土體中含有的礫石及垃圾碎屑等雜物去除，并將土體攤開，自然風(fēng)干之后碾碎并簡易過篩，使其充分均勻，采用密度計和篩析相結(jié)合的方法對土樣進(jìn)行粒度分析。根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T12763.8-2007)，采用謝帕德沉積物粒度三角圖法[11]，確定試驗用粉土為砂質(zhì)粉砂，黏粒含量約10%。

試驗中采用鐵皮制作的長方形模型槽作為粉土底床載體(見圖2)。

圖2 底床及試驗點示意圖Fig.2 Layout of sediment bed and test points

測試土樣厚度為32 cm，共分三部分，最下部和最上部為非液化層，厚度均為2 cm，中間為可液化粉土層，厚度為28 cm。非液化層采用摻入高嶺土的粉土來提高抵抗振動液化的能力。在制備液化層時，由于粉土滲透性較差，為確保初始底床分布均勻，將粉質(zhì)沉積物配成含水率一定的泥漿。首先，向攪拌桶內(nèi)加入適量的土體和水，攪拌均勻，制成一定稠度的泥漿，采用微波爐快速烘干測定配置泥漿的含水率，維持其含水率在30%左右。為了減少氣體進(jìn)入沉積物底床中，采用平滑的硬質(zhì)塑料板將泥漿緩慢導(dǎo)流至模型箱底部。泥漿倒入前，放置好固定有孔壓計的鋼筋支架，待底床鋪設(shè)約10 cm時，再將聲學(xué)探桿插入于模型箱中，而后逐步將模型箱填滿。

2.2 試驗方案設(shè)計

整個試驗過程分為三個階段：靜置固結(jié)階段(I)、振動液化階段(II)、液化再固結(jié)階段(III)。

階段I：持續(xù)兩天，沒有擾動狀態(tài)，沉積物底床處于靜置固結(jié)狀態(tài)。該階段進(jìn)行到24h后進(jìn)行聲學(xué)測試工作。

階段II：啟動振動臺，施加振動荷載。觀察試驗現(xiàn)象并實時監(jiān)測孔壓動態(tài)，觀測到液化發(fā)生后立即關(guān)閉電源，等待余振消失后立刻進(jìn)行波速測試工作。聲學(xué)測量工作宜迅速完成。

階段III：振動液化階段結(jié)束后，分別在5，24，48 h后進(jìn)行聲學(xué)測試工作。

為研究三個試驗階段中沉積物縱波和橫波速度的變化，以及深入探索速度與沉積物物理性質(zhì)之間的關(guān)系，同時在每個階段中用自制的PVC土體取樣器對不同深度的土體采集土樣[12]，對密度、孔隙度和平均粒徑等物理性質(zhì)參數(shù)，利用常規(guī)的土工試驗進(jìn)行了物理性質(zhì)測試。

2.3 縱橫波速數(shù)據(jù)處理

2.3.1 波場識別 對獲得的縱、橫波記錄(見圖3)，首先要進(jìn)行波場識別。對縱波記錄，因其傳播速度較大而最先到達(dá)接收傳感器，初至?xí)r間最小，容易識別；但對于橫波來說，屬于續(xù)至波，不容易識別，因而試驗中采用自制的震錘式小能量震源(激發(fā)子波頻率約100 Hz)，沿垂直方向錘擊激發(fā)縱波(見圖3a, b)，而在水平方向采用左、右兩次激發(fā)方式，以獲得不同極性的剪切波(見圖3c, d)，根據(jù)極性變化則可以精確的識別出剪切波的初至?xí)r刻。

2.3.2 初至拾取 不同位置接收到的縱、橫波初至?xí)r間用于計算該深度區(qū)段的土體平均波速。通常有人工拾取和自動判別兩種方式。人工拾取方式精度低，易受到人為判別誤差影響。試驗中采用互相關(guān)算法[13]，自動判別兩個縱波記錄的初至?xí)r間差。而對剪切波初至?xí)r間，因采用正、反激發(fā)的方式，易于根據(jù)相位變化判別初至，試驗中采用人工拾取的方法。

圖3 實測縱波(a,b)和橫波(c,d)波形圖Fig.3 Measured (a, b) compressional wave and (c, d) shear wave

2.3.3 路徑校正與速度計算 實際測量過程中，由于激發(fā)點不在接收傳感器的正上方，波的傳播路徑并非垂直入射和反射(見圖4)。

圖4 路徑校正與速度計算原理圖Fig.4 Theory of path correction and velocity calculation

因此需要根據(jù)激發(fā)點到探桿的距離d和接收傳感器的深度h校正真實的傳播路徑長度l，其校正公式為，

(1)

此外，由某一傳感器接收到的波的初至?xí)r間計算出來的速度v為該深度之上地層的平均速度，并非傳感器所在深度處的土體速度。事實上，本試驗設(shè)計的接收探桿中，各傳感器間距僅為3 cm，因而近似認(rèn)為相互靠近的傳感器之間的土體速度是不變的。基于這一假設(shè)條件，可以根據(jù)傳感器A處的初至?xí)r間tA和傳播路徑長度SA，用公式(2)計算出A點以上深度范圍內(nèi)的平均速度v1，再根據(jù)公式(3)，計算出波沿SC路徑的傳播時間tSC，最后通過公式(4)即可求出傳感器A和B之間的波速v2。

v1=SA/tA，

(2)

tSC=SC/v1，

(3)

v2=BC/(tB-tSC)。

(4)

3 結(jié)果與討論

3.1 不同狀態(tài)下土體物理性質(zhì)

分析試驗中粉土處于不同狀態(tài)下物理性質(zhì)測試結(jié)果(見圖5)表明：

靜置固結(jié)土體(階段I)的密度和平均粒徑隨著深度增加而增大，含水率和孔隙度隨深度增大而減小，其中孔隙度變化幅度最大。該結(jié)果將在后續(xù)討論中作為參考值。

與I階段結(jié)果相比，階段II中振動液化后土體的密度隨深度而減小，并在18 cm以上高于參考密度，而在18 cm以下明顯減??；含水率較I階段明顯增大，并隨深度增大而增大；孔隙度在兩個階段中隨深度增加呈現(xiàn)完全相反的變化趨勢，在18 cm以上顯著減小，而在18 cm以下高于階段I參考值；平均粒徑整體上較I階段減小，但以18 cm以下減小幅度更大。

在階段III中，隨著固結(jié)時間增加，各物理性質(zhì)指標(biāo)以18 cm深度為界限，分別呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。在18 cm以上，密度隨固結(jié)時間地增加，總體上逐漸減小，并且在完全固結(jié)時(48 h)低于參考值；而在18 cm以下，密度隨固結(jié)時間增加而增大，并明顯高于參考值。含水率和孔隙度在18 cm以上隨固結(jié)時間增加而減小，最終小于參考值；18 cm以下也呈現(xiàn)相同的趨勢，但變化幅度更大。在18 cm以上，平均粒徑基本上不隨固結(jié)時間變化，但在18 cm以下，隨著固結(jié)時間增加，平均粒徑逐漸增大，其值介于階段I和階段II之間。

圖5 物理性質(zhì)隨深度變化曲線Fig.5 Curves of physical properties with depth

3.2 縱、橫波速度變化規(guī)律

分別在深度12，15，18，21，24和27 cm深度處測定土體縱波波速和橫波波速(見圖6)。

由圖6可見，階段I中，隨土層深度增加，靜置固結(jié)土體的縱波速度和橫波速度呈增大的趨勢，縱波速由1 132 m/s增加至1 371 m/s，橫波由28 m/s增加至38 m/s。

振動液化后土體縱波速度(見圖7)以深度18 cm為界限，表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，其變化范圍為1 220 ～1 343 m/s；而橫波速度則呈現(xiàn)降～升～降的變化規(guī)律，其變化范圍為31～35 m/s。

分析圖8可知，液化土體固結(jié)過程中縱、橫波速度較I、II階段均有明顯提高。對縱波波速來說，其波速值隨深度增加而增大，變化范圍為1 270～1 533 m/s；固結(jié)24和48 h時的波速值較為接近，但比固結(jié)5 h時的波速值要高一些。橫波速度亦表現(xiàn)為隨深度增加而增大，變化范圍為32～50 m/s；隨固結(jié)時間增加，波速值逐漸增高，但與縱波速度相比，不同固結(jié)時間橫波速度的變化幅度非常明顯，且在24和48 h時的波速值較為接近。

圖6 靜置固結(jié)階段(a)縱波，(b)橫波波速圖Fig.6 Velocity of (a) compressional wave and (b) shear wave during static consolidation

圖7 振動液化階段(a)縱波，(b)橫波波速圖Fig.7 Velocity of (a) compressional wave and (b) shear wave during liquefaction

圖8 液化再固結(jié)階段(a)縱波，(b)橫波波速圖Fig.8 Velocity of (a) compressional wave and (b) shear wave during reconsolidation after liquefaction

3.3 速度與物理性質(zhì)的關(guān)系

沉積物縱、橫波速度的變化取決于土體的物理性質(zhì)。為深入了解二者的關(guān)系，先簡單分析試驗土體的性態(tài)。根據(jù)試驗中布設(shè)的土壓和孔壓探頭監(jiān)測數(shù)據(jù)，振動結(jié)束時P2(20 cm)深度處的超孔壓比超過1，而P1(10 cm)處超孔壓比一直小于1。此現(xiàn)象說明模型槽中僅有部分土體達(dá)到完全液化狀態(tài)，這一結(jié)論也可從圖5所示土樣物理性質(zhì)測試結(jié)果得到，圖中以21 cm深度為界限的上下層土體的物理性質(zhì)在液化前后具有明顯不同的變化規(guī)律，18 cm深度以上液化前后物理性質(zhì)變化不大，18～21 cm變化稍大，可認(rèn)為是完全液化和部分液化土層的過渡區(qū)段，而在21 cm以下液化前后土層的物理性質(zhì)變化非常明顯。鑒于該深度范圍內(nèi)(21～28 cm)土體液化前后所具有的顯著變化，以下僅對這一范圍內(nèi)土體的物理性質(zhì)和縱、橫波速度進(jìn)行討論。

圖5表明，從靜置固結(jié)～液化～再固結(jié)階段，土體縱、橫波速度(見圖6，7，8)表現(xiàn)為先減小，而后增大的規(guī)律。土體密度也表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律，并至固結(jié)48 h后密度最大，說明沉積物的密度與縱、橫波速度呈正相關(guān)；含水率表現(xiàn)為先升高，再降低的規(guī)律，與縱、橫波速度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系；平均粒徑表現(xiàn)為先減小而后增大，亦和縱、橫波速度呈正相關(guān)關(guān)系；而對于孔隙度來說，其初始固結(jié)狀態(tài)與液化～再固結(jié)狀態(tài)下的數(shù)值并無規(guī)律可尋，這可能與制備土樣的均勻性以及孔隙周圍土顆粒的接觸關(guān)系有關(guān)。如果忽略土顆粒微結(jié)構(gòu)造成的影響，則在液化 ～ 再固結(jié)階段表現(xiàn)為孔隙度逐漸減小，結(jié)合縱、橫波速度在這兩個階段的變化規(guī)律，可知二者也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

此外，通過對圖5～8測量結(jié)果橫向比較還可以發(fā)現(xiàn)，由于不同階段土體物理性質(zhì)的較大變化，縱、橫波速度也呈現(xiàn)出明顯的波速差異，說明速度對土體狀態(tài)的反映是非常敏感的。從縱波速度和橫波速度的變化范圍來看，橫波速度又較縱波速度變化范圍大得多, 關(guān)于這一點，從液化固結(jié)5、24和48 h的測量結(jié)果(圖8)反映得更清楚，3個固結(jié)時刻的縱波速度差別不大，而剪切波速具有非常明顯的差別，這說明橫波速度可更好地反映海底沉積物的物性差異。

5 結(jié)論與展望

本文通過振動臺試驗?zāi)M了地震動導(dǎo)致的粉土液化過程，研究了液化、再固結(jié)過程中物理性質(zhì)與縱、橫波速度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)不同狀態(tài)下土體的物理性質(zhì)具有明顯變化，導(dǎo)致縱、橫波速度有明顯差異。液化后土體縱、橫波速度降低，縱波速度最低為1 220 m/s，而橫波最低為31 m/s；再固結(jié)后土體波速較初始狀態(tài)又有較大程度升高，縱波速度最大可達(dá)1 600 m/s左右，橫波速度最大則可達(dá)到50 m/s，與國內(nèi)學(xué)者測得的沉積物剪切波速結(jié)果相吻合[14]。

(2)沉積物中縱、橫波速度與物理性質(zhì)具良好的相關(guān)性，從單個物理性質(zhì)指標(biāo)來看，密度、平均粒徑及孔隙度與縱、橫波速度呈正相關(guān)，而含水率與之呈負(fù)相關(guān)。

(3)與縱波速度相比，橫波速度對沉積物物理性質(zhì)反應(yīng)更敏感，能更好地刻畫沉積物物理性質(zhì)的變化。

應(yīng)該指出，實際的地震荷載作用下海底沉積物物理性質(zhì)變化是非常復(fù)雜的，縱、橫波速度的變化應(yīng)受多種物理性質(zhì)共同的影響，且試驗中模型箱為不透水材料，試驗數(shù)據(jù)實際上反映了不排水條件下的結(jié)果。本文僅根據(jù)粉土樣品測試結(jié)果進(jìn)行了初步分析，給出一些基本特征。對其它荷載(如波浪動力)作用，多種物理性質(zhì)參數(shù)對縱、橫波速度的綜合影響，以及固結(jié)排水條件下速度的變化規(guī)律，均有待今后進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

[1] 劉小麗, 劉紅軍, 賈永剛. 黃河三角洲飽和粉土層地震液化判別方法及液化特征研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(S1): 2981-2987. Liu Xiao-li, Liu Hong-jun, Jia Yong-gang. Investigation on prediction methods and characteristics of earthquake-induced liquefaction of silty soil in the yellow river delta[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S1): 2981-2987.

[2] 邵廣彪. 近斷層海底土層地震液化及側(cè)移研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2005: 4-6. SHAO Guang-biao. Research on Earthquake Induced Liquefaction and Lateral Displacement of Submarine Soil Layer in Near Fault Area[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2005: 4-6.

[3] 董全財. 海底沉積物小尺度聲場超聲探針檢測實驗研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2011: 19-23. DONG Quan-cai. The Experimental Study on Small-scale Sound Field in the Seabed Sediment Based on Ultrasonic Probe[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2011: 19-23.

[4] 程凈凈, 傅命佐, 孟祥梅, 等. 南黃海中部沉積物物理性質(zhì)與壓縮波速相關(guān)性分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011 (S1): 331-336. Cheng Jingjing, Fu Mingzuo, Meng Xiangmei, et al. Correlation analysis of physical properties and compressional wave velocity of seafloor sediments from the central part of the South Yellow Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2011, 41(sup.): 331-336.

[5] Endler M, Endler R, Bobertz B, et al. Linkage between acoustic parameters and seabed sediment properties in the south-western Baltic Sea[J]. Geo-Marine Letters, 2015, 35(2): 145-160.

[6] Kim D C, Sung J Y, Park S C, et al. Physical and acoustic properties of shelf sediments, the South Sea of Korea[J]. Marine Geology, 2001, 179(1): 39-50.

[7] 鄒大鵬, 吳百海, 盧博, 等. 海底沉積物聲速實驗室測量結(jié)果校正研究[J]. 熱帶海洋學(xué)報, 2008, 27(1): 27-31. ZOU Da-peng, WU Bai-hai, LU Bo, et al. A study on correction of acoustic velocity in seafloor sediments measured in laboratory[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2008, 27(1): 27-31.

[8] 孟祥梅, 闞光明, 李官保, 等. 南黃海中西部海底空間沉積特征及工程地質(zhì)特性[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2015, 23(6): 1202-1210. Meng Xiangmei, Kan Guangming, Li Guanbao, et al. Spatial characteristics and geotechnical properties of seafloor sediment in west—central area of Southern Yellow Sea[J]. Journal of Engineering Geology, 2015, 23(6): 1202-1210.

[9] 王欣， 許國輝， 孫永福， 等. 黃河水下三角洲液化海底的重新層化及其試驗求證[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)， 2013, 33(6): 29-40. Wang Xin, Xu Guo-hui, Sun Yong-fu, et al. Storm-Waves-Induced seabed sediment liquefaction and re-stratification on the Yellow River subaqueous delta[J]. Marine Geology and Quaternary Geology, 2013, 33(6): 29-40.

[10] 楊海申, 何慶華, 梁秀文, 等. VSP三分量微測井技術(shù)在表層調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 石油地球物理勘探, 2005, 40(1): 97-102. Yang Hai-shen, He Qing-hua, Liang Xiu-wen, et al. Application of 3C VSP uphole survey technique in near-surface[J]. Oil Geophjical Prospecting, 2005, 40(1): 97-102.

[11] 薛春汀. 兩種碎屑沉積物分類的比較[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 1994(2): 109-113. XUE Chun-ting. Comparison of two classifications of clastic sediments[J]. Marine Geology and Quaternary Geology, 1994(2): 109-113.

[12] 楊俊. 沉積物液化過程的聲學(xué)特性試驗研究[D]. 青島： 中國海洋大學(xué)， 2016: 15-17 YANG Jun. Experimental Study on the Acoustic Characteristics of Sediment During the Process of Liquefaction[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2016: 15-17.

[13] 王萍, 萬柏坤, 程燁. 精確的互相關(guān)算法在超聲波流速測量中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2007, 26(9): 107-108. WANG Ping, WAN Bo-kun, CHENG Ye, et al. Application of accurate cross-correlation method in ultrasonic flow measurement[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2007, 26(9): 107-108.

[14] 潘國富，葉銀燦，來向華，等. 海底沉積物實驗室剪切波速度及其與沉積物的物理性質(zhì)之間的關(guān)系[J]. 海洋學(xué)報，2006, 28(5): 64-68. PAN Guo-fu, YE Yin-can, LAI Xiang-hua, et al. Shear wave velocity of seabed sediment from laboratory measurements and its relationship with physical properties of sediment[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2006, 28(5): 64-68.

Abstract: The liquefaction of seabed sediments may induced by the action of strong vibration loads. In order to understand the variation between velocity characteristics and physical properties during the processes of silt vibrating liquefaction and reconsolidation, the shaking table test was used to simulate the seismic action. The wave velocity measurement and physical property test of soil were carried out for different status. The velocity variation of compressional wave and shear wave, and the correlation between velocity and the physical properties were investigated. The results show that the velocities of the compressional wave and shear wave are decreased in comparison with those in the original consolidation state, and the velocities are increased obviously after liquefaction and reconsolidation. The correlations between the velocity and the physical properties of the sediments are better preferable, which are positively correlated with the density and the average particle size, but negatively correlated with the porosity and water content. Compared with the compressional wave velocity, the shear wave velocity is more sensitive to the physical properties of the sediments, which can characterize the variation of sediments physical properties preferably.

Key words: vibration liquefaction; silt; compressional wave velocity; shear wave velocity; physical property

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Experimental Study on Wave Velocity Characteristics and Physical Properties of Silt During Liquefaction and Reconsolidation

MENG Qing-Sheng1,2， CAO Guo-Lin1， LIU Sheng-Biao1,2， ZHAO Zhao1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering，Ocean University of China, Qingdao 266100，China)

TV221.2

A

1672-5174(2017)10-021-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160466

孟慶生， 曹國林， 劉圣彪， 等．粉土液化再固結(jié)過程中的波速特征及物理性質(zhì)試驗研究[J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2017, 47(10): 21-27.

MENG Qing-Sheng, CAO Guo-Lin, LIU Sheng-Biao, et al. Experimental study on wave velocity characteristics and physical properties of silt during liquefaction and reconsolidation[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 21-27.

國家自然科學(xué)基金項目(41427803)；國家重點研發(fā)項目(2017YFC0307701)資助 Supported by the Project of the National Natural Science Foundation of China (41427803);National Key Scientific Research Project(2017YFC0307701)

2017-05-05；

2017-07-07

孟慶生(1972-)，男，博士，副教授，主要從事海洋沉積聲學(xué)研究。E-mail：qingsheng@ouc.edu.cn