波浪導(dǎo)致黃河口海床沉積物超孔壓響應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

劉曉磊，賈永剛，鄭杰文

（1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 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.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

1 引 言

黃河口海床沉積物具有極為復(fù)雜的工程地質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)，自20 世紀(jì)80年代以來，已成為國內(nèi)外海洋巖土工程與地質(zhì)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[1-3]。黃河口海床強(qiáng)度普遍呈現(xiàn)非均勻分布，其中發(fā)育的海底硬層往往具有壓縮性低、膠結(jié)結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、含水率較低、孔隙比較低、變形模量和地基承載力較大、以及呈超固結(jié)狀態(tài)等特點(diǎn)[4-5]，因此，工程中優(yōu)先考慮將其作為海洋平臺與海底管線等工程設(shè)施的地基持力層。然而，在眾多現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，這些硬層周圍海床在大風(fēng)浪期間常常發(fā)生破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。

黃河口海床特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)與復(fù)雜的工程動力穩(wěn)定性，均與以粉質(zhì)土為主的海床沉積物在波浪荷載作用下的動力學(xué)特性有關(guān)[9]。馮秀麗等[10]利用室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，研究了動荷載作用下粉土的孔壓響應(yīng)與動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，判斷了不同深度處的粉土發(fā)生液化的可能性；張民生等[11]通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)，研究了黃河口粉土在波浪作用下的孔隙水壓力與強(qiáng)度變化特征，認(rèn)為土體液化是硬層形成的必要條件；單紅仙等[12]與常方強(qiáng)等[13]則將模擬試驗(yàn)移至現(xiàn)場進(jìn)行，分別利用振動加載試驗(yàn)討論了海床沉積物的孔壓累積與液化過程。顯然，由于土樣在采集過程中受到擾動以及應(yīng)力釋放等因素的影響，室內(nèi)試驗(yàn)得到的波浪導(dǎo)致土體孔壓響應(yīng)與液化規(guī)律不能完全代表海床原位沉積物的波浪動力響應(yīng)特性。相對而言，在現(xiàn)場設(shè)計(jì)合理的觀測試驗(yàn)?zāi)軌颢@得更為準(zhǔn)確的研究結(jié)果，但試驗(yàn)點(diǎn)土樣的代表性則是研究者必須考慮的問題。

基于已有研究基礎(chǔ)，本文在現(xiàn)代黃河水下三角洲潮間帶岸灘選擇典型研究點(diǎn)，現(xiàn)場模擬波浪作用對原狀海床沉積物實(shí)施循環(huán)加載，利用孔隙水壓力觀測、沉積物強(qiáng)度測試、樣品的實(shí)驗(yàn)室土工測試等方法手段，研究波浪導(dǎo)致黃河口海床沉積物孔壓響應(yīng)與強(qiáng)度變化規(guī)律，并對原狀海床的液化特征與超孔壓響應(yīng)模式進(jìn)行了探討。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 研究點(diǎn)介紹

現(xiàn)場試驗(yàn)選在圍繞現(xiàn)代黃河三角洲岸線的4 個(gè)典型潮間帶岸灘，從北到南分別為樁292、孤東、新灘、海紅港。這些研究點(diǎn)分別位于不同沉積年代的黃河亞三角洲葉瓣。沉積年代不同，意味著同樣源自黃河的入海沉積物所經(jīng)歷的固結(jié)時(shí)間不同，在長期的固結(jié)歷史中受生物擾動與海洋水動力的分選改造程度均不同，使得各個(gè)研究點(diǎn)潮灘呈現(xiàn)出截然不同的侵蝕特征[14-15]。4 個(gè)研究點(diǎn)沉積年代與具體經(jīng)緯度坐標(biāo)見表1。

表1 4 個(gè)研究點(diǎn)位置信息Table 1 Locations of the 4 study sites

2.2 現(xiàn)場模擬波浪循環(huán)加載

在選取的4 個(gè)研究點(diǎn)潮灘上，利用一套模擬造波裝置直接對原狀海床施加循環(huán)荷載作用。如圖1所示，模擬造波裝置主要由圓柱形造波桶、環(huán)形護(hù)壁、造波活塞和手柄組成，其中圓柱形造波桶直徑為40 cm，高度為50 cm。使用時(shí)向環(huán)形護(hù)壁內(nèi)加入20 cm 海水，用手柄反復(fù)壓提活塞，從而對底部土體產(chǎn)生動水壓力作用，通過調(diào)節(jié)手柄下壓的力度和頻率，可控制模擬波浪循環(huán)荷載的幅值與周期。本試驗(yàn)中共施加循環(huán)荷載300 次，控制循環(huán)加載的周期為5 s，壓力幅值約4 kPa，根據(jù)線性波浪理論相當(dāng)于淺水波條件下0.8 m 波高的波浪作用[16]，這與黃河三角洲東營港附近海域的月平均波高統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致[3]，因此，本文在人工施加循環(huán)荷載條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的現(xiàn)實(shí)參考意義。

圖1 現(xiàn)場模擬造波裝置Fig.1 Field simulation of wave making device

2.3 孔隙水壓力觀測

在對原狀海床進(jìn)行模擬波浪循環(huán)加載之前，首先利用標(biāo)有刻度的貫入設(shè)備將孔壓探頭插入海床面以下設(shè)計(jì)深度，待由埋設(shè)孔壓探頭而產(chǎn)生的超孔壓基本消散完畢后，再于其上固定模擬造波裝置，并開始施加循環(huán)荷載。為得到不同深度沉積物對循環(huán)荷載的孔壓響應(yīng)，按以上方式共埋設(shè)了3 個(gè)孔壓探頭，深度分別位于10、20、30 cm，另外還將一個(gè)孔壓探頭置于海床表面（見圖1），直接測定床面水壓的大小。

試驗(yàn)使用壓阻式孔壓傳感器，尺寸為φ 20 mm×60 mm，采用316 不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)，具有良好的密封與抗腐蝕性能。采集設(shè)備為南京水利科學(xué)研究院研制的孔壓自動采集系統(tǒng)，可將孔壓探頭采集的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并自動保存在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中。使用前先將每個(gè)孔壓探頭連接采集系統(tǒng)用海水進(jìn)行標(biāo)定，得到真實(shí)孔壓值與對應(yīng)電信號之間的標(biāo)定公式，再根據(jù)該公式即可將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)測孔壓值?，F(xiàn)場試驗(yàn)中的孔壓采集頻率設(shè)為3 Hz。

2.4 強(qiáng)度測試

海床土強(qiáng)度測試采用沈陽建科儀器研究所生產(chǎn)的WG-V 型電子普氏貫入儀，該儀器利用靜力觸探的原理，通過貫入微型的單橋探頭來獲得不同深度土體的貫入阻力。需要指明的是，貫入阻力與抗剪強(qiáng)度之間存在較為顯著的線性相關(guān)性，但具體關(guān)系與土的類別、錐頭阻力系數(shù)以及圍壓均有關(guān)[17]。因此，本文僅以貫入阻力直接表征沉積物強(qiáng)度，不做進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。

試驗(yàn)過程中分別在循環(huán)荷載作用前、作用中和作用后測試造波裝置護(hù)壁內(nèi)的沉積物強(qiáng)度，對原狀海床沉積物在循環(huán)荷載作用不同階段的強(qiáng)度變化特征進(jìn)行分析。

2.5 常規(guī)土工指標(biāo)測試

對各個(gè)研究點(diǎn)潮灘沉積物進(jìn)行表層樣品采集，對樣品進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工指標(biāo)測試，測試方法參見《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，得到4 個(gè)研究點(diǎn)潮灘表層沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)與粒度組成情況，見表2。測試沉積物樣品除了新灘研究點(diǎn)為粉質(zhì)黏土外，其他3 個(gè)研究點(diǎn)均為粉土。

表2 4 個(gè)研究點(diǎn)表層沉積物物理力學(xué)性質(zhì)與粒度組成Table 2 Physical and mechanical properties and grain size composition of superficial sediments from the 4 study sites

3 分析與討論

3.1 波浪導(dǎo)致海床孔壓響應(yīng)

根據(jù)孔壓觀測結(jié)果，得到不同深度的原狀海床超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線，如圖2 所示。

圖2 4 個(gè)研究點(diǎn)海床超孔壓隨時(shí)間變化Fig.2 Temporal variations of seabed excess pore pressure at 4 study sites

沉積年代為1964～1976年的樁292 研究點(diǎn)（圖2(a)），原狀海床在模擬波浪循環(huán)加載前期超孔壓累積不明顯，在循環(huán)荷載持續(xù)至700 s 左右、加載約140 次時(shí)，各深度沉積物內(nèi)部發(fā)生較為顯著的超孔壓累積。在動荷載作用最后階段，10 cm 與20 cm深度的超孔壓急劇減小為負(fù)值，試驗(yàn)中對應(yīng)時(shí)刻發(fā)生了造波裝置傾斜，說明20 cm 深度范圍內(nèi)的海床沉積物在該循環(huán)荷載作用下發(fā)生了較大變形的剪切破壞，破壞的沉積物發(fā)生剪脹，因此，產(chǎn)生負(fù)的超孔壓。黃河水下三角洲海床在真實(shí)的風(fēng)暴浪作用下也曾因海底滑坡而出現(xiàn)了這種負(fù)的超孔壓現(xiàn)象[1]。

孤東研究點(diǎn)（沉積年代為1947～1964年）的原狀海床孔壓響應(yīng)與樁292 類似，如圖2(b)所示，超孔壓在加載初始階段只有少量累積，且在加載過程中逐漸消散。沉積物內(nèi)部超孔壓的顯著增大也開始于模擬波浪循環(huán)加載700 s 左右的時(shí)間，并于100 s內(nèi)增至最大，之后超孔壓隨著加載時(shí)間而緩慢消散?？傮w而言，孤東研究點(diǎn)的原狀海床孔壓響應(yīng)與樁292 具有相似性，這與兩個(gè)研究點(diǎn)海床初始物理力學(xué)性質(zhì)與粒度組成十分接近有關(guān)（見表2）。

沉積年代最近的新灘（1976～1996年間形成），相較于其他3 個(gè)研究點(diǎn)，測試區(qū)沉積物顆粒明顯較細(xì)，黏粒含量達(dá)37.4%，平均粒徑僅為0.008 mm（見表2），使得該研究點(diǎn)海床沉積物呈現(xiàn)出較為獨(dú)特的孔壓響應(yīng)特征，如圖2(c)所示。在施加循環(huán)荷載初期，海床30 cm 深度范圍內(nèi)均發(fā)生了不同程度的超孔壓快速累積，其中10 cm 深度的超孔壓累積最為顯著；當(dāng)10 cm 和20 cm 深度沉積物超孔壓達(dá)到最大值后，開始隨循環(huán)加載的持續(xù)而不斷降低，30 cm深度超孔壓則相對保持穩(wěn)定；當(dāng)利用造波裝置模擬波浪加載約220 次之后，海床各深度沉積物內(nèi)部超孔壓又迅速累積至最大值，10 cm 和20 cm 深度的超孔壓開始出現(xiàn)劇烈波動，表明此時(shí)該深度范圍內(nèi)沉積物已發(fā)生完全液化[13]。

4 個(gè)研究點(diǎn)中砂粒含量最大、顆粒相對最粗的是海紅港，原狀海床沉積物在循環(huán)加載初始階段有較明顯的超孔壓累積，按超孔壓增長速度由快到慢的海床深度依次是10、30、20 cm；在整個(gè)模擬波浪循環(huán)加載過程中，各深度沉積物的超孔壓隨時(shí)間增長出現(xiàn)輕微波動，但整體上呈穩(wěn)定增長的趨勢，達(dá)到最大值后基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)（見圖2(d)）。

3.2 波浪導(dǎo)致海床強(qiáng)度變化

將現(xiàn)場循環(huán)加載過程中，各研究點(diǎn)原狀海床沉積物在加載前、加載中與加載后的強(qiáng)度的測試結(jié)果繪制于圖3 中。由于各研究點(diǎn)海床孔隙水壓力響應(yīng)特征存在差異，海床沉積物強(qiáng)度在不同的加載階段也呈現(xiàn)出明顯不同的分布特征。

在樁292 研究點(diǎn)，原始海床的整體強(qiáng)度相對較高，在40 cm 深度存在一個(gè)硬殼層（見圖3(a)）。當(dāng)循環(huán)荷載作用180 次后，表層15 cm 以上沉積物強(qiáng)度提高，30 cm 以下深度則減弱。在300 次循環(huán)加載結(jié)束后，30 cm 深度沉積物因超孔壓發(fā)生消散導(dǎo)致強(qiáng)度略有增大，而淺層海床強(qiáng)度普遍減小，這與該組試驗(yàn)后期表層沉積物發(fā)生大變形破壞相一致。

孤東研究點(diǎn)的原始海床沉積物強(qiáng)度較低，加載前在60 cm 深度以內(nèi)的沉積物貫入阻力值均小于20 N（見圖3(b)）。在模擬波浪循環(huán)荷載作用過程中（加載140 次），30 cm 深度范圍內(nèi)沉積物強(qiáng)度均普遍增大，對應(yīng)孔壓響應(yīng)曲線（見圖2(b)）也可發(fā)現(xiàn)此時(shí)海床內(nèi)部并沒有明顯的超孔壓累積，沉積物在循環(huán)荷載的作用下變得更加密實(shí)。圖2(b)中還顯示海床內(nèi)部超孔壓的累積基本發(fā)生在循環(huán)加載140 次之后，超孔壓累積造成土體有效應(yīng)力降低，因此，在循環(huán)加載300 次后海床沉積物強(qiáng)度又明顯降低，最終海床沉積物的強(qiáng)度分布與加載之前相差不大。

新灘研究點(diǎn)的海床沉積物強(qiáng)度在循環(huán)加載過程中的變化同樣與孔壓響應(yīng)特征密切相關(guān)。如圖3(c)所示，初始海床以20 cm 深度為臨界深度，上部沉積物強(qiáng)度較小，貫入阻力小于20 N，下部沉積物則具有相對較高的強(qiáng)度，貫入阻力值基本在30 N 左右波動。當(dāng)利用循環(huán)水壓加載150 次后，海床20 cm深度上部沉積物強(qiáng)度增大，下部則明顯減小，在對應(yīng)時(shí)刻的孔壓響應(yīng)曲線中可以看到（見圖2(c)），此時(shí)各深度沉積物內(nèi)部均發(fā)生了超孔壓累積，其中10 cm 和20 cm 兩個(gè)深度超孔壓已經(jīng)部分消散，而30 cm 深度的超孔壓則維持在一定的累積水平，因此，造成了20 cm 深度上下位置沉積物強(qiáng)度的非均勻性變化；從整體上看，海床沉積物強(qiáng)度在循環(huán)荷載作用一定時(shí)間后變得更加均勻。

圖3 4 個(gè)研究點(diǎn)海床強(qiáng)度在循環(huán)荷載下的變化Fig.3 Variations of seabed strength at the 4 study sites under cyclic loading

在海紅港研究點(diǎn)，由于在循環(huán)加載過程中海床內(nèi)部超孔壓呈穩(wěn)定增長的趨勢，沉積物強(qiáng)度不斷發(fā)生衰減（見圖3(d)）。在循環(huán)荷載加載110 次至300次過程中，20 cm 深度附近的沉積物貫入阻力衰減幅度最大，說明該深度超孔壓累積程度較大。

3.3 波浪導(dǎo)致海床液化特征

循環(huán)荷載作用下原狀海床沉積物的孔壓響應(yīng)特征，直接決定了海床的液化特性[19]。通常認(rèn)為，當(dāng)沉積物內(nèi)部累積的超靜孔隙水壓力達(dá)到臨界值時(shí)，沉積物發(fā)生液化。傳統(tǒng)土力學(xué)中以初始有效應(yīng)力作為判斷海床液化的臨界值，即ucr=σV′，

式中：ucr為達(dá)到液化的超靜孔隙水壓力（kPa）；σV′為初始有效應(yīng)力（kPa）；γ′為沉積物的浮重度（kN/m3）；z為沉積物所在深度（m）。近年來，部分學(xué)者提出三維條件下海洋沉積物液化的判別，應(yīng)以初始平均有效正應(yīng)力作為判斷液化的臨界值來考慮[20-21]，即 ucr=p′，

式中：p′為初始平均有效正應(yīng)力（kPa）；K0為土體側(cè)壓力系數(shù)，取黃河三角洲粉土經(jīng)驗(yàn)值0.5。若假設(shè)現(xiàn)場試驗(yàn)過程中觀 測的海床沉積物最大超孔壓達(dá)到了液化臨界值，即umax=ucr，則可利用式（2）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成海床液化深度的估算公式：

式中：zL為循環(huán)荷載作用導(dǎo)致海床液化深度。采用表1 中4 個(gè)研究點(diǎn)海床沉積物的基本土性參數(shù)，再根據(jù)各研究點(diǎn)海床在模擬波浪循環(huán)加載過程中累積的最大超孔壓，即可由式（3）計(jì)算得到各個(gè)研究點(diǎn)在現(xiàn)場試驗(yàn)條件下的液化深度（見表3）。

在利用現(xiàn)場試驗(yàn)采用的模擬波浪循環(huán)荷載作用下，沉積于不同年代的黃河三角洲潮間帶岸灘海床的孔壓響應(yīng)與對應(yīng)液化深度具有顯著區(qū)別，這顯然與沉積物的性質(zhì)密切相關(guān)。圖4 中對循環(huán)荷載導(dǎo)致的原狀海床液化深度與沉積物性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了匯總，由于受現(xiàn)場觀測條件的限制使得圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，因此，尚無法建立顯著的回歸關(guān)系式，基于圖中有限數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析可以得出，在同一波浪循環(huán)荷載的持續(xù)作用下，原狀海床沉積物的液化深度受沉積物的干密度、孔隙比、飽和度等初始物理性質(zhì)影響顯著；同時(shí)，沉積物的粒度組成，特別是細(xì)顆粒組分的相對含量高低也在很大程度上控制著沉積物的液化特性。對于以粉粒為優(yōu)勢含量的黃河口原狀海床，黏粒含量越高，淺水波浪下的液化深度越高。

表3 各研究點(diǎn)海床浮重度、最大超孔壓、達(dá)到最大超孔壓的時(shí)間、液化深度匯總表Table 3 Summary of sediment submerged unit weight,the maximum excess pore pressure,occurrence times of the maximum excess pore pressure and liquefaction depth

圖4 循環(huán)荷載導(dǎo)致海床液化深度與沉積物性質(zhì)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between liquefaction depth and properties of sediment due to cyclic loading

3.4 原狀海床沉積物超孔壓響應(yīng)模式探討

根據(jù)4 個(gè)研究點(diǎn)海床沉積物在循環(huán)荷載作用下的孔壓變化規(guī)律，可以得到黃河三角洲原狀海床在循環(huán)荷載作用下一般化的超孔壓響應(yīng)模式，再結(jié)合海床沉積物強(qiáng)度在不同加載階段的變化特征，分析超孔壓響應(yīng)過程對沉積物強(qiáng)度的影響。如圖5 所示，海床沉積物在循環(huán)荷載作用過程中一般化的超孔壓響應(yīng)可分為逐漸累積（階段Ⅰ）、部分消散（階段Ⅱ）、快速累積（階段Ⅲ）、累積液化（階段Ⅳ）和完全消散（階段Ⅴ）。其中，以粉土沉積物為主的樁292、孤東、海紅港3 個(gè)研究點(diǎn)海床在試驗(yàn)過程中的超孔壓響應(yīng)主要，以階段Ⅰ和階段Ⅱ較為明顯，而以粉質(zhì)黏土為主的新灘研究點(diǎn)則具有明顯的階段Ⅲ和階段Ⅳ特征。黃河三角洲是以粉粒為主的海床沉積物，微觀上大多具有骨架結(jié)構(gòu)，即以粉粒為骨架，少量黏粒不均勻分布于其中，以薄膜或者星點(diǎn)狀覆蓋在粉粒表面，黏粒含量較多時(shí)則相互之間可形成一定的空間結(jié)構(gòu)[22]。顯然，細(xì)顆粒組分的不同會使沉積物的抗液化強(qiáng)度存在明顯差異，因而對海床在循環(huán)荷載作用下的孔壓響應(yīng)規(guī)律造成影響[23]。常方強(qiáng)等[13]通過現(xiàn)場振動試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海床重塑土的孔壓變化明顯區(qū)別于原狀土，說明細(xì)粒沉積物的結(jié)構(gòu)性同時(shí)對海床孔壓響應(yīng)與強(qiáng)度起控制作用。以下結(jié)合圖5分析超孔壓響應(yīng)過程及其對沉積物強(qiáng)度的影響。

圖5 循環(huán)荷載作用下原狀海床超孔壓與強(qiáng)度響應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of response in excess pore pressure and strength of natural seabed due to cyclic loading

階段Ⅰ：當(dāng)開始施加循環(huán)荷載時(shí)，沉積物內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)剪切應(yīng)變，原本充填于土顆?？紫堕g的海水受到壓縮，由于承壓孔隙水來不及排出，便產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，隨著循環(huán)荷載的持續(xù)作用，沉積物內(nèi)部超孔壓逐漸累積，作用于土顆粒上的有效應(yīng)力逐漸降低，于是強(qiáng)度開始發(fā)生衰減。在這一過程中，超孔壓的累積速度受沉積物本身性質(zhì)控制，新灘在4 個(gè)研究點(diǎn)中的超孔壓累積速度最快（見表3），這是由于新灘研究點(diǎn)海床黏粒含量最大，剪切模量較小，在相同剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)變較大，孔隙水承受壓力較高；同時(shí)，新灘沉積物的平均粒徑最細(xì)，孔隙比最?。ㄒ姳?），其海床滲透性也較差，因此，造成階段Ⅰ中的超孔壓累積速度最快。

階段Ⅱ：在超孔壓逐漸累積過程中，由于土體的彈性變形而在沉積物內(nèi)部產(chǎn)生振蕩的孔隙水滲透力，當(dāng)超孔壓累積到一定程度時(shí)，該滲透力相應(yīng)放大，一些吸附在表面的細(xì)小顆粒逐漸從土骨架中脫離，原始海床結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞，此時(shí)原本完全封閉的孔隙水約束環(huán)境消失，沉積物的滲透性提高，開始出現(xiàn)孔隙水的滲流，超孔壓開始發(fā)生部分消散。同時(shí)，伴隨著局部孔隙水的滲流過程，細(xì)小顆粒被帶離原來的位置，使得較大的粉粒逐漸交錯連接到一起，形成新的骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對密實(shí)，顆粒間摩擦力增強(qiáng)，因而沉積物強(qiáng)度較之前逐漸增大。

階段Ⅲ：隨著超孔壓逐漸消散，部分黏粒重新附著于骨架表面，相互之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尚未形成，局部較多的黏粒形成一定厚度的薄膜，降低了孔隙通道的滲透性，因而，在持續(xù)的循環(huán)荷載作用下，孔壓累積速率又會逐漸高于消散速率。在這一過程中，如果有新的外力對其產(chǎn)生擾動時(shí)，相對較脆弱的新骨架結(jié)構(gòu)會在循環(huán)剪應(yīng)變的作用下立刻破壞，大量細(xì)顆粒再次脫離骨架進(jìn)入到孔隙水中，新的孔隙流體密度顯著增大，導(dǎo)致孔隙流體壓力瞬時(shí)增大，強(qiáng)度因此迅速衰減。

階段Ⅳ：快速累積的超孔壓達(dá)到一定臨界值時(shí)，可能造成土體骨架結(jié)構(gòu)的完全破壞，粗細(xì)顆粒均脫離原來的位置而懸浮于孔隙水中，土顆粒之間的摩擦力與聯(lián)結(jié)力均喪失，沉積物呈現(xiàn)完全液化狀態(tài)。

階段Ⅴ：隨著沉積物超孔壓的快速累積，液化海床內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)方向向上的壓力梯度，會驅(qū)動液化海床內(nèi)部的孔隙水向上運(yùn)移，而土顆粒則發(fā)生向下壓密，直至相互間重新連接在一起，使沉積物開始恢復(fù)一定的強(qiáng)度。在這一過程中，沉積物中的較粗顆粒會首先交錯連接在一起，且從滲透性較差的海床底部逐漸向上部發(fā)展，最終整個(gè)液化海床的超孔壓完全消散，沉積物顆粒更加密實(shí)，強(qiáng)度不斷增大，這與飽和海床沉積物的自重固結(jié)過程十分類似[24]。

總之，黃河口原狀海床沉積物在循環(huán)荷載作用下一般化的超孔壓響應(yīng)基本可分為以上5 個(gè)階段。其中，對于粉質(zhì)黏土而言，較高的黏粒含量對階段Ⅰ和階段Ⅲ的孔壓累積過程影響極為顯著；而對于粉土，超孔壓響應(yīng)模型中的階段Ⅲ則通常不明顯。另外可以推測，原狀海床在經(jīng)歷過一場較大波浪作用之后，當(dāng)再次遭受波浪作用時(shí)，由于海床已發(fā)生階段Ⅰ和階段Ⅱ后存在某種弱結(jié)構(gòu)骨架特征，超孔壓很可能直接從階段Ⅲ開始發(fā)展，快速發(fā)生累積液化與強(qiáng)度喪失。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用之中也應(yīng)充分考慮這一問題，例如在海洋工程選址方面應(yīng)盡量避開海底已明顯發(fā)生液化擾動的區(qū)域，同時(shí)在對特定區(qū)域進(jìn)行波浪導(dǎo)致海床液化評估時(shí)，也要考慮沉積物類型分布的時(shí)空差異。

4 結(jié) 論

（1）黃河三角洲原狀海床沉積物在經(jīng)歷循環(huán)加載過程中，典型的超孔壓響應(yīng)可分為逐漸累積、部分消散、快速累積、累積液化和完全消散5 個(gè)階段，分別對應(yīng)沉積物強(qiáng)度的衰減、增大、衰減、喪失和恢復(fù)過程，沉積物的粒度組成與結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱決定了超孔壓的具體響應(yīng)模式。

（2）沉積于不同年代的黃河三角洲潮間帶岸灘海床的液化深度受沉積物的干密度、孔隙比、飽和度等初始物理性質(zhì)影響顯著。

（3）沉積物的粒度組成，特別是細(xì)顆粒組分的相對含量高低也在很大程度上控制著沉積物的液化特性，具有較高黏粒含量的粉質(zhì)土海床在淺水波浪下的液化深度明顯較高。

[1]PRIOR D B,SUHAYDA J N,LU N Z,et al.Storm wave reactivation of a submarine landslide[J].Nature,1989,341(6237):47－50.

[2]KELLER G H,ZHEN J,YANG Z S,et al.Mass physical properties of Huanghe delta and southern Bohai sea near-surface deposits,China[J].Marine Geotechnology,1990,9(3):207－225.

[3]賈永剛,單紅仙,楊秀娟,等.黃河口沉積物動力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害[M].北京:科學(xué)出版社,2011.JIA Yong-gang,SHAN Hong-xian,YANG Xiu-juan,et al.Sediment dynamics and geologic hazards in the estuary of Yellow River,China[M].Beijing:Science Press,2011.

[4]馮秀麗,林霖,莊振業(yè),等.現(xiàn)代黃河水下三角洲全新世以來土層巖土工程參數(shù)與沉積環(huán)境之間的關(guān)系[J].海岸工程,1999,18(4):1－7.FENG Xiu-li,LIN Lin,ZHUANG Zhen-ye,et al.The relationship between geotechnical parameters and sedimentary environment of soil layers since Holocene in modern Huanghe subaqueous delta[J].Coastal Engineering,1999,18(4):1－7.

[5]常方強(qiáng),賈永剛,張建,等.黃河水下三角洲硬殼層特征及其液化過程研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2009,17(3):349－356.CHANG Fang-qiang,JIA Yong-gang,ZHANG Jian,et al.Soil property and liquefaction process of hard shell seams at subaqueous delta of Yellow River[J].Journal of Engineering Geology,2009,17(3):349－356.

[6]LU N Z,SUHAYDA J N,PRIOR D B,et al.Sediment thixotropy and submarine mass movement,Huanghe delta,China[J].Geo-Marine Letters,1991,11(1):9－15.

[7]馮秀麗,戚洪帥,王騰,等.黃河三角洲埕島海域地貌演化及其地質(zhì)災(zāi)害分析[J].巖土力學(xué),2004,25(增刊):17－20.FENG Xiu-li,QI Hong-shuai,WANG Teng,et al.Geomorphological evolution and geological disasters analysis in Chengdao sea area of the Yellow River Delta[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(Supp.):17－20.

[8]孫永福,董立峰,宋玉鵬.黃河水下三角洲粉質(zhì)土擾動土層特征及成因探析[J].巖土力學(xué),2008,29(6):1494－1499.SUN Yong-fu,DONG Li-feng,SONG Yu-peng.Analysis of characteristics and formation of disturbed soil on subaqueous delta of Yellow River[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(6):1494－1499.

[9]馮玉巖,郭秀軍,孟慶生,等.黃河口粉土層振動響應(yīng)過程的電性變化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(1):3271－3276.FENG Yu-yan,GUO Xiu-jun,MENG Qing-sheng,et al.Electrical characteristics variation of silty soil strata during vibration response process in Yellow River Estuary[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(1):3271－3276.

[10]馮秀麗,葉銀燦,馬艷霞,等.動荷載作用下海底粉土的孔壓響應(yīng)及其動強(qiáng)度[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(3):431－435.FENG Xiu-li,YE Yin-can,MA Yan-xia,et al.Silt pore pressure response and dynamic strength under dynamic loading[J].Journal of Ocean University of Qingdao,2002,32(3):431－435.

[11]張民生,劉紅軍,李曉東,等.波浪作用下黃河口粉土液化與“鐵板砂”形成機(jī)制的模擬試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(11):3347－3351.ZHANG Min-sheng,LIU Hong-jun,LI Xiao-dong,et al.Study of liquefaction of silty soil and mechanism of development of hard layer under wave actions at Yellow River Estuary[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(11):3347－3351.

[12]單紅仙,段兆臣,劉正銀,等.粉質(zhì)土重復(fù)振動液化與效果研究[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(1):75－81.SHAN Hong-xian,DUAN Zhao-chen,LIU Zheng-yin,et al.Repeated liquefaction and the effect on properties of silt[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,37(1):75－81.

[13]常方強(qiáng),賈永剛.黃河口粉質(zhì)土海床液化過程的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(1):121－126.CHANG Fang-qiang,JIA Yong-gang.In-situ test to study silt liquefaction at the subaqueous delta of Yellow River[J].China Civil Engineering Journal,2012,45(1):121－126.

[14]鄭杰文,賈永剛,劉曉磊,等.黃河三角洲沉積物抗侵蝕性動態(tài)變化差異研究[J].巖土力學(xué),2011,32(增刊1):290－296.ZHENG Jie-wen,JIA Yong-gang,LIU Xiao-lei,et al.Discrepancy of sediment erodibility variation under waves at Yellow River delta[J].Rock and Soil Mechanics,2011,30(Supp.1):290－296.

[15]MENG X,JIA Y,SHAN H,et al.An experimental study on erodibility of intertidal sediments in the Yellow River delta[J].International Journal of Sediment Research,2012,27(2):240－249.

[16]FINN W D L,SIDDHARTHAN R,MARTIN G R.Response of seafloor to ocean waves[J].Journal ofGeotechnical Engineering,1983,109(4):556－572.

[17]馬海鵬,陳祖煜,于沭.上海地區(qū)土體抗剪強(qiáng)度與靜力觸探比貫入阻力相關(guān)關(guān)系研究[J].巖土力學(xué),2014,35(2):536－542.MA Hai-peng,CHEN Zu-yu,YU Shu.Correlations of soil shear strength with specific penetration resistance of CPT in Shanghai area[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(2):536－542.

[18]中華人民共和國水利部.GB/T 50123-1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2007.The Ministry of Water Resources of the People's Republic of China.GB/T 50123-1999 Standard for soil test method[S].Beijing:China Planning Press,2007.

[19]欒茂田,張晨明,王棟,等.波浪作用下海床孔隙水壓力發(fā)展過程與液化的數(shù)值分析[J].水利學(xué)報(bào),2004,(2):94－100.LUAN Mao-tian,ZHANG Chen-ming,WANG Dong,et al.Numerical analysis of residual pore water pressure development and evaluation of liquefaction potential of seabed under wave loading[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004,(2):94－100.

[20]TSAI C P.Wave-induced liquefaction potential in a porous seabed in front of a breakwater[J].Ocean Engineering,1995,22:1－18.

[21]JENG D S.Wave-induced seabed instability in front of a breakwater[J].Ocean Engineering,1997,24(10):887－917.

[22]許國輝,劉會欣,劉錦昆,等.黏粒含量對粉質(zhì)土液化發(fā)生的作用機(jī)制[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2012,32(3):31－35.XU Guo-hui,LIU Hui-xin,LIU Jin-kun,et al.Role of clay content in silty soil liquefaction[J].Marine Geology&Quaternary Geology,2012,32(3):31－35.

[23]TZANG S,OU S.Laboratory flume studies on monochromatic wave-fine sandy bed interactions:Part 1.Soil fluidization[J].Coastal Engineering,2006,53(11):956－982.

[24]NAM S,GUTIERREZ M,DIPLAS P.Channeling during settling and self-weight consolidation of cohesive sediments[J].Canadian Geotechnical Journal,2008,45(6):867－876.