落球法測定波動(dòng)液化土粘滯性的試驗(yàn)研究?

陳昌昀， 張 鵬， 許國輝??， 劉志欽， 許興北， 任宇鵬(中國海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.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)

落球法測定波動(dòng)液化土粘滯性的試驗(yàn)研究?

陳昌昀1,2， 張 鵬1,2， 許國輝1,2??， 劉志欽1,2， 許興北1,2， 任宇鵬1,2
(中國海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.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)

海底的粉質(zhì)土在波浪作用下發(fā)生液化，液化后的土體產(chǎn)生流體一樣的波動(dòng)。本文在進(jìn)行液化粉質(zhì)土波動(dòng)試驗(yàn)過程中，利用落球法進(jìn)行了液化土的黏滯系數(shù)的測試試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了銅質(zhì)、鐵質(zhì)和氧化鋯等不同密度的光滑球體，通過位移傳感器記錄密度球在液化后土體中的位移和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，換算出密度球在液化土體中沉降的平均速度，利用斯托克斯公式計(jì)算給出液化土的黏滯系數(shù)。結(jié)果給出試驗(yàn)用液化土體的黏滯系數(shù)在10 kPa·s的量級(jí)。

土體液化；落球法試驗(yàn)；黏滯系數(shù)；斯托克斯公式

在波浪和極端天氣如風(fēng)暴潮等的作用下，海床土體會(huì)發(fā)生液化破壞，由液化引發(fā)的土體破壞變形是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土體液化問題進(jìn)行了相關(guān)研究。Miyamoto結(jié)合Sassa等通過離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)波浪荷載作用下海床液化的分析，研究了可液化土層在推進(jìn)波作用下發(fā)生液化的問題[1-2]。Sumer等在推進(jìn)波荷載作用下粉質(zhì)海床的波浪響應(yīng)研究中，對(duì)海床的液化特點(diǎn)進(jìn)行了分析[3-4]。李安龍等通過配置不同粒徑的底床，發(fā)現(xiàn)砂土在波浪荷載作用下發(fā)生液化時(shí)，若黏粒含量小于10%，則對(duì)砂土液化有促進(jìn)作用[5]。馮秀麗等通過現(xiàn)代黃河三角洲砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土觸變性的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海底塌陷凹坑是快速沉積的粉砂液化的結(jié)果[6]。

之前的學(xué)者對(duì)土體液化的研究大多處于液化前及開始發(fā)生液化的階段, 而對(duì)土體液化后的研究相對(duì)較少，液化后的土體具有流體的特性[7]，而粘滯系數(shù)可以反映液化后土體的流動(dòng)性[8]。因此，研究者們通過不同的試驗(yàn)手段開展了液化土體黏滯性的測試研究。Towhata等利用拖管試驗(yàn)，通過測定施加在鋼管上的阻力獲得粘性流體的表觀粘度，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂土完全液化后，拖拽力與拖管的運(yùn)動(dòng)速度關(guān)聯(lián)性很大，進(jìn)一步證實(shí)了液化土體的流體性質(zhì)[9]。Kawakami等利用黏度計(jì)得到了初始液化后的土體的表觀黏度與剪應(yīng)變率具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]。Hwang等在研究液化地表流對(duì)樁基的影響時(shí)，通過拖管試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液化砂土的黏度隨剪應(yīng)變率升高而降低，在數(shù)值分析中將液化砂土的黏性作為一個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行分析[11]。Hadush等在總結(jié)了幾組由不同測量方法獲得的粘度與剪應(yīng)變率關(guān)系后，同樣發(fā)現(xiàn)了液化砂土的這種特性[12]。陳育民等通過拖球試驗(yàn)測量鋼球所受水平阻力來計(jì)算液化及液化后砂土的表觀動(dòng)力黏度，進(jìn)一步研究了液化砂土的流動(dòng)特性[13]。前有研究發(fā)現(xiàn)海床土體在波浪荷載作用下會(huì)發(fā)生液化，液化狀態(tài)的土體是可以視為流體的，其特性如同黏性流體[14]，而在對(duì)流體特性的研究中黏滯系數(shù)是一個(gè)重要的參量。已有的液化土體流動(dòng)性研究大多是利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過拖球或拖管法針對(duì)地震作用下砂土液化后的流動(dòng)特性開展，而波致液化土體黏滯性測定是需要補(bǔ)充的工作，本文就此開展了相關(guān)研究。海底的粉質(zhì)土在波浪作用下會(huì)發(fā)生液化，液化后的粉質(zhì)土產(chǎn)生流體一樣的波動(dòng)[15]。本文采用測定流體黏滯系數(shù)的經(jīng)典方法——落球法，在液化粉質(zhì)土波動(dòng)的水槽試驗(yàn)過程中，利用玻璃、氧化鋁、氧化鋯、鐵、銅等5種不同密度的球體，對(duì)液化粉質(zhì)土的黏滯系數(shù)進(jìn)行測定。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用土體是取自黃河三角洲的粉質(zhì)土，其粒徑級(jí)配曲線見圖1所示。試驗(yàn)過程中持續(xù)施加波高15 cm、周期1 s的波浪使土體液化。

1.1 試驗(yàn)底床及落球裝置設(shè)置

將試驗(yàn)所用的粉質(zhì)土和水混合攪拌成均勻泥漿，控制其含水率在33%左右。隨后用“順板滑塌法”將混合好的泥漿分批移入水槽鋪設(shè)成尺寸為2 m×0.5 m×0.6 m的底床，將6個(gè)直徑為3 cm的表面光滑的不同材質(zhì)的密度球(具體材料及規(guī)格見表1)分成3組，分別放置在底床表層的不同位置處，相互之間距離大于20 cm，避免相互影響(示意圖見圖2)。用0.3 mm的鋼絲線將密度球與拉線式移傳感線相連(由于位移傳感器在拉線抽出時(shí)自身存在拉力，試驗(yàn)前在傳感器下方懸掛一定質(zhì)量的配重物進(jìn)行拉力平衡)。最后，向水槽內(nèi)加水至床面上40 cm處，靜置固結(jié)10 d。

1.2 落球試驗(yàn)

靜置固結(jié)后，開始施加波浪作用。首先在底床未擾動(dòng)的情況下，施加波高為15cm的波浪，持續(xù)加波3h后土體未液化。將底面積10cm×15cm的鋼板錘置于底床上，通過不斷提起放下?lián)舸虻状?，加速土體液化。待底床土體發(fā)生液化時(shí)釋放密度球，同時(shí)使用奧地利DEWESoft瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器(型號(hào)為DEWE-43)，以100Hz的頻率連續(xù)記錄密度球的沉降位移與時(shí)間數(shù)據(jù)

直至試驗(yàn)結(jié)束。密度球沉降結(jié)束后，使用自制土體采樣器插入底床，取不同液化深度的土樣并計(jì)算平均密度用于粘滯系數(shù)的計(jì)算。設(shè)置的部分密度球隨液化土體運(yùn)動(dòng)并出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，也有出現(xiàn)停滯的情況，通過再次調(diào)整配重物質(zhì)量來平衡拉線式位移傳感器的拉力，可以使密度球繼續(xù)沉降。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)底床受到錘擊擾動(dòng)發(fā)生液化，并且液化現(xiàn)象在土體的橫向和垂向迅速發(fā)展。通過觀察發(fā)現(xiàn)液化時(shí)土顆粒與密度球隨波浪做周期性的橢圓運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)波浪周期內(nèi)密度球向左、向右運(yùn)動(dòng)趨勢相同，位移相互抵消，可視為垂直方向的沉降運(yùn)動(dòng)。從位移傳感器測得的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)各密度球在土體發(fā)生液化后出現(xiàn)了不同的沉降現(xiàn)象，其中玻璃球和氧化鋁球未發(fā)生沉降，而氧化鋯球、鐵1球、鐵2球和銅球均產(chǎn)生沉降位移，并且各密度球都經(jīng)歷了初期加速下沉，中期勻速沉降，最后沉降停止的過程。在勻速沉降過程中，氧化鋯球、鐵1球、鐵2球和銅球的位移分別是75.7、65.6、71.7、67.0 mm。

氧化鋯球、鐵1球、鐵2球和銅球在液化土中沉降時(shí)，受到的阻力逐漸增大到與重力平衡，因此出現(xiàn)了從加速沉降逐漸變?yōu)閯蛩俪两档默F(xiàn)象，而玻璃球和氧化鋁球未發(fā)生沉降的原因是由于兩者的密度較小造成的。選擇密度球沉降均勻的時(shí)間段(勻速沉降段)的時(shí)間與位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析并繪圖如圖3所示，在該時(shí)間段內(nèi)密度球的最小位移是6.56 cm，大于小球直徑2倍以上，圖3中紅線為各密度球沉降位移的標(biāo)準(zhǔn)曲線，發(fā)現(xiàn)氧化鋯球、鐵1球、鐵2球和銅球沉降位移與時(shí)間關(guān)系，用線性相關(guān)來擬合，其相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.95、0.99、0.95和0.97，可以視為勻速運(yùn)動(dòng)。

將氧化鋯球、鐵1球、鐵2球、銅球的下落位移與持續(xù)時(shí)間之比作為沉降過程中的平均速度(見表2)，并視為各密度球在液化土體中的沉降速度，則計(jì)算得到氧

化鋯球的沉降速度為0.168 mm/s，鐵1球的沉降速度為0.218 mm/s，鐵2球的沉降速度為0.228 mm/s，銅球的沉降速度為0.335 mm/s。幾種密度球在試驗(yàn)土體中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒有沉降下落，當(dāng)土體發(fā)生液化波動(dòng)時(shí)，密度球的沉降速度區(qū)間為0.1～0.4 mm/s，極為緩慢，并且各密度球與液化土體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在試驗(yàn)土體的黏滯狀態(tài)下，屬于層流區(qū)的范圍，因此，斯托克斯公式適用于本次試驗(yàn)。

3 討論

本次試驗(yàn)中底床土體的空間尺寸(見圖2)相對(duì)于密度球而言可視為無限廣延的，球體是光滑且剛性的，測試值是小球在不產(chǎn)生渦流的流體中受到的阻力。試驗(yàn)中小球在自身重力作用下自由沉降，并逐漸達(dá)到勻速沉降階段，此時(shí)可視為自然狀態(tài)下的受力平衡，排除了人為或機(jī)械原因?qū)π∏蜻\(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成的影響，符合斯托克斯公式的適用條件。因此，利用本文試驗(yàn)方法測試得到密度球的沉速后，利用斯托克斯公式計(jì)算得到液化土體的黏滯系數(shù)是合理的。

從表3可知，在水槽試驗(yàn)過程中, 利用落球法測得的波動(dòng)液化粉質(zhì)土的黏滯系數(shù)在9.67～13.47 kPa·s的范圍。劉濤等在利用拖球試驗(yàn)對(duì)波動(dòng)液化粉土的流動(dòng)性研究中，得到密度球在速度為25和33 mm/s時(shí)，測得液化粉土的黏滯系數(shù)分別為60.45和65.48kPa·s[16]。本次試驗(yàn)獲得的粉質(zhì)土黏滯系數(shù)與之相比，量級(jí)雖均為10 kPa·s，但數(shù)據(jù)存在一定差異。為分析造成數(shù)據(jù)差異的原因，制備了含水率為35%左右的粉質(zhì)土，并將直徑為30 mm的鐵球埋置其中，在豎直方向上以20 mm·s-1的速度勻速拉動(dòng)鐵球，發(fā)現(xiàn)在拉力方向的球面處有一定厚度的土體附著集聚，且與鐵球形成一個(gè)新的整體共同運(yùn)動(dòng)，這可能是導(dǎo)致拖球試驗(yàn)中粘滯系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大的原因。本文落球法為球體依靠重力的自然下沉，沉降速度不到1 mm/s，能夠保證液化土體以繞流形式運(yùn)動(dòng)，更加符合斯托克斯公式的應(yīng)用條件。

4 結(jié)論

本文在開展波浪作用下粉質(zhì)土底床的液化試驗(yàn)過程中，利用落球法開展了液化粉質(zhì)土粘滯性的試驗(yàn)測試，并用斯托克斯公式計(jì)算了液化土體的粘滯系數(shù)，給出如下結(jié)論：

(1)粉土在波浪荷載作用下發(fā)生液化時(shí)，可以通過落球法試驗(yàn)測得土體的黏滯系數(shù)。

(2)試驗(yàn)獲得落球的沉降速度后，可以通過斯托克斯公式計(jì)算液化粉質(zhì)土的黏滯系數(shù)。

(3)波浪水槽試驗(yàn)中液化粉質(zhì)土的黏滯系數(shù)值在9.67～13.47 kPa·s，量級(jí)為10 kPa·s。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

The Experimental Study on Viscosity of the Wave-Induced Liquefaction Silty Soil by Falling Ball Method

CHEN Chang-Yun1,2， ZHANG Peng1,2，XU Guo-Hui1,2，LIU Zhi-Qin1,2，XU Xing-Bei1,2，REN Yu-Peng1,2

(Ocean University of China, 1. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Qingdao 266100, China)

Liquefaction of submarine slity soil occurs under the wave action, while the liquefied soils would fluctuate like liquids. In this study, we used the falling ball method to measure the viscosity coefficient of liquefied soil during liquefied slity-soil fluctuation tests. By using density-variable smooth balls (made of Copper iron, zirconia), we used a to record the displacement and migration time of the balls in the liquefied soils, and converted the average ball falling speeds in the liquefied soils. Then the viscosity coefficients of liquefied soils were determined from the Stokes formula. The viscosity coefficient of liquefied soils is at the level of 10 kPa·s.

soil liquefaction; falling ball method; coefficient of viscosity; stokes formula

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41576039)資助 Supported by National Natural Science Foundation of China(41576039)

2016-01-20；

2016-05-16

陳昌昀(1989-)，男，碩士生，從事海洋工程地質(zhì)方面研究。 E-mail：ccyhuanjing@163.com

?? 通訊作者：E-mail：xuguohui@ouc.edu.cn

P736

A

1672-5174(2017)06-119-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20160011

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CHEN Chang-Yun， ZHANG Peng，XU Guo-Hui,et al.The experimental study on viscosity of the wave-induced liquefaction silty soil by falling ball method[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(6): 119-123.