液化粉質(zhì)土底床中塊體存在的試驗求證?

曾 俞， 許國輝??， 任宇鵬， 許興北

(1. 中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100)

海洋工程地質(zhì)學的研究中，在室內(nèi)試驗、理論分析以及現(xiàn)場監(jiān)測均給出了砂質(zhì)或粉砂質(zhì)的海底，在強烈的波浪作用下會發(fā)生液化。一系列室內(nèi)試驗，如水槽試驗[1-7]、離心機試驗[8-10]、砂柱試驗[11-15]，給出試驗條件下砂土或粉土的液化。Chang等[16]采用Ishihara and Yamazaki等[17]提出的方法對臺灣宜蘭地區(qū)砂質(zhì)海床的液化勢進行分析后，得到在水深8.6 m的區(qū)域最大的液化深度達到6.1 m。在海岸現(xiàn)場的孔壓監(jiān)測，也發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)海床在大的風暴浪作用下會發(fā)生液化[18-19]。粉土或粉質(zhì)粘土海底，如黃河三角洲[20-22]和密西西比三角洲[23]，通過地貌調(diào)查以及淺地層剖面資料發(fā)現(xiàn)，其海底常出現(xiàn)塌陷凹坑，局部海底還存在地層的擾動現(xiàn)象，經(jīng)研究認定，這是海底在波浪作用下液化的結(jié)果[24-26]。

對于河口三角洲海床上大量分布的塌陷凹坑及洼地，之前的研究多集中于其形成機制及過程[21, 27-29]，許國輝等利用波浪水槽試驗模擬了塌陷凹坑溝槽的形成，通過試驗提出塌陷凹坑是由于海床在風暴浪作用下軟弱區(qū)土層液化，液化后隨波浪一起做振蕩運動，底床振密，部分粘析出所致[25,30]，深化認識了塌陷凹坑的形成機制。王剛等通過水槽試驗分析了土體密度變化與粘粒析出對塌陷凹坑的貢獻量[31]。

在密西西比河水下三角洲的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在塌陷凹坑里面存在有塊體[23]，黃河水下三角洲的水下聲納探測也發(fā)現(xiàn)一些凹坑表面有較明顯的紋理，仿佛由許多小塊構(gòu)成[21](見圖1)。這些液化土中存在的塊體在運動時會對海底結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生強烈的沖擊作用，并使得液化后的海底工程地質(zhì)性質(zhì)不均勻。目前，對海底塊體的存在及其原因仍缺少研究解釋。初步分析認為，海底土體在固結(jié)時，由于其非均勻性，會固結(jié)成塊，結(jié)塊土體難以液化，成為液化土體中的塊體。本文以粉質(zhì)土鋪設底床，進行了底床固結(jié)時間不同的2次波致底床液化的水槽試驗，來求證前述的分析認識。

1 波浪水槽試驗

波浪水槽試驗中，由于難以觀察到土體內(nèi)部狀態(tài)，采用了貫入儀力學測試和玻璃珠示蹤的手段，來反映液化土體內(nèi)部是否存在有塊體。貫入儀力學測試可以較直觀地反映出液化土體中存在的塊體，塊體的力學強度會高于周圍液化的土體。玻璃珠示蹤的設想是，若液化土體中沒有塊體，且液化土體在波動時沒有水平向的凈輸運，則投放的玻璃珠在沉降過程中遵循泥沙在水中沉降的Stokes規(guī)律，呈現(xiàn)出粒徑大的玻璃珠快速沉降至較深層，粒徑小的玻璃珠沉降至較淺層的分布特征，同時玻璃珠在向下沉降中可能有一定的擴散。若液化土體內(nèi)部有塊體存在，則玻璃珠在液化土體中發(fā)生沉降時，將落在塊體上，被塊體托阻，從而難以形成有規(guī)律的沉降分布。

(a. 密西西比河[23]； b.黃河[21]。a. Mississippi River[23]; b. Yellow River[21].)

圖1 水下三角洲塌陷凹坑形態(tài)
Fig.1 Underwater delta collapse morphology

1.1 儀器設備

試驗用波浪水槽見圖2。底床段(尺寸為2.6 m(L)×0.5 m(W)×0.6 m(H))比消波段和造波段下沉0.6 m，用來盛土制備沉積底床。波浪參數(shù)用加拿大RBR公司生產(chǎn)的WG-55型波高儀記錄。底床的土體強度用普氏貫入儀(見圖3)測定。示蹤用玻璃珠(密度為2.65 kg/m3)由三種尺寸的玻璃珠均勻混合在一起，粒徑分別為8.00、9.80和16.00 mm，數(shù)量分別為150、150、30顆，總計330顆。

圖2 試驗波浪水槽Fig.2 The wave flume

1.2 樣品制備及底床鋪設

試驗底床用的粉土為取自黃河三角洲的原土(含有9%左右的粘粒)，顆粒級配曲線如圖4所示。粉土加水攪拌混合，制成含水率35%左右的試驗用土。將攪拌好的粉土，逐漸攤鋪，一層一層地移入水槽內(nèi)的盛土段，制成厚度為0.60 m的均勻底床。之后向水槽中加入水至水深40 cm，靜置固結(jié)一段時間后進行試驗。

圖3 普氏貫入儀Fig.3 Micro-penetration instrument

圖4 試驗土體粒徑級配曲線圖Fig.4 Grain-size grading curve of test soil

1.3 試驗過程

進行了底床固結(jié)時間不同的2次波致底床液化的水槽試驗。第一次試驗(以下稱試驗1)底床靜置固結(jié)時間為10 d，第二次試驗(以下稱試驗2)底床靜置固結(jié)時間為8 h。試驗前，用貫入儀測試了底床土體力學性質(zhì)，作為底床液化試驗開始時的初始值。隨后，進行波浪作用下底床土體液化發(fā)展的試驗，2次試驗的波浪參數(shù)如表1所示。

2次試驗都觀察到，自加波開始，底床表層的粘土進入水體中，水體變得渾濁。底床自表層開始液化，液化深度逐漸向下發(fā)展，上部水體愈加渾濁。從水槽側(cè)壁觀察到，在底床最大液化深度線以上的液化土體，隨波浪做相同周期的波動。液化土顆粒運動軌跡近似橢圓，軌跡橢圓的水平向長軸和垂向短軸從上而下逐漸減小(土床表面的顆粒軌跡長軸可達6 cm)，至液化層底部，土顆粒僅呈現(xiàn)水平向的往復運動。

以水槽側(cè)壁觀察的液化土體波動底界為液化深度(由于玻璃邊壁效應，觀察的液化深度應該比內(nèi)部實際液化深度值小)，試驗1開始后75 min，土床達到最大液化深度47 cm，試驗2開始后158 min，土床達到最大液化深度58 cm。2次試驗觀察到的底床液化區(qū)最后的范圍見圖5(綠線/紅線標示以上的范圍)。

在整個加波過程中，隨著土床液化的發(fā)展進程，用貫入儀對底床進行了多次的力學性質(zhì)測試(測試位置見圖5)。由于貫入阻力測試在時間上先于玻璃珠示蹤撒入，故為減少該項測試對之后試驗的影響，在足以反映底床強度的前提下，在試驗1中選擇了底床中部兩側(cè)的2個測試點，試驗2選擇了底床中部1個測試點。對于每個點，在底床液化前及液化中2個階段共進行了3～4次強度測試。測試隨時間進行，可以標識底床在液化過程中的動態(tài)變化，對于同一基質(zhì)的(粉質(zhì)土)底床而言，其反映的強度性質(zhì)具有代表性。

表1 2次水槽試驗波浪參數(shù)及最大液化深度Table 1 Wave parameters and maximum liquefaction depth of two wave flume tests

圖5 2次水槽試驗最大液化深度Fig.5 Maximum liquefaction depth of two wave flume tests

在達到最大液化深度后，雖然有持續(xù)的波浪作用，但是液化區(qū)開始出現(xiàn)自下而上逐漸的沉積回返現(xiàn)象。為保證停止加波時撒入的玻璃珠還在沉降過程中，在正式撒玻璃珠前，將1粒系有細線的玻璃珠(直徑16 mm)放置于土床表面，等其自然沉降，記錄沉降時間及位移，計算玻璃珠的沉降速度，預估沉降至最大液化深度所需要的時間。試驗1中預置玻璃珠在22 min內(nèi)沉降至最大液化深度處，且沿波浪前進方向運移；試驗2中預置玻璃珠在14 min內(nèi)沉降至最大液化深度處，運移方向與波浪前進方向相反。

隨后，為最大程度地反映液化底床內(nèi)部狀況，選擇在水槽中部偏左或偏右的某方形區(qū)域(10 cm×35 cm)內(nèi)同時撒入預先混合均勻的玻璃珠(撒入位置見圖5)。考慮到預置玻璃珠的運移方向以及玻璃珠撒入位置應不與貫入阻力測試位置重疊，試驗1選擇水槽中部偏右位置，試驗2選擇水槽中部偏左位置。玻璃珠撒入后，待接近估算時間(試驗1為20 min，試驗2為12 min)時，立即停波。最后將水排出，等底床靜置風干，達到一定的土體強度后，分層挖土，分區(qū)域縱剖土床，每2 cm深度層位回收試驗中撒入土床的玻璃珠(見圖6)。

圖6 玻璃珠回收方法Fig.6 Glass bead recycling method

2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果包括土體的貫入阻力以及液化狀態(tài)下玻璃珠沉降過程中的位置分布狀態(tài)。底床固結(jié)240 h的試驗1作為可能出現(xiàn)內(nèi)部土體結(jié)塊的情況，底床固結(jié)8 h的試驗2作為基本沒有固結(jié)，內(nèi)部土體不容易出現(xiàn)結(jié)塊的情況。

2.1 底床的貫入阻力

在2次試驗的前后及試驗過程，均測試了土體的貫入阻力(見圖7)。對于試驗1，同一位置處，從靜置階段到液化階段過程中，土體的貫入阻力出現(xiàn)多個分布在不同深度位置薄厚不一的相對高值。特別地，在距離水槽左端160 cm處，液化前的土床表面也出現(xiàn)高值。將這些|相鄰深度貫入阻力差|>0.5的層(見圖7中黃色陰影部分)視為硬塊，發(fā)現(xiàn)硬塊在不同的位置，不同時間均有分布。在同一時刻，不同位置處出現(xiàn)的硬塊數(shù)量不一致，且分布的深度層位不同；在同一位置處，硬塊自液化開始到液化過程中都存在，但分布深度及厚度不同。對于試驗2，從靜置階段到液化階段過程中，土床內(nèi)硬塊分布不明顯，呈現(xiàn)自上而下土體貫入阻力逐漸上升的趨勢，與之前相關研究一致[24]。

圖7 2次試驗土體貫入阻力Fig.7 Penetration resistance of soil beds in two tests

2.2 玻璃珠的分布特征

2次試驗撒入的玻璃珠總回收率分別為78.5%和76%。由不同粒徑玻璃珠回收率(見表2)，數(shù)量及分布位置(見圖8)可見，2次試驗的玻璃珠在土床內(nèi)都具有一個集中分布區(qū)，呈現(xiàn)出在部分區(qū)域集中分布，其余位置零星分布的特征。對比2次玻璃珠的分布位置，發(fā)現(xiàn)存在明顯差異。

試驗1中玻璃珠撒入位置為距離水槽左端150～160 cm處，在液化土床中運移20 min后，到達不同位置。作為可能出現(xiàn)內(nèi)部土體結(jié)塊的情況，其分布狀態(tài)為：水平方向上，玻璃珠沿波的前進方向上運移了10～40 cm，集中在距離水槽左端120～140 cm處。垂向上，從底床表面至24 cm深度處均有分布，集中在16～22 cm深度處。再從不同粒徑的玻璃珠分布考慮，可以發(fā)現(xiàn)在水平方向上，中小玻璃珠的運移距離大于大玻璃珠，具體為8.00 mm>9.80 mm>16.00 mm；在垂向上，三種玻璃珠分布數(shù)量最多的深度基本一致，沉降距離最遠的為粒徑16.00mm的玻璃珠，三種粒徑玻璃珠在上層均有滯留。

試驗2中玻璃珠撒入位置為距離水槽左端120～130 cm處。作為固結(jié)時間很短，內(nèi)部土體不容易出現(xiàn)結(jié)塊的情況，試驗2中的玻璃珠在液化土床中運移12 min后，水平方向上并未出現(xiàn)大規(guī)模的運移，大部分玻璃珠在原位置發(fā)生沉降，少部分中小粒徑玻璃珠以擴散的方式向來波方向運移。垂向上，整體上看，自土床表層至32 cm深度處均有零星分布，主要集中在26～32 cm深度；對于不同粒徑玻璃珠，大部分16.00 mm玻璃珠都沉降至最深層位，淺層停留較少，而中小玻璃珠在各個深度層位上均有分布，即粒徑大的玻璃珠快速沉降較深層，而粒徑小的玻璃珠沉降層位較淺。

表2 2次試驗玻璃珠回收率Table 2 Recovery rate of glass beads in two tests

圖8 2次試驗玻璃珠分布Fig.8 Distribution of glass beads in two tests

3 分析與討論

本文兩次水槽試驗，主要是為了驗證液化土體內(nèi)部塊體的存在。兩次試驗底床鋪設條件過程一致，采用的波浪條件接近，用于示蹤的玻璃珠數(shù)量相同，只是固結(jié)時間的不同。

從貫入阻力測試結(jié)果來看，兩次試驗表現(xiàn)出的差異明顯。首先是液化前貫入阻力垂向變化出現(xiàn)差異，固結(jié)10天的底床中表層及內(nèi)部出現(xiàn)硬塊，而固結(jié)8 h的底床中沒有此現(xiàn)象。說明底床鋪設具有非均勻性而在固結(jié)時間短的情況下難以表現(xiàn)出來，但固結(jié)時間長會出現(xiàn)明顯表征。試驗2的底床貫入阻力從液化前至液化中均保持自上而下逐漸增大的趨勢，未出現(xiàn)明顯的強度突增或驟減，說明固結(jié)時間較短的底床土體表現(xiàn)出均質(zhì)狀態(tài)。試驗1中，底床不同水平位置、不同深度存在硬塊，并伴隨液化過程一直存在，即固結(jié)時間較長的粉質(zhì)土底床表現(xiàn)出不均勻性。硬塊可能是土體固結(jié)過程中形成的結(jié)構(gòu)性塊體，該塊體在液化過程中難以碎散。

與河口環(huán)境現(xiàn)場相聯(lián)系，本文實驗中土體表面及內(nèi)部出現(xiàn)的塊體，應與Coleman等[23]根據(jù)現(xiàn)場勘測給出的在河口海岸液化區(qū)表面存在的丘狀塊體(見圖1)產(chǎn)生條件一致。自然或?qū)嶒灄l件下，底床在固結(jié)一段時間后，底體表面或內(nèi)部會生成結(jié)構(gòu)性塊體。底床在強浪作用下發(fā)生液化，內(nèi)部塊體并不迅速碎散呈現(xiàn)為液狀化，而是繼續(xù)以塊體形式存在，使得液化土體內(nèi)部呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)，從而在底床液化的水槽試驗中出現(xiàn)液化土體強度隨深度呈現(xiàn)出突增或驟減的變化。而塊體在液狀化的土體中，會隨液化土體波動。

玻璃珠的分布狀態(tài)也印證了固結(jié)時間長的粉質(zhì)土底床內(nèi)部塊體的存在。試驗中用大玻璃珠做了沉降時間測試，玻璃珠沉降時間以粒徑大的達到液化底界為限制，在大玻璃珠達到液化底界時，中小玻璃珠應分散在液化底界上部土體中。對于土體液化后內(nèi)部無塊體的情況下，試驗猜想是玻璃珠應呈現(xiàn)大粒徑下部多，小粒徑下部少的分布狀態(tài)。試驗2中的玻璃珠分布狀態(tài)便符合這一猜想。試驗2中，底床內(nèi)部塊體表現(xiàn)不明顯，玻璃珠的沉降并未受到影響，大玻璃珠沉降較快，中小玻璃珠沉降相對較慢。在沉降一定時間后，大粒徑玻璃珠大多降至底層，而中小玻璃珠仍然處于沉降狀態(tài)。此外，玻璃珠在水平方向上也有運移(見圖9)。玻璃珠與液化土一樣做相同的波動，運動軌跡近似橢圓。水平位移產(chǎn)生原因應該是玻璃珠隨液化土波動的Stokes波效應。

圖9 固結(jié)時間很短的底床中玻璃珠的運移模式Fig.9 Transport pattern of glass beads in soil bed with short consolidation time

對于土體液化后內(nèi)部存在塊體的情況，猜想玻璃珠會呈現(xiàn)不規(guī)律分布。試驗1便符合這種情況。試驗1中玻璃珠的分布主要表現(xiàn)為：在垂向上，雖然沉降距離最遠的是大粒徑玻璃珠，但從數(shù)量上看，分布三種玻璃珠最多的深度基本一致，且三種粒徑玻璃珠在淺層及中部層位均有滯留；水平方向上，玻璃珠沿波的前進方向上運移，并形成撒入?yún)^(qū)與分布區(qū)之間的零分布區(qū)。這種分布現(xiàn)象應該是底床內(nèi)部塊體影響了玻璃珠的沉降而產(chǎn)生。固結(jié)10天的底床在不同位置、不同深度(從表層開始)處出現(xiàn)的厚度不一的塊體，在液化階段依舊存在，并隨液化土體波動，不易消碎，影響了玻璃珠的沉降。如圖10所示，灑在150～160 cm處的玻璃珠受表面塊體的影響，只有少量玻璃珠在原位下沉，大多數(shù)在沉降過程中受土床中塊體的阻礙及攔擋作用，在表層深度處出現(xiàn)托滯。部分滯留在塊體上的玻璃珠不繼續(xù)下沉，另一部分由于無法向下繼續(xù)運移，則繼續(xù)在塊體表面隨液化土波動，向波前進方向運移，直到順利沉降或者土體停止液化波動。停波后，本應符合Stokes沉降規(guī)律的玻璃珠表現(xiàn)出縱向上分布不均以及跳躍式橫向分布。

圖10 固結(jié)時間較長底床中玻璃珠的運移模式Fig.10 Transport pattern of glass beads in soil bed with long consolidation time

4 結(jié)論

在黃河和密西西比河水下三角洲的塌陷凹坑里面存在有塊體，根據(jù)本文研究認為是海底土體由于非均勻性，會固結(jié)成塊，結(jié)塊土體難以液化，成為液化土體中的塊體。利用固結(jié)時間較長與固結(jié)時間很短的粉土底床，進行波致液化的波浪水槽試驗，得到如下認識：

(1)固結(jié)時間不同的粉質(zhì)土底床會有不同的土體強度隨深度變化規(guī)律。固結(jié)時間很短的底床土體硬層不明顯，固結(jié)時間較長的底床會有不規(guī)律硬層分布。

(2)根據(jù)粉土在波浪荷載作用下發(fā)生液化時所測得的貫入阻力以及玻璃珠分散狀態(tài)，證明固結(jié)時間較長的底床內(nèi)部存在塊體，固結(jié)時間很短的無明顯塊體。

(3)固結(jié)時間較長的粉質(zhì)土底床中存在的塊體，在液化波動過程中難以碎散，會成為留存在液化底床區(qū)中的塊體。