曾 俞， 許國輝??， 任宇鵬， 許興北

(1. 中國海洋大學(xué)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； 2. 中國海洋大學(xué)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)

海洋工程地質(zhì)學(xué)的研究中，在室內(nèi)試驗(yàn)、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(qiáng)烈的波浪作用下會(huì)發(fā)生液化。一系列室內(nèi)試驗(yàn)，如水槽試驗(yàn)[1-7]、離心機(jī)試驗(yàn)[8-10]、砂柱試驗(yàn)[11-15]，給出試驗(yàn)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(tái)灣宜蘭地區(qū)砂質(zhì)海床的液化勢進(jìn)行分析后，得到在水深8.6 m的區(qū)域最大的液化深度達(dá)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(fēng)暴浪作用下會(huì)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(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)研究認(rèn)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(jī)制及過程[21, 27-29]，許國輝等利用波浪水槽試驗(yàn)?zāi)M了塌陷凹坑溝槽的形成，通過試驗(yàn)提出塌陷凹坑是由于海床在風(fēng)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(yùn)動(dòng)，底床振密，部分粘析出所致[25,30]，深化認(rèn)識了塌陷凹坑的形成機(jī)制。王剛等通過水槽試驗(yàn)分析了土體密度變化與粘粒析出對塌陷凹坑的貢獻(xiàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)對海底結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生強(qiáng)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(rèn)為，海底土體在固結(jié)時(shí)，由于其非均勻性，會(huì)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(shè)底床，進(jìn)行了底床固結(jié)時(shí)間不同的2次波致底床液化的水槽試驗(yàn)，來求證前述的分析認(rèn)識。

1 波浪水槽試驗(yàn)

波浪水槽試驗(yàn)中，由于難以觀察到土體內(nèi)部狀態(tài)，采用了貫入儀力學(xué)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(xué)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(xué)強(qiáng)度會(huì)高于周圍液化的土體。玻璃珠示蹤的設(shè)想是，若液化土體中沒有塊體，且液化土體在波動(dòng)時(shí)沒有水平向的凈輸運(yùn)，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(shí)玻璃珠在向下沉降中可能有一定的擴(kuò)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(shí)，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(shè)備

試驗(yàn)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(qiáng)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(jì)330顆。

圖2 試驗(yàn)波浪水槽Fig.2 The wave flume

1.2 樣品制備及底床鋪設(shè)

試驗(yàn)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?dāng)嚢杌旌?，制成含水?5%左右的試驗(yàn)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(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)。

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

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

1.3 試驗(yàn)過程

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

2次試驗(yàn)都觀察到，自加波開始，底床表層的粘土進(jìn)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(dòng)。液化土顆粒運(yùn)動(dòng)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(dá)6 cm)，至液化層底部，土顆粒僅呈現(xiàn)水平向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

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

在整個(gè)加波過程中，隨著土床液化的發(fā)展進(jìn)程，用貫入儀對底床進(jìn)行了多次的力學(xué)性質(zhì)測試(測試位置見圖5)。由于貫入阻力測試在時(shí)間上先于玻璃珠示蹤撒入，故為減少該項(xiàng)測試對之后試驗(yàn)的影響，在足以反映底床強(qiáng)度的前提下，在試驗(yàn)1中選擇了底床中部兩側(cè)的2個(gè)測試點(diǎn)，試驗(yàn)2選擇了底床中部1個(gè)測試點(diǎn)。對于每個(gè)點(diǎn)，在底床液化前及液化中2個(gè)階段共進(jìn)行了3～4次強(qiáng)度測試。測試隨時(shí)間進(jìn)行，可以標(biāo)識底床在液化過程中的動(dòng)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(qiáng)度性質(zhì)具有代表性。

表1 2次水槽試驗(yàn)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(yàn)最大液化深度Fig.5 Maximum liquefaction depth of two wave flume tests

在達(dá)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(shí)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(xì)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(shí)間及位移，計(jì)算玻璃珠的沉降速度，預(yù)估沉降至最大液化深度所需要的時(shí)間。試驗(yàn)1中預(yù)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(jìn)方向運(yùn)移；試驗(yàn)2中預(yù)置玻璃珠在14 min內(nèi)沉降至最大液化深度處，運(yùn)移方向與波浪前進(jìn)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(shí)撒入預(yù)先混合均勻的玻璃珠(撒入位置見圖5)?？紤]到預(yù)置玻璃珠的運(yùn)移方向以及玻璃珠撒入位置應(yīng)不與貫入阻力測試位置重疊，試驗(yàn)1選擇水槽中部偏右位置，試驗(yàn)2選擇水槽中部偏左位置。玻璃珠撒入后，待接近估算時(shí)間(試驗(yàn)1為20 min，試驗(yàn)2為12 min)時(shí)，立即停波。最后將水排出，等底床靜置風(fēng)干，達(dá)到一定的土體強(qiáng)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(yàn)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(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)的前后及試驗(yàn)過程，均測試了土體的貫入阻力(見圖7)。對于試驗(yàn)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(gè)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(shí)間均有分布。在同一時(shí)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(yàn)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(guān)研究一致[24]。

圖7 2次試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)的玻璃珠在土床內(nèi)都具有一個(gè)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(yàn)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(yùn)移20 min后，到達(dá)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(jìn)方向上運(yùn)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(yùn)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(yuǎn)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(yàn)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(shí)間很短，內(nèi)部土體不容易出現(xiàn)結(jié)塊的情況，試驗(yàn)2中的玻璃珠在液化土床中運(yùn)移12 min后，水平方向上并未出現(xiàn)大規(guī)模的運(yùn)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(kuò)散的方式向來波方向運(yùn)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(gè)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(yàn)玻璃珠回收率Table 2 Recovery rate of glass beads in two tests

圖8 2次試驗(yàn)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(yàn)，主要是為了驗(yàn)證液化土體內(nèi)部塊體的存在。兩次試驗(yàn)底床鋪設(shè)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(shí)間的不同。

從貫入阻力測試結(jié)果來看，兩次試驗(yàn)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(shè)具有非均勻性而在固結(jié)時(shí)間短的情況下難以表現(xiàn)出來，但固結(jié)時(shí)間長會(huì)出現(xiàn)明顯表征。試驗(yàn)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(qiáng)度突增或驟減，說明固結(jié)時(shí)間較短的底床土體表現(xiàn)出均質(zhì)狀態(tài)。試驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)中土體表面及內(nèi)部出現(xiàn)的塊體，應(yīng)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?yàn)條件下，底床在固結(jié)一段時(shí)間后，底體表面或內(nèi)部會(huì)生成結(jié)構(gòu)性塊體。底床在強(qiáng)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(yàn)中出現(xiàn)液化土體強(qiáng)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(huì)隨液化土體波動(dòng)。

玻璃珠的分布狀態(tài)也印證了固結(jié)時(shí)間長的粉質(zhì)土底床內(nèi)部塊體的存在。試驗(yàn)中用大玻璃珠做了沉降時(shí)間測試，玻璃珠沉降時(shí)間以粒徑大的達(dá)到液化底界為限制，在大玻璃珠達(dá)到液化底界時(shí)，中小玻璃珠應(yīng)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(yàn)猜想是玻璃珠應(yīng)呈現(xiàn)大粒徑下部多，小粒徑下部少的分布狀態(tài)。試驗(yàn)2中的玻璃珠分布狀態(tài)便符合這一猜想。試驗(yàn)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(shí)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(yùn)移(見圖9)。玻璃珠與液化土一樣做相同的波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡近似橢圓。水平位移產(chǎn)生原因應(yīng)該是玻璃珠隨液化土波動(dòng)的Stokes波效應(yīng)。

圖9 固結(jié)時(shí)間很短的底床中玻璃珠的運(yùn)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(huì)呈現(xiàn)不規(guī)律分布。試驗(yàn)1便符合這種情況。試驗(yàn)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(yuǎn)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(jìn)方向上運(yùn)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(yīng)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(dòng)，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(yùn)移，則繼續(xù)在塊體表面隨液化土波動(dòng)，向波前進(jìn)方向運(yùn)移，直到順利沉降或者土體停止液化波動(dòng)。停波后，本應(yīng)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(shí)間較長底床中玻璃珠的運(yùn)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(rèn)為是海底土體由于非均勻性，會(huì)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(shí)間較長與固結(jié)時(shí)間很短的粉土底床，進(jìn)行波致液化的波浪水槽試驗(yàn)，得到如下認(rèn)識：

(1)固結(jié)時(shí)間不同的粉質(zhì)土底床會(huì)有不同的土體強(qiáng)度隨深度變化規(guī)律。固結(jié)時(shí)間很短的底床土體硬層不明顯，固結(jié)時(shí)間較長的底床會(huì)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(shí)所測得的貫入阻力以及玻璃珠分散狀態(tài)，證明固結(jié)時(shí)間較長的底床內(nèi)部存在塊體，固結(jié)時(shí)間很短的無明顯塊體。

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