波浪作用下粉质海床液化后流动特性研究——以黄河水下三角洲为例

The sediments from Yellow River into the sea rapidly accumulate on the seabed, which forms the Yellow River subaqueous delta. In delta sedimentary process, many geological hazards including collapse, landslide, silt flow occur and lead to serious consequences such as offshore engineering destruction, submarine pipeline fracture and etc. According to previous research, the main cause of those geological hazards is that the strength of silty seabed decreases under wave-induced cyclic loading. Behavior characteristics of silty seabed under wave-induced cyclic loading require further study at present. Silty seabed of Yellow River subaqueous delta is taken as research object to solve this problem. Firstly, laboratory dynamic triaxial tests and the wave test in the numerical wave tank can be used to analyze the distribution and dynamic response of the field quantity including displacement, stress, pore pressure of liquefied silty seabed under wave loading. Secondly, a brabender rheometer test can be conducted to get the rheological characteristics of liquefacient silt, and results of that experiment, introducing rheological theory, could be used to build soil mechanics constitutive models. On this basis, internal relations between silty seabed liquefaction and submarine silt flow can be revealed by wave tests and field monitoring. The main purpose of the subject is to characterize the ocean environment parameter and mechanics index, which play important roles in the sliding failure of liquefied silty on low-angle seabed under wave loading and to provide technical support in pre-warning and prevention in marine geologic hazards like submarine landslide and etc.

黄河水下三角洲海床由入海沉积物快速堆积而成，沉积过程中发育有塌陷凹坑、滑坡、粉砂流等地质灾害现象，并导致了近海工程设施破坏、海底管线断裂等严重后果，前期研究认为该灾害现象主要与波浪循环荷载下粉质海床发生液化后强度降低有关。目前关于波浪作用下粉质海床液化后的行为特征有待进一步研究；针对该问题，本课题以黄河水下三角洲粉质海床为研究对象，首先通过室内动三轴和波浪槽试验分析波浪作用下液化粉土海床中位移、应力、孔压等场量的分布及随时间动态响应情况，然后通过流变仪试验分析液化粉土的流变特征，引入土力学流变理论，建立相应的液化粉土流变本构模型；在此基础上进一步通过波浪槽和现场原位监测等手段揭示粉质海床液化与海底粉砂流现象的内在联系。课题旨在明确波浪荷载下液化粉土在低角度海床上产生滑动破坏的海洋环境参数和力学指标，为海底滑坡等海洋地质灾害预警与防范提供技术支持。

黄河水下三角洲海床由入海沉积物快速堆积而成，沉积过程中发育有塌陷凹坑、滑坡、粉砂流等地质灾害，并可导致近海工程设施破坏、海底管线断裂等严重后果。前期研究认为该灾害的发生主要与波浪循环荷载下粉质海床发生液化，强度降低有关。.针对该问题，本课题以黄河水下三角洲粉质海床为研究对象，首先通过波浪槽试验分析波浪作用下液化粉土海床中位移、应力、孔压等场量的分布及随时间动态响应情况，然后通过拖球试验分析液化粉土的流变特征，引入土力学流变理论，建立相应的液化粉土流变本构模型；在此基础上进一步通过现场勘探和数值模拟揭示粉质海床液化与海底粉砂流现象的内在联系。.（1）基于流体力学中Stokes粘滞阻力原理，在波浪水槽试验和振动台试验基础上，设计了一套可用于测量液化过程中粉土流动特性的拖球装置。根据多次试验结果发现，该装置能够完成预期的试验目标，试验结果可靠，且具有高效、便捷等特点，具有较强的实用性，可以为后续研究提供参考。.（2）在类似拖球试验的土体流变特性测试中，粉质土的表观粘度要远大于砂土表观粘度；水槽试验中，波浪要素对试验结果影响较大，其中随着波高增大，表观动力粘度逐渐减小；同一波高情况下，表观动力粘度随波浪时间有缓慢升高趋势；表观动力粘度随着超孔压比的升高而降低。此规律性进一步验证了液化粉土可以作为一种流体来进行研究。.（3）基于流体力学假塑性流体基本理论，归纳出了零有效应力和非零有效应力情况下粉土的本构关系，通过波浪水槽和振动台下的拖球试验结果，拟合得到了公式的基本参数。.（4）通过现场监测得到土体物性参数，以及得到的粉土液化后本构模型，进行了数值模拟分析。不考虑液化层与非液化层之间的相互作用，分析了倾斜地基上土层的液化位移特征，结果表明液化层水平位移主要发生在液化开始的前一段时间，随着液化时间的增长，变形发展的速率逐渐减小；液化层坡度越高，土单元的广义剪应力越高，发生的变形也越大，同时，随着坡度的改变，水平位移曲线的形状也会发生改变；在坡度较小时，液化层底部不发生水平位移，但坡度较大时，液化层底部也会发生变形。.（5）基于FBG压差式传感器研制了海床孔压原位、长期观测设备，通过耐高压、耐腐蚀试验得出，FBG传感器具有极高的稳定性、耐高压、耐海水腐蚀性，在深海观测方面具有较高的适用性；搭载着FBG压差式传感器的超孔压观测探杆整体性能良好，对超孔压表现出良好的观测能力和灵敏度。