液化粉质土底床中块体存在的试验求证❋

曾 俞， 许国辉❋❋， 任宇鹏， 许兴北

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100)

海洋工程地质学的研究中，在室内试验、理论分析以及现场监测均给出了砂质或粉砂质的海底，在强烈的波浪作用下会发生液化。一系列室内试验，如水槽试验[1-7]、离心机试验[8-10]、砂柱试验[11-15]，给出试验条件下砂土或粉土的液化。Chang等[16]采用Ishihara and Yamazaki等[17]提出的方法对台湾宜兰地区砂质海床的液化势进行分析后，得到在水深8.6 m的区域最大的液化深度达到6.1 m。在海岸现场的孔压监测，也发现砂质海床在大的风暴浪作用下会发生液化[18-19]。粉土或粉质粘土海底，如黄河三角洲[20-22]和密西西比三角洲[23]，通过地貌调查以及浅地层剖面资料发现，其海底常出现塌陷凹坑，局部海底还存在地层的扰动现象，经研究认定，这是海底在波浪作用下液化的结果[24-26]。

对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机制及过程[21, 27-29]，许国辉等利用波浪水槽试验模拟了塌陷凹坑沟槽的形成，通过试验提出塌陷凹坑是由于海床在风暴浪作用下软弱区土层液化，液化后随波浪一起做振荡运动，底床振密，部分粘析出所致[25,30]，深化认识了塌陷凹坑的形成机制。王刚等通过水槽试验分析了土体密度变化与粘粒析出对塌陷凹坑的贡献量[31]。

在密西西比河水下三角洲的调查中，发现在塌陷凹坑里面存在有块体[23]，黄河水下三角洲的水下声纳探测也发现一些凹坑表面有较明显的纹理，仿佛由许多小块构成[21](见图1)。这些液化土中存在的块体在运动时会对海底结构物产生强烈的冲击作用，并使得液化后的海底工程地质性质不均匀。目前，对海底块体的存在及其原因仍缺少研究解释。初步分析认为，海底土体在固结时，由于其非均匀性，会固结成块，结块土体难以液化，成为液化土体中的块体。本文以粉质土铺设底床，进行了底床固结时间不同的2次波致底床液化的水槽试验，来求证前述的分析认识。

1 波浪水槽试验

波浪水槽试验中，由于难以观察到土体内部状态，采用了贯入仪力学测试和玻璃珠示踪的手段，来反映液化土体内部是否存在有块体。贯入仪力学测试可以较直观地反映出液化土体中存在的块体，块体的力学强度会高于周围液化的土体。玻璃珠示踪的设想是，若液化土体中没有块体，且液化土体在波动时没有水平向的净输运，则投放的玻璃珠在沉降过程中遵循泥沙在水中沉降的Stokes规律，呈现出粒径大的玻璃珠快速沉降至较深层，粒径小的玻璃珠沉降至较浅层的分布特征，同时玻璃珠在向下沉降中可能有一定的扩散。若液化土体内部有块体存在，则玻璃珠在液化土体中发生沉降时，将落在块体上，被块体托阻，从而难以形成有规律的沉降分布。

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

图1 水下三角洲塌陷凹坑形态
Fig.1 Underwater delta collapse morphology

1.1 仪器设备

试验用波浪水槽见图2。底床段(尺寸为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，用来盛土制备沉积底床。波浪参数用加拿大RBR公司生产的WG-55型波高仪记录。底床的土体强度用普氏贯入仪(见图3)测定。示踪用玻璃珠(密度为2.65 kg/m3)由三种尺寸的玻璃珠均匀混合在一起，粒径分别为8.00、9.80和16.00 mm，数量分别为150、150、30颗，总计330颗。

图2 试验波浪水槽Fig.2 The wave flume

1.2 样品制备及底床铺设

试验底床用的粉土为取自黄河三角洲的原土(含有9%左右的粘粒)，颗粒级配曲线如图4所示。粉土加水搅拌混合，制成含水率35%左右的试验用土。将搅拌好的粉土，逐渐摊铺，一层一层地移入水槽内的盛土段，制成厚度为0.60 m的均匀底床。之后向水槽中加入水至水深40 cm，静置固结一段时间后进行试验。

图3 普氏贯入仪Fig.3 Micro-penetration instrument

图4 试验土体粒径级配曲线图Fig.4 Grain-size grading curve of test soil

1.3 试验过程

进行了底床固结时间不同的2次波致底床液化的水槽试验。第一次试验(以下称试验1)底床静置固结时间为10 d，第二次试验(以下称试验2)底床静置固结时间为8 h。试验前，用贯入仪测试了底床土体力学性质，作为底床液化试验开始时的初始值。随后，进行波浪作用下底床土体液化发展的试验，2次试验的波浪参数如表1所示。

2次试验都观察到，自加波开始，底床表层的粘土进入水体中，水体变得浑浊。底床自表层开始液化，液化深度逐渐向下发展，上部水体愈加浑浊。从水槽侧壁观察到，在底床最大液化深度线以上的液化土体，随波浪做相同周期的波动。液化土颗粒运动轨迹近似椭圆，轨迹椭圆的水平向长轴和垂向短轴从上而下逐渐减小(土床表面的颗粒轨迹长轴可达6 cm)，至液化层底部，土颗粒仅呈现水平向的往复运动。

以水槽侧壁观察的液化土体波动底界为液化深度(由于玻璃边壁效应，观察的液化深度应该比内部实际液化深度值小)，试验1开始后75 min，土床达到最大液化深度47 cm，试验2开始后158 min，土床达到最大液化深度58 cm。2次试验观察到的底床液化区最后的范围见图5(绿线/红线标示以上的范围)。

在整个加波过程中，随着土床液化的发展进程，用贯入仪对底床进行了多次的力学性质测试(测试位置见图5)。由于贯入阻力测试在时间上先于玻璃珠示踪撒入，故为减少该项测试对之后试验的影响，在足以反映底床强度的前提下，在试验1中选择了底床中部两侧的2个测试点，试验2选择了底床中部1个测试点。对于每个点，在底床液化前及液化中2个阶段共进行了3～4次强度测试。测试随时间进行，可以标识底床在液化过程中的动态变化，对于同一基质的(粉质土)底床而言，其反映的强度性质具有代表性。

表1 2次水槽试验波浪参数及最大液化深度Table 1 Wave parameters and maximum liquefaction depth of two wave flume tests

图5 2次水槽试验最大液化深度Fig.5 Maximum liquefaction depth of two wave flume tests

在达到最大液化深度后，虽然有持续的波浪作用，但是液化区开始出现自下而上逐渐的沉积回返现象。为保证停止加波时撒入的玻璃珠还在沉降过程中，在正式撒玻璃珠前，将1粒系有细线的玻璃珠(直径16 mm)放置于土床表面，等其自然沉降，记录沉降时间及位移，计算玻璃珠的沉降速度，预估沉降至最大液化深度所需要的时间。试验1中预置玻璃珠在22 min内沉降至最大液化深度处，且沿波浪前进方向运移；试验2中预置玻璃珠在14 min内沉降至最大液化深度处，运移方向与波浪前进方向相反。

随后，为最大程度地反映液化底床内部状况，选择在水槽中部偏左或偏右的某方形区域(10 cm×35 cm)内同时撒入预先混合均匀的玻璃珠(撒入位置见图5)。考虑到预置玻璃珠的运移方向以及玻璃珠撒入位置应不与贯入阻力测试位置重叠，试验1选择水槽中部偏右位置，试验2选择水槽中部偏左位置。玻璃珠撒入后，待接近估算时间(试验1为20 min，试验2为12 min)时，立即停波。最后将水排出，等底床静置风干，达到一定的土体强度后，分层挖土，分区域纵剖土床，每2 cm深度层位回收试验中撒入土床的玻璃珠(见图6)。

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

2 试验结果

试验结果包括土体的贯入阻力以及液化状态下玻璃珠沉降过程中的位置分布状态。底床固结240 h的试验1作为可能出现内部土体结块的情况，底床固结8 h的试验2作为基本没有固结，内部土体不容易出现结块的情况。

2.1 底床的贯入阻力

在2次试验的前后及试验过程，均测试了土体的贯入阻力(见图7)。对于试验1，同一位置处，从静置阶段到液化阶段过程中，土体的贯入阻力出现多个分布在不同深度位置薄厚不一的相对高值。特别地，在距离水槽左端160 cm处，液化前的土床表面也出现高值。将这些|相邻深度贯入阻力差|>0.5的层(见图7中黄色阴影部分)视为硬块，发现硬块在不同的位置，不同时间均有分布。在同一时刻，不同位置处出现的硬块数量不一致，且分布的深度层位不同；在同一位置处，硬块自液化开始到液化过程中都存在，但分布深度及厚度不同。对于试验2，从静置阶段到液化阶段过程中，土床内硬块分布不明显，呈现自上而下土体贯入阻力逐渐上升的趋势，与之前相关研究一致[24]。

图7 2次试验土体贯入阻力Fig.7 Penetration resistance of soil beds in two tests

2.2 玻璃珠的分布特征

2次试验撒入的玻璃珠总回收率分别为78.5%和76%。由不同粒径玻璃珠回收率(见表2)，数量及分布位置(见图8)可见，2次试验的玻璃珠在土床内都具有一个集中分布区，呈现出在部分区域集中分布，其余位置零星分布的特征。对比2次玻璃珠的分布位置，发现存在明显差异。

试验1中玻璃珠撒入位置为距离水槽左端150～160 cm处，在液化土床中运移20 min后，到达不同位置。作为可能出现内部土体结块的情况，其分布状态为：水平方向上，玻璃珠沿波的前进方向上运移了10～40 cm，集中在距离水槽左端120～140 cm处。垂向上，从底床表面至24 cm深度处均有分布，集中在16～22 cm深度处。再从不同粒径的玻璃珠分布考虑，可以发现在水平方向上，中小玻璃珠的运移距离大于大玻璃珠，具体为8.00 mm>9.80 mm>16.00 mm；在垂向上，三种玻璃珠分布数量最多的深度基本一致，沉降距离最远的为粒径16.00mm的玻璃珠，三种粒径玻璃珠在上层均有滞留。

试验2中玻璃珠撒入位置为距离水槽左端120～130 cm处。作为固结时间很短，内部土体不容易出现结块的情况，试验2中的玻璃珠在液化土床中运移12 min后，水平方向上并未出现大规模的运移，大部分玻璃珠在原位置发生沉降，少部分中小粒径玻璃珠以扩散的方式向来波方向运移。垂向上，整体上看，自土床表层至32 cm深度处均有零星分布，主要集中在26～32 cm深度；对于不同粒径玻璃珠，大部分16.00 mm玻璃珠都沉降至最深层位，浅层停留较少，而中小玻璃珠在各个深度层位上均有分布，即粒径大的玻璃珠快速沉降较深层，而粒径小的玻璃珠沉降层位较浅。

表2 2次试验玻璃珠回收率Table 2 Recovery rate of glass beads in two tests

图8 2次试验玻璃珠分布Fig.8 Distribution of glass beads in two tests

3 分析与讨论

本文两次水槽试验，主要是为了验证液化土体内部块体的存在。两次试验底床铺设条件过程一致，采用的波浪条件接近，用于示踪的玻璃珠数量相同，只是固结时间的不同。

从贯入阻力测试结果来看，两次试验表现出的差异明显。首先是液化前贯入阻力垂向变化出现差异，固结10天的底床中表层及内部出现硬块，而固结8 h的底床中没有此现象。说明底床铺设具有非均匀性而在固结时间短的情况下难以表现出来，但固结时间长会出现明显表征。试验2的底床贯入阻力从液化前至液化中均保持自上而下逐渐增大的趋势，未出现明显的强度突增或骤减，说明固结时间较短的底床土体表现出均质状态。试验1中，底床不同水平位置、不同深度存在硬块，并伴随液化过程一直存在，即固结时间较长的粉质土底床表现出不均匀性。硬块可能是土体固结过程中形成的结构性块体，该块体在液化过程中难以碎散。

与河口环境现场相联系，本文实验中土体表面及内部出现的块体，应与Coleman等[23]根据现场勘测给出的在河口海岸液化区表面存在的丘状块体(见图1)产生条件一致。自然或实验条件下，底床在固结一段时间后，底体表面或内部会生成结构性块体。底床在强浪作用下发生液化，内部块体并不迅速碎散呈现为液状化，而是继续以块体形式存在，使得液化土体内部呈现非均匀状态，从而在底床液化的水槽试验中出现液化土体强度随深度呈现出突增或骤减的变化。而块体在液状化的土体中，会随液化土体波动。

玻璃珠的分布状态也印证了固结时间长的粉质土底床内部块体的存在。试验中用大玻璃珠做了沉降时间测试，玻璃珠沉降时间以粒径大的达到液化底界为限制，在大玻璃珠达到液化底界时，中小玻璃珠应分散在液化底界上部土体中。对于土体液化后内部无块体的情况下，试验猜想是玻璃珠应呈现大粒径下部多，小粒径下部少的分布状态。试验2中的玻璃珠分布状态便符合这一猜想。试验2中，底床内部块体表现不明显，玻璃珠的沉降并未受到影响，大玻璃珠沉降较快，中小玻璃珠沉降相对较慢。在沉降一定时间后，大粒径玻璃珠大多降至底层，而中小玻璃珠仍然处于沉降状态。此外，玻璃珠在水平方向上也有运移(见图9)。玻璃珠与液化土一样做相同的波动，运动轨迹近似椭圆。水平位移产生原因应该是玻璃珠随液化土波动的Stokes波效应。

图9 固结时间很短的底床中玻璃珠的运移模式Fig.9 Transport pattern of glass beads in soil bed with short consolidation time

对于土体液化后内部存在块体的情况，猜想玻璃珠会呈现不规律分布。试验1便符合这种情况。试验1中玻璃珠的分布主要表现为：在垂向上，虽然沉降距离最远的是大粒径玻璃珠，但从数量上看，分布三种玻璃珠最多的深度基本一致，且三种粒径玻璃珠在浅层及中部层位均有滞留；水平方向上，玻璃珠沿波的前进方向上运移，并形成撒入区与分布区之间的零分布区。这种分布现象应该是底床内部块体影响了玻璃珠的沉降而产生。固结10天的底床在不同位置、不同深度(从表层开始)处出现的厚度不一的块体，在液化阶段依旧存在，并随液化土体波动，不易消碎，影响了玻璃珠的沉降。如图10所示，洒在150～160 cm处的玻璃珠受表面块体的影响，只有少量玻璃珠在原位下沉，大多数在沉降过程中受土床中块体的阻碍及拦挡作用，在表层深度处出现托滞。部分滞留在块体上的玻璃珠不继续下沉，另一部分由于无法向下继续运移，则继续在块体表面随液化土波动，向波前进方向运移，直到顺利沉降或者土体停止液化波动。停波后，本应符合Stokes沉降规律的玻璃珠表现出纵向上分布不均以及跳跃式横向分布。

图10 固结时间较长底床中玻璃珠的运移模式Fig.10 Transport pattern of glass beads in soil bed with long consolidation time

4 结论

在黄河和密西西比河水下三角洲的塌陷凹坑里面存在有块体，根据本文研究认为是海底土体由于非均匀性，会固结成块，结块土体难以液化，成为液化土体中的块体。利用固结时间较长与固结时间很短的粉土底床，进行波致液化的波浪水槽试验，得到如下认识：

(1)固结时间不同的粉质土底床会有不同的土体强度随深度变化规律。固结时间很短的底床土体硬层不明显，固结时间较长的底床会有不规律硬层分布。

(2)根据粉土在波浪荷载作用下发生液化时所测得的贯入阻力以及玻璃珠分散状态，证明固结时间较长的底床内部存在块体，固结时间很短的无明显块体。

(3)固结时间较长的粉质土底床中存在的块体，在液化波动过程中难以碎散，会成为留存在液化底床区中的块体。