张丽萍-波致孔压累积对海床再悬浮泥沙量影响研究.ppt

波致孔压累积对海床 再悬浮泥沙量影响研究 报告人： 张丽萍 指导老师：贾永刚 教授 2011年8月4日 波浪导致底床沉积 物悬浮过程中，人们普 遍关注的是波浪剪切力 对底床表层沉积物起动 的贡献作用 波致底床沉积物再悬浮过 程，受波浪水平剪切应力与垂 向循环荷载压力的控制，这两 种作用力效果耦合导致其成为 近岸海床的典型动态变化过程 泥沙再悬浮的物质 主要是细粒物质，且来 源主要是表层 液化作用会产生底床内部 细粒物质的向上运移，进而产 生再悬浮，且不同波高条件下 由液化产生的再悬浮增量有一 定的规律性 传统认识实际发现 研究问题：液化过程对再悬浮泥沙增量的贡献作用。 2011全国工程地质大会 青海 西宁 主要内容框架 再悬浮泥沙量计算方法及变化过程分析 4 试验材料 1 试验方法与过程 2 波致孔隙水压力累积与液化发生过程分析 3 液化对再悬浮泥沙量的贡献规律分析 5 结论 6 2011全国工程地质大会 青海 西宁 1. 1. 试验材料试验材料 中国海洋大学环境岩土实验室的波浪水槽，长14m、宽40 cm、高70 cm 孔压测量装置采用美国Iotech,Inc.生产的DAQLab/2005高级动态信号采集分析 器,连接DBK43A型8通道应变测 量模块信号调理器实现孔压数据的采集 用TUBR335IR型便携式浊度计和XR-420 CTD+Tu 温盐深浊度仪测试土床上部 水体的浊度 试验自配标准海水，盐度为35。土样取自黄河三角洲粉质土，其黏粒含量 在13.6 16.7%间，d50在0.0360.042间。主要矿物成分为石英、长石、方解石和 白云石 2011全国工程地质大会 青海 西宁 2.2. 试验方法与过程试验方法与过程 在黄河三角洲粉质土样加入标准海水，制成均匀的含水量在35%左 右的流态泥浆倒入试验 土槽，厚度大约50cm。 土床制备完备后，将3个孔隙水压力探头埋设在距土床表面20cm、 30cm、40cm处，静置24小时。 向试验 水槽中加入配好的标准海水，约40cm深，使土床在静水压力 作用下固结24小时后开始加波，设置5cm、7cm、10cm、18cm波高； 加波期间，按5min,10min,15min,30min的时间 间隔用便携式浊度计 中的计量瓶取水深15 cm，25 cm，35 cm的水样，测其浊度，从每隔 5min开始，浊度变化不大时选 取下一级时间间 隔；在水深40cm处放 置自容式浊度计，连续测 量浊度的变化。 2011全国工程地质大会 青海 西宁 3.3.波致波致孔隙水压力累积与液化发生过程分析孔隙水压力累积与液化发生过程分析 可以看出，30cm深度处孔压波动较20 cm、40cm深度都大；各波高波浪作用下孔 压在最初一段时间保持稳定，而在某一时刻急剧增大，尤其在7cm，10cm和18cm三 个波高下更为明显。 3.1 不同波高作用下静置-加波阶段累积积孔隙水压压力随时间时间 的变变化 2011全国工程地质大会 青海 西宁 5cm波高加 波阶段孔隙水压 力变化：各深度 处孔压无明显变化 7cm波高加 波阶段孔隙水压 力变化：各深度 处孔压在加波360个 波周期后明显增大 ，而后逐渐减小至 初始数值并稳定 3.2 加波阶阶段孔隙水压压力随波周期的变变化 2011全国工程地质大会 青海 西宁 10cm波高加 波阶段孔隙水压 力变化各深度处 孔压：加波3060个 波周期时又有明显 增大，然后缓慢减 小至稳定 18cm波高加 波阶段孔隙水压 力变化：各深度 孔压在加波约11400 个波周期时开始明 显增大，然后缓慢 减小并趋于稳定 3.2 加波阶阶段孔隙水压压力随波周期的变变化 2011全国工程地质大会 青海 西宁 （1）在波浪荷载作用下，底床土体内部的孔压值在一段 时间后均出现明显增大，且发生改变的时间随着波高的增大而 增大，由5cm波高时的没有明显变化至7cm时的360个波周期， 10cm时的3000个波周期，18cm时的11400个波周期，显示了不 同波高下孔压发生突变的滞后现象。 （2）这种现象主要是由于随着波高的增加，波浪作用的 累积效应使表层土体出现压实的硬壳层，因而土体内部孔压对 上部波浪作用的响应需要经历更长的时间。 （3）经统计分析，孔压的平均增幅也随着波高的增大而 增大，由7cm波高下的0.42 kPa增长到18cm波高下的0.84kPa， 增长了0.42kPa。 3.3 孔隙水压压力变变化情况 2011全国工程地质大会 青海 西宁 根据有效应力原理有 为了使土体液化的统计结果更加直观，定义液化指数Y为： 3.4 液化发发生过过程分析 渗流通道 鱼鳞状痕迹 多为粘粒物质 2011全国工程地质大会 青海 西宁 4.4. 再悬浮泥沙量再悬浮泥沙量计算方法及变化过程分析计算方法及变化过程分析 4.1 再悬浮泥沙量计算方法 本文采用单位底面积水柱中再悬浮泥沙量来表示悬浮泥沙的变化情况， 其计算方法为： 式中，M为水槽中单位底面积水柱体再悬浮泥沙量，kg/m2；z为水槽 中水体划分的层数；hz为各水层的厚度；Cz为某水层悬 浮泥沙浓度，g/L。 根据实验 中实时测 量的浊度值计 算得到再悬浮泥沙量； 其中，将波浪水槽水体由水表至底分为5层：第一层05cm，第二层 515cm，第三层1525cm，第四层2535cm，第五层3540cm，则 h1=0.05m,h2=0.1m ， h3=0.1m ， h4=0.1m ， h5=0.05m； 2011全国工程地质大会 青海 西宁 不同波高波浪作 用下再悬浮泥沙量随波 周期数变化曲线可以看 出，不同波高波浪作用 下，再悬浮泥沙量的增 长过程均可划分为两个 阶段，即初始快速增长 （）阶段和后期缓慢 增长至最大值（）阶 段。相应地，波浪作用 下的再悬浮泥沙量可分 为阶段产生的初始悬 浮量和阶段产生的后 期悬浮增量。 4.2 再悬悬浮泥沙量变变化情况 2011全国工程地质大会 青海 西宁 初始悬浮量M1：底床表面细 颗粒物质在波浪作用下发生 再悬浮所产生 在18cm波高作用时达到近一半。 由此可见波致底床液化对沉积物 再悬浮的贡献。 4.2 再悬悬浮泥沙量变变化情况 占再悬浮总量的54%83%, 且增长速率较快 初始悬浮量M2：主要来源于 底床内部液化渗流向水体的 向上输运 占再悬浮总量的17%45%， 增长过程需要较长的波周期数 2011全国工程地质大会 青海 西宁 不同波高作用下泥沙后期悬浮增量与平均液化指数随波周期的变化曲线 水体 中泥沙后 期悬浮增 量的增长 滞后于底 床土体平 均液化指 数的增长 ，滞后的 波周期数 分别为 2730， 3500， 9920和 14900。 5.5.液化对液化对泥沙再悬浮量泥沙再悬浮量的贡献的贡献规律规律分析分析 2011全国工程地质大会 青海 西宁 不同波高作用下后期悬浮增量M2与平均最大液化指数关系曲线 底床土体的液化指数越大，即波致底床液化程度越高，由液化 渗流产生的再悬浮泥沙量就越大。 5.5.液化对液化对泥沙再悬浮量泥沙再悬浮量的贡献的贡献规律规律分析分析 2011全国工程地质大会 青海 西宁 1 各波高作用下，孔 压值 在一段时间 后均 明显增大。波高增加 的条件下，孔压累积 发生时间 逐渐延长。 不同波浪作用条件 下，表层沉积物起动 悬浮过程均在初始时 刻迅速完成，而后会有 由液化渗流底床内部 细粒物质上输产 生的 水体再悬浮泥沙量的 小幅增长。 2 平均液化指数与 悬浮泥沙后期增量成 线性关系，相关性强， 说明再悬浮泥沙量后 期的增量确实是来自 液化产生的深部物质 的向上输运，且再悬 浮泥沙后期增量随着液 化指数的增大而增大， 说明液化对于再悬浮 泥沙量的增量有很大的 贡献作用。 3 水体中再悬浮泥沙 后期增量的增长与底床 土