波浪作用下粉土特性分析_林缅
粉土动力特性研究综述
粉土动力特性研究综述
曾长女;刘汉龙;周云东
【期刊名称】《防灾减灾工程学报》
【年(卷),期】2005(25)1
【摘要】粉土是一种具有特殊工程性质的土,粉土中砂粒、粉粒、粘粒都存在,这3种粒种分别具有不同的性质。
总结这3种粒种对粉土动模量和阻尼的影响,得到了粉土模量阻尼的表达式以及粉土动力特性符合土体非线性和滞后性的一般规律。
液化是一种特殊的强度问题,国内外预测液化可能性的方法主要有经验法、剪切波速法、Seed法、有限元法等。
室内研究主要集中在粉土动力特性试验研究上,研究了各种因素影响下粉土液化特性,包括3种不同的粒种对粉土液化特性的影响,尤其是粘粒含量影响下粉土液化特性。
粉土的动孔压响应与砂土有很大区别,这也可以用粉土特殊的颗粒结构组成来分析。
最后,分析了粉土液化机理,并对粉土进一步研究提出了几点看法。
【总页数】6页(P99-104)
【关键词】粉土液化;孔隙水压力;动力特性
【作者】曾长女;刘汉龙;周云东
【作者单位】河海大学岩土工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TU41
【相关文献】
1.不同增强体粉土复合土动力特性试验研究 [J], 曾国红;白晓红;张卫平;王梅
2.复杂应力路径下粉土的动力特性研究 [J], 赵津东; 董金梅; 沈震; 陈凡
3.复杂应力路径下粉土的动力特性研究 [J], 赵津东; 董金梅; 沈震; 陈凡
4.尾矿粉土动力变形特性试验研究 [J], 张婷;谭凡;杨哲
5.粉土密实度对斜坡动力响应特性影响的振动台试验研究 [J], 李丞;苏立君;张崇磊;蒋关鲁;肖思友
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波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程
第37卷第3期2019年7月海洋科学进展A D V A N C E S I N MA R I N E S C I E N C EV o l .37 N o .3J u l y,2019波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程宋玉鹏1,孙永福1,2*,杜 星1,李淑玲1(1.自然资源部第一海洋研究所,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验,山东青岛266235)收稿日期:2018-01-10资助项目:国家重点基础研究发展计划项目 水合物形成与分解过程微观结构与宏观力学特性(2017Y F C 0307305)作者简介:宋玉鹏(1979-),男,黑龙江鸡西人,副研究员,博士,主要从事海洋工程地质方面研究.E -m a i l :s o n g y u p e n g @f i o .o r g.c n *通讯作者:孙永福(1964-),男,山东潍坊人,研究员,博士,主要从事海洋工程地质方面研究.E -m a i l :s u n y o n g f u @f i o .o r g.c n (王佳实 编辑)摘 要:以黄河口海底粉土为研究对象,利用自行研发的监测设备现场监测了波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应过程,获取了2个大风过程中孔隙水压力的有效数据㊂波浪作用下海底粉土的孔隙水压力响应由表层土最先开始,向下层土延伸,且响应程度随着土层深度的增加而减弱㊂孔隙水压力响应特征受潮位与波高影响明显,潮位影响孔隙水压力响应的整体趋势而波高影响孔隙水压力响应的幅值,且海底粉土孔隙水压力对波高的响应具有滞后性,滞后时间约为2h ㊂大风过程中海底面以下1.5m 以深孔隙水压力未发现明显变化,说明其超过了波浪最大作用深度;海底面以下0.5m 位置处孔隙水压力在一段时间内产生剧烈振荡,无明显的累积现象,说明其处于波浪作用范围内,但波浪作用导致的孔隙水压力小于土体孔隙水压力的消散速率㊂关键词:黄河口;海底粉土;孔隙水压力;现场监测;滞后效应中图分类号:P 333.4 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2019)03-0452-10d o i :10.3969/j.i s s n .1671-6647.2019.03.009引用格式:S O N G YP ,S U NYF ,D UX ,e t a l .T h e p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s s a n d p r o c e s s o f t h e s i l t i n t h eY e l l o w R i v e rD e l t a u n d e rw a v e a c t i o n [J ].A d v a n c e s i nM a r i n e S c i e n c e ,2019,37(3):452-461.宋玉鹏,孙永福,杜星,等.波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程[J ].海洋科学进展,2019,37(3):452-461.波浪作用下海底土的动力响应及液化研究始于20世纪40年代,早期学者主要以砂土为研究对象,开展了波浪-海底土相互作用的理论研究与本构模型的构建[1-3]㊂土的物质成分包括作为土骨架的固态矿物颗粒㊁孔隙中的水以及气体㊂根据有效应力原理,饱和土中任意点的总应力,总是等于颗粒间的有效应力与孔隙水压力之和㊂海底土承受波浪作用时,土体内将产生超孔隙水压力,有效应力随之降低,当有效应力为零时,总应力完全由孔隙水压力承担,此时土体处于液化状态,因此,孔隙水压力在海底土对外部荷载的动力响应乃至液化方面起着极其重要的作用㊂科学地分析及预测孔隙水压力的发展过程与变化规律是研究波浪作用下海底土动力响应的重要内容㊂B i o t [4-5]提出了同时考虑孔隙水可压缩性和土骨架弹性变形的三维固结理论,之后又提出了饱和土体中弹性波传播的控制方程,对固-液两相介质中弹性波传播机制进行了论述,成为研究海床动力响应的基础理论㊂随着高精度室内物理模拟试验的发展,通过模拟波浪对海底的作用方式,研究海底土的应力应变关系和孔隙水压力累积及消散过程等工作广泛开展㊂常用的模拟试验有振动三轴试验[6-8]㊁循环扭剪试验[9-10]㊁水槽模型试验[11-13]㊁离心机与振动台试验[14-15]等㊂受场地条件限制及比尺效应的影响,室内物理模拟试验在模拟波浪与海底土相互作用过程上仍存在局限性㊂现场监测获取波浪作用下海底土孔隙水压力的实时数据可以准确地反映波浪作用对土体内部应力的影响过程,进而可研究其影响动力机制及后续液化过程㊂但由于研发设备成本高㊁技术难度大,一直以来海底土的孔隙水压力现场监测工作发展缓慢[16-19],缺乏大风浪作用下海底土的长期㊁连续的孔隙水压力实测数据,无法对波浪作用下海底土动力响应的数值模型及物模试验结果进行验证㊂本文开展了波浪作用下黄河口海底粉土孔隙水压力现场监测,3期宋玉鹏,等:波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程453获取了有效数据,能够更加深入地分析波浪作用下海底粉土的孔隙水压力变化特征及过程,为后续的液化研究提供基础,具有较强的理论意义与应用价值㊂1监测设备孔压监测设备为自主设计研发,核心部分为孔压监测探杆,如图1所示㊂孔压监测探杆为分段多节式结构,直径4c m,内置4个孔隙水压力传感器,编号分别为1,2,3,4,间隔为1m,探杆总长4.2m,完全贯入海底后1~4号传感器距离海底表面的距离分别为0.5,1.5,2.5和3.5m㊂孔压传感器是监测系统的关键部件,它决定了监测数据的分辨率和精度㊂本次设备研发采用德国产C C P S18型陶瓷电容式孔压传感器,其量程为1M P a,响应时间小于1m s,综合误差为0.1%F S~0.2%F S㊂数据的采集㊁存储及通讯模块均集成于探杆顶部的数据采集存储舱内,舱内装有电池组,可实现数据实时传输和自容存储两种采集存储模式㊂孔压探杆通过贯入机具(图1)将其贯入至海底,贯入机具自重3.5t,液压系统工作压力为12M P a,最大工作水深为50 m,能提供的最大贯入力为30k N㊂将探杆压贯至预定深度后,将贯入机具回收,本次监测设定数据采集存储模式为自容式,数据采集频率0.5H z㊂图1孔压监测设备F i g.1 M o n i t o r i n g e q u i p m e n t f o r p o r e p r e s s u r e2监测站位的选取粉土在黄河口地区广泛分布,在波浪作用下易于发生液化,进而对工程设施稳定性造成影响㊂选取黄河口埕岛海域为监测区域,该区域为黄河走河刁口流路与神仙沟流路期间形成的新近沉积体,固结时间短,表层为典型的粉土沉积,同时该区域又是胜利油田油气开发的主阵地㊂监测站位位置如图2所示㊂监测探杆布放之前,对监测站位周边进行了水深地形测量㊁浅地层剖面调查及工程地质钻探,监测站位周边地势平坦,水深9.5m,土层结构稳定,适合监测探杆的布放及回收㊂监测站位表层土为典型的粉土,层厚5.0m,其天然含水量为19.8%~26.6%,天然重度为19.4~20.7k N/m3,塑性指数6.2~8.7,黏聚力15.3 ~23.6k P a,内摩擦角22.9ʎ~25.2ʎ㊂探杆入土深度与土层结构如图3所示㊂于2015-02完成了孔压探杆的布放工作,同时布放水动力监测设备,获取监测周期内的波浪及潮流㊁悬沙等数据,为分析波浪作用下海底粉土的孔压响应特征提供依据㊂454 海 洋 科 学 进 展37卷图2 监测站位位置F i g .2 M o n i t o r i n g lo c a t i on 图3 探杆入土深度与土层结构F i g .3 P e n e t r a t i o nd e pt ho f t h e p r o b e a n d t h e s t r u c t u r e o f t h e s o i l l a ye r 3 波浪作用下海底粉土孔隙水压力响应特征及过程在监测周期内筛选出了2个大风浪过程进行孔隙水压力变化特征的详细分析,时间段分别为2015-02-21T 20:00 02-23T 09:30,2015-04-12T 06:00 04-14T 14:30㊂2个大风过程作用时间均在36h 以上,且波高较大,个别时段有效波高超过3.0m ㊂2个大风过程的孔隙水压力及波高㊁潮位变化时程曲线见图4~图6,取每次连续记录180s 的孔压平均值进行绘图来观察其总体变化趋势㊂分析孔压变化特征发现,每个大风过程中4个传感器所在位置处的孔压变化趋势非常相似,时程曲线形状相近,相邻传感器孔压数值相差约10k P a ㊂水动力作用导致海底土孔压变化时,1号传感器最先响应,2号到4号传感器依次响应,相差时间不长,各传感器对水动力响应的时间差主要由土体的渗透性及水动力作用的强度共同决定㊂图4 孔压时程曲线F i g .4 T i m e -h i s t o r y cu r v e o f p o r e p r e s s u r e s3期宋玉鹏,等:波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程455图5潮位时程曲线F i g.5 T i m e-h i s t o r y c u r v e o f t i d e s图6波高时程曲线F i g.6 T i m e-h i s t o r y o fw a v eh e i g h t s从大风过程的孔压及潮位变化曲线比较可知,孔压时程曲线波形与潮位波形相似性很高,在相同时段上升和下降㊂波高与潮位变化均可以引起海底所受压力的变化,进而影响孔隙水压力的大小㊂孔隙水压力包括静水压力和超孔隙水压力,当孔隙水压力大于静水压力时,超过静水压力的部分孔隙水压力即为超孔隙水压力,简称超孔压㊂静水压力对土体的液化不起作用㊂从水动力变化过程来讲,潮汐过程周期长,潮位变化相对缓慢及平稳,因此潮位主要引起土体内静水压力的变化,而波浪变化周期短,相对于潮位变化迅速而剧烈,因此波浪的循环荷载作用会导致土体中超孔隙水压力的产生㊂从孔压时程曲线上来看,孔压变化趋势与潮位变化趋势一致,表明潮位变化对孔压变化趋势有重大影响,而波浪作用会改变孔压变化的幅值㊂为单独探究波浪作用下海底粉土孔压的变化,现将潮位引起的孔隙水压力变化消除,由于监测过程中同步获取了实时潮位数据,将总孔隙水压力减去潮位变化所对应的静水压力即可㊂2个大风过程中去除潮位影响后的波浪导致孔隙水压力变化见图7和图8㊂456 海 洋 科 学 进 展37卷图7 2015-02-21T 20:00 02-23T 09:30波致孔压变化F i g.7 W a v e -i n d u c e dv a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e s (8:00p mo nF e b r u a r y 21t o 9:30a mo nF e b r u a r y 23,2015)图8 2015-04-12T 06:00 04-14T 14:30波致孔压变化F i g.8 W a v e -i n d u c e dv a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e s (6:00a mo nA p r i l 12t o 2:30p mo nA p r i l 14,2015)由图7,8可知,1号传感器所在位置处孔压受波浪影响强烈,在波高较大的时间段孔压振幅剧烈增加,表明孔压对波高有明显的响应,直至波高减小而孔压响应也逐渐减弱㊂但1.5m 以深的3个传感器受波浪影响并不显著,且随着埋深的增加,由2号到4号各传感器监测到的孔压响应随之减弱,至4号传感器所在位置处孔压响应几乎可以忽略,故推测在此波浪条件下能够明显影响到的海底粉土深度介于0.5~1.5m ,1.5m 深度以下孔压偶有轻微波动㊂4 讨 论4.1 孔压响应的滞后性从2015-02-21 23的大风浪过程中选取波高明显上升和下降的2个时间段来分析孔压随波高的变化(图9)㊂大浪来临时,孔隙水压力虽然具有随着波高增大而增加的趋势,但并未随着波高的增大而立刻增加,而是相对延迟了一段时间才产生剧烈波动的现象,即存在 滞后效应 (图10)㊂当风浪减小时,孔隙水压图9 波高增大及减小过程典型时间段的选取F i g .9 S e l e c t i o no f t i m e i n t e r v a l s f o r t y p i c a l i n c r e a s i n g an d d e c r e a s i n gp r o c e s s e s o fw a v eh e i gh t s 力并未随之立刻减小,仍剧烈振荡一段时间,也存在 滞后现象 (图11)㊂为验证此观点,再选取2015-04-12 14的大风过程进行分析㊂结果显示,波高急剧增大时孔压仍然不会迅速增加,相对稳定了一段时间后才开始剧烈振荡(图12);波高迅速减小时,孔压响应也未随之马上减弱,而是仍然在较高幅值剧烈振荡(图13)㊂受土体间孔隙水的渗流速度影响,波浪作用产生的压力无法立刻作用到土层下方,而是需要一定时间来传递,这可能是造成 滞后效应 的主要原因㊂通过监测数据可以发现在埕岛海域粉土区,海底面以下0.5m 深的位置处孔压变化与波浪相比相对延后2h ㊂推测更深的位置孔压延后时间更长,有待进一步验证㊂3期宋玉鹏,等:波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程457图102015-02-21孔压随波高增大的变化过程F i g.10 V a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e sw i t h i n c r e a c i n g h e i g h t(F e b r u a r y21,2015)图112015-02-22孔压随波高减小的变化过程F i g.11 V a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e sw i t h t h e d e c r e a s eo fw a v eh e i g h t s(F e b r u a r y22,2015)图122015-04-12孔压随波高增大的变化过程F i g.12 V a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e sw i t h t h e i n c r e a s eo fw a v eh e i g h t s(A p r i l12,2015)图132015-04-14孔压随波高减小的变化过程F i g.13 V a r i a t i o n s o f p o r e p r e s s u r e sw i t h t h e d e c r e a s eo fw a v eh e i g h t(A p r i l14,2015)4.2超孔压的形成与消散超孔压的累积是导致土体液化的主要因素,静水压力对土体的液化不起作用,波浪作用下海底粉土的孔压响应,实际上就是超孔压的形成㊁累积与消散的过程,当超孔压累积达到土体上覆有效自重应力,有效应力将为零,土体发生液化㊂通过现场监测及室内模拟实验都已发现了波浪作用下土体内超孔压具有瞬态响应和累积响应两种现象[20]㊂瞬态响应也叫振荡响应,是土体内部孔隙水压力对波浪作用的实时脉动,常伴有孔压的振幅衰减和相位迟滞[3,21];累积响应则是海底土在波浪循环作用下由于土骨架的压缩变形而导致的残余孔压增减效应,这与地震作用下的土体液化类似[22-23]㊂监测周期内成功监测到超孔压的形成与消散,2个大风浪过程各传感器所处位置均产生了超孔隙水压力,其变化与波高变化有很大的对应关系㊂仅1号传感器位置处孔压有明显的振荡响应,其他位置处孔压响应不明显㊂2个大风过程1号传感器超孔压均随着波高的增大而逐渐产生并增大,随着波高的减弱而逐渐减小,大风过程波高的大小不同,超孔压响应幅值也不相同,总体上超孔压幅值在4~10k P a,且波高越大超孔压幅值也越大㊂1号传感器由于埋深只有0.5m,受波浪影响最强烈,因此超孔压数值最大,其余3个传感器测得的超孔压数值都很小,仅在某一时刻有微弱响应,可以认为2个大风过程中海面以下1.5m以深受波浪影响并不明显㊂大风过程中各传感器测得的超孔压如图14和图15所示㊂1号传感器测得的超孔压均有458海洋科学进展37卷在某一时间段明显增大的现象,该时间段为波高较大的时段,可见海底以下0.5m深度处超孔压不断形成及消散,对波浪作用响应强烈,其他传感器对波浪作用响应很小㊂图142015-02-22各传感器超孔压变化过程F i g.14 V a r i a t i o n s o f e x c e s s p o r e p r e s s u r e s o f e a c hs e n s o r(F e b r u a r y22,2015)图152015-04-13各传感器超孔压变化过程F i g.15 V a r i a t i o n s o f e x c e s s p o r e p r e s s u r e s o f e a c hs e n s o r(A p r i l13,2015)3期宋玉鹏,等:波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程459海底土体的孔压变化㊁超孔压的形成及累积与后续的潜在液化主要是由波浪作用引起的㊂足够大的波浪振荡作用可以使土体孔隙水压力迅速增加和消散,同时形成振荡超孔压㊂若波浪足够大且持续时间足够长,则有可能发生孔压累积现象,进一步产生累积超孔压并发生土体液化㊂而通过上图不难发现,只有0.5m深度的孔压随着波高的变化产生了剧烈的振荡㊂孔压受波浪影响强烈是产生后续一系列变化的前提条件㊂若是海底土受波浪作用不强烈,则无法产生明显的超孔压振荡㊁累积以及后续的土体液化㊂故由此推断海底以下1.5m以深总体上无明显的波致超孔压形成也难以发生液化现象㊂4.3波浪作用下海底土孔压响应的方式划分波浪作用会改变土体内部的应力状态,进而对海底粉土内部孔压产生影响,波浪引起的土体内部的应力会通过孔隙水逐渐传递到土颗粒中:一方面,波浪引起的循环应力会使粉土内部孔压增大;另一方面,孔隙水压力又会不断通过孔隙渗透而减小㊂故总体上孔压变化量受控于波致孔压与孔隙渗透的差值㊂随着海底土深度的增加,波浪引起的孔压累积效应越来越小,孔隙渗透也越来越小,故波致孔压值先逐渐增加,当海床深度超过波浪作用影响范围后则孔压无变化㊂可认为不同的波浪条件在不同的土质类型中都存在某一最大作用深度,小于该深度则土体内孔压会对波浪作用进行响应,大于该深度则孔压受波浪影响不明显㊂根据波浪作用范围以及孔压累积与孔隙渗透的差值,波浪作用下粉土内部孔压响应方式可分为3种:方式1,在波浪作用范围内且波致孔压小于土体孔压消散速度,有孔压振荡但不发生累积;方式2,在波浪作用范围内且波致孔压大于土体孔压消散速度,有孔压振荡且发生累积;方式3:超出波浪作用范围,无孔压振荡且不发生累积㊂监测周期内海底以下1.5m以深孔压未发现明显变化,说明其深度超过了当时波浪条件下的最大作用深度,与方式3相对应㊂0.5m深度位置处孔压在一段时间内产生剧烈振荡,但无明显累积现象出现,说明其处于波浪作用范围内,但波浪引起的孔压增加速率小于土体孔压消散速率,与方式1相对应㊂只有波浪足够大㊁作用时间足够长且深度适宜时,才会出现方式2的孔压累积现象㊂5结论利用自行研制的孔压监测设备,对大风过程下的黄河口海底粉土孔隙水压力变化特征进行了高精度的实时监测,并对结果进行了分析讨论,得出主要结论:1)孔隙水压力总体趋势受潮位变化影响明显,而超孔隙水压力对波浪作用有明显的幅值响应;2)孔压对波浪的响应具有一定的滞后性,随着波高的增加,孔压在低值区域经过一段时间后开始振荡响应;随着波高的减小,孔压仍然在较高幅值保持一段时间后逐渐减弱,观测到的滞后时间约2h;3)波浪作用下海底土的孔压响应根据超静孔隙水压力增长方式的不同可以分为2类:一类是与瞬时体积应变趋势有关的振荡孔压响应;另一类是由永久压密趋势引起的累积孔压增长,由此可将波浪对海底沉积物内部孔压影响方式划分为3种类型㊂监测周期内1号传感器监测到孔压在一段时间内产生剧烈振荡,但无明显累积现象出现,说明其处于波浪作用范围内,但波浪引起的孔压增长速率小于土体孔压消散速率;监测周期内海底以下1.5m以深孔压未出现明显变化,说明已超过了当时波浪条件下的最大作用深度㊂参考文献(R 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K e y w o r d s:t h eY e l l o w R i v e r d e l t a;s e a b e d s i l t;p o r e p r e s s u r e;f i e l dm o n i t o r i n g;l a g e f f e c tR e c e i v e d:J a n u a r y10,2018。
波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究
第34卷第4期2023年7月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.4Jul.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.04.015波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究朱㊀昊1,2,左利钦1,陆永军1,李寿千1,王茂枚2,刘㊀菁1(1.南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室,江苏南京㊀210029;2.江苏省水利科学研究院,江苏南京㊀210017)摘要:风暴潮及大风天等极端天气下易出现临底高强度输沙,对动力地貌过程㊁港口航道设施㊁生态保护等产生深刻影响,开展临底泥沙运动机理研究具有重要的理论价值和工程指导意义㊂本研究以波浪作用下的粉沙为研究对象,开展波浪水槽输沙试验,构建底部高浓度测沙系统,实现从不动床面到悬沙层的精细测量,观测不同动力环境下的输沙现象㊂研究结果表明:相对较弱动力条件下的床面存在沙纹,随着动力条件增强,沙纹被冲蚀并出现层移输沙现象;通过不同床面高度含沙量过程的分析,随着波浪的周期性运动,粉沙底部层移运动特征表现为泥面呈现横向摆动的周期性运动,深度越大的泥层摆动幅度越小,并开始出现相位滞后现象;引入移动数和密实度系数,建立了粉沙-沙宽级配范围的层移临界条件下波浪可移动数的计算公式㊂本研究初步提出了细颗粒泥沙底部运动机制,对进一步研究骤冲骤淤机理具有参考意义㊂关键词:粉沙;层移质运动;水槽试验;高含沙层;波浪作用中图分类号:TV148㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)04-0635-12收稿日期:2023-04-14;网络出版日期:2023-08-09网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20230810.1713.006基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFC3204302);国家自然科学基金资助项目(52071221)作者简介:朱昊(1989 ),男,江苏省靖江人,工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究㊂E-mail:592382399@ 通信作者:左利钦,E-mail:lqzuo@ 河口海岸地区处于风暴潮㊁大风天等强动力的波浪作用区域,同时也是人类活动和社会发展的重要区域㊂在极端天气条件下,波浪成为泥沙运动的主要动力因素,底部出现高强度的泥沙输运[1]㊂中国分布有大量的粉沙淤泥质海岸,床面泥沙运动和冲淤变化直接关系到港口㊁航道㊁取排水口等的正常运行,并对码头㊁桥梁等建筑物的稳定及岸滩侵蚀和生态系统产生影响[2-3]㊂因此,有必要开展较强动力条件下泥沙底部运动特征和输移过程模拟等研究工作,进一步指导海岸工程实践㊂自20世纪80年代以来,针对沙质泥沙的临底运动特征已开展了大量的研究工作[4-6],在风暴潮或相对较浅的水域,沙波被冲蚀,底床变平,层移质运动成为泥沙运动的主要形式㊂在层移层,泥沙以固液混合高含沙形式存在,颗粒间的碰撞在动量交换中起到重要作用,这是与悬沙运动的本质区别㊂当体积含沙量超过8%时,水流紊动基本消失,沙粒四周全部与其他的沙粒相接触,运动时只能成层的移动或滚动,颗粒之间液体变形所产生的剪切力可以忽略不计,全部剪切力由泥沙在做层移运动中因颗粒相互碰撞而产生的颗粒剪切力组成[7]㊂OᶄDonoghue 等[8]提出层移层下边界最大体积含沙量为67%(对应含沙量为1775kg /m 3),上边界体积含沙量为8%(212kg /m 3),可作为判断层移发生的条件㊂与沙相比,粉沙近底运动更为复杂㊂室内试验资料表明[9-11]:粉沙床面在小波高时出现沙纹,近底泥沙起动悬浮并以泥沙云的形式向上扩散,观测到了高含沙层现象[12],分析了对波浪边界层的影响,但尚未对其临底输沙特征展开分析㊂随着动力条件的增强,沙纹是否会消失呈现类似沙质泥沙层移质运动,还是类似淤泥质的浮泥运动,目前尚无定论㊂有学者认为粉沙兼顾黏性与非黏性特征,称之为伪黏性或准黏性沙[13-14]㊂Dohmen-Janssen 等[15]通过试验发现,小于0.21mm 的泥沙层移层厚度及其他特征尺度明636㊀水科学进展第34卷㊀显增加,即粉沙不仅存在层移质运动,而且其层移层厚度可能较沙质泥沙更大㊂现场观测及室内试验表明,粉沙质泥沙底部存在高含沙现象[16]㊂总体而言,目前对高含沙层以下临近床面附近泥沙运动过程的认识仍不清晰,尚未完整认识临底层泥沙运动的动力机制[17]㊂因此,有必要开展细颗粒泥沙临底输沙动力机制的研究工作,为进一步破解细颗粒泥沙临底输沙的理论瓶颈难题奠定基础㊂本文以粉沙为研究对象,采用水槽试验和理论分析相结合的方法,构建底部高浓度测沙系统,精细测量得到从不动床面到悬沙层的水沙数据,获取从沙纹至动平整床面的运动特征,明晰临底泥沙运动规律,在此基础上解析沙纹至高强度层移输沙发生的临界条件㊂1㊀试验布置1.1㊀试验水槽试验在南京水利科学研究院铁心桥试验研究基地泥沙基本理论试验厅的风浪流水槽中进行(图1),水槽长175m,宽1.2m,高1.6m,水槽可产生波高0.03~0.25m㊁周期0.8~2.5s的波浪㊂水槽试验纵剖面布置如图2所示,试验段布置在水槽中段,床面上分别布置有2支波高仪㊁ADV(Acoustic Doppler Velocime-try)㊁CCM(Conductivity Concentration Meter)㊁OBS(Ocean Bottom Seismometer)及虹吸装置等㊂为了能精确测量含沙量垂线分布,将CCM㊁OBS及虹吸装置布置在一个横截面上(图3),其中CCM固定在电动升降仪上,可通过计算机精细控制其上下移动,实时记录测量数据㊂OBS探头固定在右侧玻璃上,可根据试验需求改变其测量高度㊂同时,采用虹吸装置抽取一定时间的水体(浑水),采用比重瓶及激光颗分仪测量出含沙量及级配㊁容重等参数㊂虹吸装置由7根紫铜管纵向并排布置,考虑到底层含沙量较大,且变化较为剧烈,将其与泥面距离分别设置为1㊁2㊁3㊁4㊁6㊁8和13cm㊂图1㊀水槽试验现场照片Fig.1Photos of flume test site1.2㊀试验泥沙本次试验针对中值粒径为0.024mm的天然粉沙开展㊂泥沙粒径采用马尔文激光粒度仪进行测定,结果如图4所示㊂本次试验所用泥沙中黏土含量为9.56%,粉沙含量为86.74%,沙含量为3.7%,粉沙为其主体成分㊂根据已有理论分析[15],层移质运动随着粒径变细,发生层移的临界波高逐渐减小,层移厚度逐渐增加㊂因此,与沙质泥沙相比,本次试验中的细颗粒泥沙能形成的沙纹很小,而且在较弱的波浪环境下也可能造成动平床运动㊂㊀第4期朱昊,等:波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究637㊀图2㊀试验水槽纵剖面示意Fig.2Longitudinal section of the testflume 图3㊀含沙量测量断面示意(断面位于CCM 测针处)Fig.3Sediment concentration measurement section (located at the section of CCMprobe)图4㊀泥沙粒径级配Fig.4Sediment particle size gradation 1.3㊀试验组次表1给出了不同波高和水深的波浪水槽试验组次㊂根据水槽及设备条件,设定水深为0.3㊁0.5m,波高为0.018~0.210m,波浪周期为2.5s㊂动力条件由小到大,逐步达到水槽最大波高和波周期㊂试验结果数据均在约波浪作用5min 后测得(约120个波浪作用后)㊂表1㊀各组次试验结果及床面形态Table 1Parameter results and bed forms试验编号h /m H /m T /s U 0/m Ψθd 50/mm ρ0/(kg㊃m -3)床面形态P1-010.50.018 2.50.0450.030.0241251不动P1-020.50.037 2.50.07200.110.0241251极少量动P1-030.50.047 2.50.09330.180.0241251少量动P1-040.50.056 2.50.11480.250.0241251起动P1-050.50.069 2.50.14730.350.0241251普遍动P1-060.50.087 2.50.171160.530.0241251沙纹P1-070.50.107 2.50.211740.760.0241251沙纹P1-080.50.123 2.50.242300.980.0241251沙纹P1-090.50.148 2.50.29334 1.360.0241251沙纹P1-100.50.168 2.50.32409 1.640.0241251层移638㊀水科学进展第34卷㊀续表试验编号h/m H/m T/s U0/mΨθd50/mmρ0/(kg㊃m-3)床面形态P1-110.50.210 2.50.41671 2.620.0241251层移P1-b010.30.048 2.50.13630.340.0241251起动P1-b020.30.118 2.50.31395 1.560.0241251层移P2-010.50.060 2.50.12540.280.0241206起动P2-020.50.074 2.50.15830.410.0241206普遍动P2-030.50.086 2.50.171120.530.0241206沙纹P2-040.50.101 2.50.201550.690.0241206沙纹P2-050.50.127 2.50.25245 1.050.0241206沙纹P2-060.50.155 2.50.31364 1.490.0241206层移P3-010.50.083 2.50.161050.500.0241169沙纹P3-020.50.128 2.50.25249 1.060.0241169沙纹P3-030.50.146 2.50.29323 1.340.0241169层移注:h为水深;H为波高;T为周期;U0为波浪轨道流速;Ψ为波浪可移动数;θ为Shields参数;d50为泥沙中值粒径;ρ0为泥沙干重度㊂2㊀临底含沙量连续观测系统及其率定2.1㊀CCM测沙系统为了能够精确测量近底含沙量,引进荷兰CCM测沙系统进行精细测量㊂CCM的测量范围约为100~ 2000kg/m3(4%~75%的体积含沙量)㊂自主开发了CCM自动监测系统(图5),测量精度为0.1mm,采集频率为10Hz,试验中采用自动升降仪固定CCM测杆,可在计算机软件中给定高程位置精细控制其升降过程㊂具体操作为:当CCM测针头部触碰水面时,代表其位置零点,则输入给定位置为500mm(水深)时,测针头部到达初始泥面㊂仪器移动过程中自动记录其实时位置及测量值,随着测针的下移,可以观测到含沙量数值的变化,当含沙量到达最大值1775kg/m3时表示测针到达不动层,此时停止测量㊂图5㊀CCM测沙系统Fig.5Conductivity Concentration Meter System㊀第4期朱昊,等:波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究639㊀2.2㊀CCM测沙原理及其率定CCM测量含沙量变化是通过泥浆的电导率变化转换而得㊂CCM测量时的表盘读数是根据水体的导电性而得出的电压值(U c)㊂如果流体的导电性发生变化,U c的读数就会发生变化㊂因此,U c与含沙量(c)的关系需要在每次泥浆试验前进行率定㊂试验前将传感器浸入不同组次的已知含沙量的水体中测得CCM读数U c,得出U c与含沙量的关系㊂图6给出了CCM电压与含沙量的关系曲线,由图可知,小含沙量时CCM电压与含沙量表现出良好的线性关系,大含沙量时呈指数关系㊂拟合关系式为c=256.41U c-1538.46U cɤ7.10 exp(3.23U c-17.41)U c>7.10{(1)图6㊀含沙量与CCM电压率定关系Fig.6Fitting relationship between sediment concentration and CCM voltage value3㊀临底输沙试验3.1㊀沙纹床面-层移质运动现象在较小的波浪条件下,不同的试验组次中都可观察到泥面上出现沙纹㊂由图7(a)(d为泥沙粒径)可知,当水深为0.5m和波高为0.107m时(试验组次P1-07),粉沙在波浪作用下最终形成的沙纹高度较小,其量级在毫米级,波高较小的某些组次中,沙纹更小㊂随着波高增大至0.210m(试验组次P1-11),沙纹逐渐消失,观察到接近平坦的床面(图7(b)),波高进一步增加后,床面开始左右震荡,波高越大,震荡层幅度和厚度越大,这与沙质泥沙层移现象类似[15],出现了明显的层移输沙现象㊂在层移层上方,可以明显观察到靠近床面的水体含沙量显著增加,浊度明显变大,形成高含沙层,试验中可以清晰地看到高含沙层和清水之间存在分界线(图7(b))㊂本次试验中,对于中值粒径为0.024mm的粉沙,其高含沙层厚度约为6cm㊂图8为波高为0.168m(试验组次P1-10)时床沙底部含沙量的垂线分布,由图8可知,当粉沙层移质运动发生时,床沙底部8%~67%体积含沙量的泥层厚度明显增加,达2cm以上㊂3.2㊀含沙量过程根据沙质泥沙的研究结果[18],层移层主要分成底部层和上部层2个部分,底部层也叫掀起层,上部层640㊀水科学进展第34卷㊀图7㊀不同波浪动力作用下的近底水沙界面照片Fig.7Photos of near-bottom water-sand interface under different wave conditions图8㊀动平整床面时含沙量垂线分布Fig.8Vertical distribution of sediment concentration under sheet flow conditions又叫冲刷层㊂掀起层位于初始床面下方,转流时刻时含沙量接近不动床面,流速峰值时则由于泥沙被掀起,其含沙量对应最小值;而冲刷层顶部则位于初始床面的上方,其含沙量变化与近底流速的变化相一致,最大含沙量对应流速峰值,此时泥沙从掀起层补充㊂因此,随着波浪的周期性运动,泥面呈现横向摆动的周期性运动,深度越大的泥层摆动幅度越小,并开始出现相位滞后现象㊂由于层移层中泥沙之间的相互作用较为剧烈,加之悬沙层中悬浮泥沙和湍流之间的紊动作用,测量出的浓度时间序列表现出较大的随机波动㊂因此,本次试验采用对同一组次多次测量的时间序列数据的平均值作为最终试验结果㊂图9分别给出了由ADV测量的床面上方约0.1m处的近床平均流速过程(图9(a))㊁由CCM测量的层移层不同距底高度的含沙量时间序列(图9(b))以及由OBS测量的悬沙层不同距底高度的含沙量时间序列(图9(c))㊂根据观测到的含沙量过程(图9),试验结果符合一般层移质运动规律㊂由CCM测量的层移层的含沙量剖面时间序列(图9(b))可知,在最深处(z=-20mm,表示在初始床面以下20mm),含沙量基本随时间保持不变,其值约为1775kg/m3(体积含沙量为67%,不动床面),表明此水平面以下基本没有泥沙运动㊂在z=-5mm和z=-20mm之间为掀起层,其中z=-10mm处出现较大波谷,对应含沙量的最小值,这是由于泥沙被水流冲刷而从床面上部层进行拾取补充㊂越靠近初始床面(z= 0mm)上部层内处于波谷处的含沙量降低越多;越靠近不动床面则被拾取越少,含沙量变化越小㊂在冲刷层中,由于泥沙从掀起层进行挟带,其含沙量与流速大小一致㊂如图9(b)中所示,z=2mm处,冲刷层的波峰对应于掀起层的波谷㊂同时,随着z的增大,远离了掀起层后,含沙量波峰趋于平缓㊂在初始不动床面附㊀第4期朱昊,等:波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究641㊀图9㊀不同高度含沙量时间序列Fig.9Time series of different height sediment concentration近(z=0mm),含沙量基本在500kg/m3上下波动,保持为动平整状态㊂如图9所示,本次试验中波浪作用下细颗粒泥沙近底含沙量过程与沙质层移层含沙量过程非常类似(Dohmen-Janssen等[19]),说明细颗粒泥沙底部运动规律符合层移层特性㊂图9(c)显示了悬沙层3个不同高度的含沙量,由图可知,在床面上方1cm处,含沙量峰值出现在最大流速之后,晚于悬沙层含沙量峰值,与泥沙带入水流需要一定的时间有关㊂在离河床较远的悬沙层,最大含沙量峰值出现在转流时刻,也使得该含沙量峰值的泥沙将沿波浪传播方向相反的方向输送㊂本次试验中观测到的悬沙层运动规律与Dick等[20]在野外观测到的波浪引起的动平整床面上的悬浮泥沙浓度结果相似㊂3.3㊀层移运动发生的临界条件根据试验结果,小波高时可观测到细小沙纹,随着波高和动力的增强,沙纹逐渐消失,并逐渐表现为层移质运动㊂对于层移质运动临界条件的识别,通常以波浪可移动数(简称移动数)作为起动临界条件:Ψ=U20/[(s-1)gd](2)式中:s为泥沙相对密度;g为重力加速度㊂针对于沙质泥沙而言,OᶄDonoghue等[21]认为Ψ=300,Dingler等[22]认为Ψ=240,Nielsen等[23]认为Ψ=156㊂因此,层移质运动发生时Ψ可能并非定值,这与模型试验条件和结果的不确定有关,得出的临界值也存在较大差异㊂Li等[24]认为Ψ=12d-0.71是泥沙发生层移的临界条件,据此,下文探讨移动数与泥沙粒径的关系㊂根据层移质运动发生判别方法,表1给出了试验各组次结果及床面形态㊂由表1可知,水深及泥沙干重642㊀水科学进展第34卷㊀度的减小使得粉沙发生层移的临界波高减小,即更容易发生层移㊂考虑到临界条件与泥沙粒径大小有关,需将泥沙雷诺数(Re d ∗)与移动数建立关系,即Ψ=f (Re d ∗)㊂本文尝试建立粗细颗粒泥沙层移质运动的临界条件表达式,其中粗颗粒泥沙层移数据从Manohar 的水槽试验[19]中获得㊂首先对于试验中ρ0=1250kg /m 3时的层移临界条件试验数据与粗颗粒泥沙数据相结合,拟合出移动数与泥沙雷诺数的关系,得到公式如下:Ψ=226.21Re d ∗-0.274(3)式中:Re d ∗=d (s -1)gd 4v为水体中泥沙的量纲一雷诺数;v 为水流运动黏滞系数㊂根据试验数据(表1)可知,细颗粒泥沙的层移临界条件与重度大小有关,随着重度的减小,移动数也随之减少㊂因此,引入密实度系数(β),采用窦国仁公式[25]:β=(ρ0/ρ0∗)2.5(4)式中:ρ0∗为泥沙稳定干重度,ρ0∗=0.68ρs (d 50/d 0)n ,其中,ρs 为泥沙密度,d 0=0.001m,n =0.08+0.014(d 50/d 25)为系数,d 25为体积百分比为25%的较细泥沙所对应的粒径大小㊂对于不同密实度的细颗粒泥沙层移临界条件,引入密实度系数后公式形式为Ψ=f (β)226.21Re d ∗-0.274,根据本次试验及沙质泥沙层移试验实测数据[21]对β进行拟合(图10),得到密实度系数:f (β)=1.0466β1.276(5)则加入密实度系数后的层移临界条件计算公式为Ψ=236.75β1.276Re d ∗-0.274(6)图10㊀层移临界条件下β系数拟合Fig.10Fitting of βcoefficient under sheet flow critical condition图11给出了层移临界条件下Re d ∗与Ψ的关系图㊂由图11可知,层移发生临界条件下的移动数随着泥沙粒径的增大逐渐减小㊂本试验所得出的层移临界条件计算公式(式(3))与沙和粉沙层移质运动实测数据均较为吻合,验证了本试验所得公式的合理性㊂3.4㊀讨㊀㊀论早期国内外层移试验的泥沙粒径集中在0.12~0.30mm 的沙质泥沙[26-27],细颗粒泥沙层移数据积累较少㊂本次试验观察到粉沙在波浪作用下存在层移质运动现象,从输沙现象和含沙量过程上确定了粉沙近底输沙运动规律符合层移质运动的概念㊂现有沙质泥沙的层移临界条件计算公式并不适用于粉沙,因此结合已有沙质泥沙层移质运动试验资料,并与沙质泥沙层移规律对比分析,得到了宽级配泥沙颗粒的层移临界条件计算公式㊂根据式(2)和式(3)计算可知,当水深为0.5m㊁波浪周期为2.5s 时,粒径为0.1~0.3mm 的沙质泥沙在波浪水槽中发生层移所需临界波高为0.29~0.38m,本试验中粒径为0.024mm 的粉沙发生层移所需临界波高约为0.15m㊂㊀第4期朱昊,等:波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究643㊀图11㊀层移临界条件下Re d∗与Ψ的关系Fig.11Relation diagram of Re d∗withΨunder sheet flow critical condition从层移发生的临界波浪轨道流速来看,由式(2)和式(6)可得U0计算式为U02=330.73β-0.89v0.27(s-1)0.86g0.86d0.59(7)由式(7)可知,粒径为0.1~0.3mm的沙质泥沙在波浪水槽中发生层移所需临界流速为0.73~1.15m/s,本试验中粒径为0.024mm的粉沙发生层移所需临界流速约为0.38m/s㊂此外,根据中值粒径0.1~0.3mm 左右泥沙波浪作用下层移运动试验数据可知,沙质泥沙发生层移时的层移层厚度大多在1.5cm以内(数据对比见表2),本试验粉沙发生层移时层移层厚度约为1.2~3.5cm㊂显然,与粗颗粒泥沙相比,粉沙层移发生时的临界波高和临界流速较小,层移厚度较大,说明其较易发生层移且层移运动较为剧烈㊂因此,本试验中粉沙采用常规水槽就得到了层移现象,而沙质泥沙则需要震荡管或原型级别的水槽才能得到㊂表2㊀以往沙质泥沙层移层厚度与本次试验对比Table2Thickness of sandy sediment layer in the past is compared with this test案例中值粒径/mm层移层厚度/cm文献[21]0.1500.9~1.3文献[30]0.2000.6~1.5文献[31]0.2000.2~0.7本试验0.024 1.2~3.5㊀㊀在实际工程应用中,为了更为直观地确定不同波高下发生层移的水深,本研究给出临界水深的计算方法㊂在已知泥沙粒径和波浪参数时,可采用式(7)计算其层移发生的临界波浪轨道流速,然后按Jonsson[32]的方法可得出不同波高下发生层移的临界水深(h0):U0=aσk h0sin h0(8)式中:a为表面波的振幅,等于波高的一半;σ=2π/T;k=2π/L,L为波长㊂因此,可以通过波高和水深数据高效判断水域内层移发生的区域,为极端天气下骤冲骤淤的模拟计算提供依据㊂图12为采用上述方法计算得到的粉沙层移临界条件并与沙质泥沙进行对比的结果㊂由图12可知,随着泥沙粒径和周期的增大,发生层移的临界水深和波高也随之增大㊂当水深为10m㊁波浪周期均为5s时,粒径为0.2mm的沙质泥沙发生层移所需波高(4.3m)远大于粒径为0.02mm的粉沙所需波高(1.8m)㊂644㊀水科学进展第34卷㊀图12㊀不同波高和周期下临界水深对比计算Fig.12Comparative calculation of critical water depth under different wave heights and periods4㊀结㊀㊀论本文针对粉沙开展了波浪作用下层移输沙试验,构建了底部高浓度测沙系统,实现了从不动床面到水面的连续测量,观测了不同动力条件下粉沙的输沙现象㊂主要结论如下:(1)相对较弱动力条件下存在沙纹,随着动力条件增强,沙纹被冲蚀,出现层移输沙现象㊂(2)粉沙近底含沙量分布符合层移质运动的一般特征㊂层移层一般分为掀起层和冲刷层,层移层以上为悬沙层㊂掀起层位于初始床面下方,转流时刻含沙量最大,流速峰值时含沙量最小;冲刷层含沙量变化与近底流速的变化一致,最大含沙量对应流速峰值㊂悬沙层则表现为明显的沙峰滞后现象㊂(3)通过引入波浪可移动数和密实度系数,得到粉沙-沙宽级配范围的层移临条件计算公式,与试验值吻合较好㊂与粗颗粒泥沙相比,粉沙层移发生时的临界波高和临界流速较小,层移厚度较大,说明粉沙相比沙质泥沙更容易发生层移㊂参考文献:[1]龚政,黄诗涵,徐贝贝,等.江苏中部沿海潮滩对台风暴潮的响应[J].水科学进展,2019,30(2):243-254.(GONG Z,HUANG S H,XU B B,et al.Evolution of tidal flat in response to storm surges:a case study from the Central Jiangsu Coast [J].Advances in Water Science,2019,30(2):243-254.(in 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dimensions of sand ripples in full-scale oscillatory flows[J].Coastal Engineering,2006,53(12):997-1012.[22]DINGLER J R,INMAN D L.Wave-formed ripples in nearshore sands[C]ʊCoastal Engineering.New York,NY:AmericanSociety of Civil Engineers,1977:2109-2126.[23]NIELSEN P,CALLAGHAN D P.Shear stress and sediment transport calculations for sheet flow under waves[J].Coastal Engi-neering,2003,47(3):347-354.[24]LI M Z,AMOS C L.Sheet flow and large wave ripples under combined waves and currents:field observations,model predictionsand effects on boundary layer dynamics[J].Continental Shelf Research,1999,19(5):637-663.[25]窦国仁.河口海岸全沙模型相似理论[J].水利水运工程学报,2001(1):1-12.(DOU G R.Similarity theory of total sedi-ment transport modeling for estuarine and coastal regions[J].Hydro-Science and Engineering,2001(1):1-12.(in Chinese)) [26]DELISLE M P C,KIM Y,MIERAS R S,et al.Numerical investigation of sheet flow driven by a near-breaking transient wave u-646㊀水科学进展第34卷㊀sing SedFoam[J].European Journal of Mechanics-B/Fluids,2022,96:51-64.[27]TAN W K,YUAN sheet-flow sediment transport rate:additivity of wave propagation and nonlinear waveshape effects[J].Continental Shelf Research,2022,240:104724.[28]NIELSEN P.Dynamics and geometry of wave-generated ripples[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1981,86(C7):6467-6472.[29]YOU Z J,YIN B.A unified criterion for initiation of sediment motion and inception of sheet flow under water waves[J].Sedim-entology,2006,53(5):1181-1190.[30]DONG L P,SATO S,LIU H J.A sheetflow sediment transport model for skewed-asymmetric waves combined with strong oppositecurrents[J].Coastal Engineering,2013,71:87-101.[31]RUESSINK B G,MICHALLET H,ABREU T,et al.Observations of velocities,sand concentrations,and fluxes under velocity-asymmetric oscillatory flows[J].Journal of Geophysical Research,2011,116(C3):C03004.[32]JONSSON I G.Wave boundary layers amd friction factors[C].Proceedings of the10th Conference Coastal Engineering,Tokyo:ASCE,1966:127-148.Experimental study on the characteristics of silt bottomsediment transport under wave actions∗ZHU Hao1,2,ZUO Liqin1,LU Yongjun1,LI Shouqian1,WANG Maomei2,LIU Jing1(1.The National Key Laboratory of Water Disaster Provention,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing210029,China;2.Jiangsu Hydraulic Research Institute,Nanjing210017,China)Abstract:Under extreme weather conditions,such as storm surges or strong winds,high-intensity sand transport at the bed bottom is prone to occur,which has a profound impact on the dynamic geomorphological processes,port and waterway facilities,and ecological protection.It is of significant theoretical and practical engineering importance to conduct research on the mechanisms of sediment transport near the bottom.In this study,silt transport under wave actions was studied via wave flume sediment transport tests conducted in varying dynamic environments.A bottom sediment measurement system with a high sensor density was constructed to collect data from the fixed bed surface to the suspended sediment layer.The results showed that sand ripples on the bed surface developed under relatively weak dynamic conditions.With the increase in dynamic excitation,ripples were eroded and sheet flow occurred. The bottom layer movement of fine sediment,revealed by analyzing the sediment concentration process at different bed heights,was characterized by the silt surface lateral oscillations aligned with the periodic wave motion.The amplitude of the silt layer oscillations decreased with increasing depth and a phase lag arose.The concepts of movement number and compactness coefficient were introduced and a formula for critical sheet flow condition for a silt-sand wide gradation range was established.The bottom movement mechanism of fine-grained sediment proposed in this study will form a departing point for further studies of the mechanism of sudden-onset scouring and silting. Key words:silt;sheet flow;flume experiment;high concentration layer;wave action∗The study is financially supported by the National Key R&D Program of China(No.2022YFC3204302)and the National Natural Science Foundation of China(No.52071221).。
云南粉土的动力特性试验研究
云南粉土的动力特性试验研究
鲍陈阳;余湘娟;高志兵
【期刊名称】《防灾减灾工程学报》
【年(卷),期】2006(26)3
【摘要】粉土是一种具有特殊工程性质的土，由粉土液化引起的工程震陷造成的危害极大。
根据云南粉土的室内共振柱试验，得到了归一化处理后的G/Gmax-γ-γr和D～γ曲线，并运用修正后的双曲线模型进行了拟合分析。
根据室内振动三轴试验，得出不同固结比和不同固结压力下的土的动强度与振动次数的试验曲线，发现动强度与破坏振次闻符合较好的乘幂关系，动强度与固结比之间符合较好的二次抛物线关系；分析不同围压下孔压与破坏振次的试验曲线规律，发现可以用指数函数进行拟合。
结果可供该类土的动力特性研究参考。
【总页数】5页(P321-325)
【关键词】云南粉土;动强度;固结比;孔隙压力
【作者】鲍陈阳;余湘娟;高志兵
【作者单位】河海大学岩土工程研究所;江苏省地震工程研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TU435
【相关文献】
1.重载铁路路基低液限粉土动力变形特性试验研究 [J], 饶有权;杨奇;聂如松
2.不同增强体粉土复合土动力特性试验研究 [J], 曾国红;白晓红;张卫平;王梅
3.饱和尾矿粉土动力特性试验研究 [J], 谭凡;饶锡保;黄斌;王占彬;徐言勇
4.尾矿粉土动力变形特性试验研究 [J], 张婷;谭凡;杨哲
5.粉土密实度对斜坡动力响应特性影响的振动台试验研究 [J], 李丞;苏立君;张崇磊;蒋关鲁;肖思友
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波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究
波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究任宇鹏;房虹汝;许国辉;许兴北【摘要】The liquefaction of silty seabed is one of the disasters that would threaten the stability of offshore platforms,subsea pipelines and other marine structures.The boundary wave pressure caused by liquefied soil to the following seabed is a significant parameter when it comes to the calculation of pore water pressure and the liquefaction depth which should be taken into account during the structures design.Boundary wave pressure expressions with viscidity of seabed soil considered are deducted in this study,basing on the wave-induced silty seabed liquefaction top-down progressive mode and double fluid wave theory.The analysis of comparison with the boundary wave pressure without viscidity of seabed soil is also submitted.The results indicate that the viscidity of liquefied soil is a great factor of influencing the boundary wave pressure,and then would affect the determination of the liquefaction depth.%波浪作用下粉质土海床的液化是影响海上平台、海底管线等海洋构筑物安全的灾害之一.在进行构筑物设计中应考虑海床液化的深度问题,而液化土体对下部海床的界面波压力是计算海床孔隙水压力增长以及液化深度的重要参量.本文基于波致粉土海床自上而下的渐进液化模式,利用双层流体波动理论,推导了考虑海床土体黏性的海床界面波压力表达式,并与不考虑黏性时的界面波压力进行了比较分析.结果表明,计算液化后土体界面波压力时,是否考虑液化土体的黏性对结果影响较大,进而可能影响粉质土海床液化深度的确定.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】7页(P89-95)【关键词】粉质土;液化;流体波动;波浪作用;界面波压力【作者】任宇鹏;房虹汝;许国辉;许兴北【作者单位】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;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;中国葛洲坝集团第五工程有限公司,湖北宜昌443000;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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】TV139.2波浪引起的海床液化问题从20世纪70年代开始受到重视[1]。
波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究
液化后 的土体 通 常被视 作 流体 并且 在 波 浪作 用 下具有 波动性 ， 目前对 液化深度 以及液 化后 土体 的动
３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ２ ５ ３ — ４ １ ９ ３ ． ２ ０ １ ７ ． ０ １ ． ０ ０ ９
Ｒ ｅ ｎ Ｙ ｕ ｐ ｅ ｎ ｇ ， Ｆ ａ ｎ ｇ Ｈｏ ｎ ｇ ｒ ｕ ， Ｘｕ Ｇ ｕ ｏ ｈ ｕ ｉ ，ｅ ｔ ａ １ ．ｗａ ｖ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｏ ｆ ｌ ｉ ｑ ｕ ｅ ｆ ｉ ｅ ｄ ｓ ｉ ｌ ｔ ｙ ｓ ｅ ａ ｂ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｖ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ［ Ｊ ］ ．Ｈａ ｉ ｙ —
第３ ９ 卷 第１ 期
２ ０ １ ７ 年 １月
海
洋
学
报
ｖ ｏ １ ． ３ ９ ， Ｎ ｏ ． １
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ７
Ｈａ ｉ ｙ ａ ｎ ｇ Ｘｕ ｅ ｂ ａ ｏ
任宇 鹏 ， 房虹汝 ， 许 国辉 ， 等 ．波 浪 作 用 下 粉 质 土 海 床 液 化 界 面 波 压 力 的研 究 Ｅ Ｊ ］ ．海 洋 学 报 ， ２ ０ １ ７ ，３ ９ （ １ ） ： ８ ９ —９ ５ ， ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ．
上述学 者对界 面波 压力 等 方面 的研 究 大多 集 中 在砂质海 床 ， 对土颗粒 粒径相对较 小 的粉质力乃 至孔隙水 压力 增 长模 式 的影 响 。而 界 面波 压力
波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的应用
波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的
应用
陈静;冯秀丽;林霖
【期刊名称】《海洋科学》
【年(卷),期】2006(30)3
【摘要】粉土在波浪等动荷载作用下极易发生液化破坏,而孔隙水压力在粉土动力学行为中扮演了一个很重要的角色,其发展变化会直接影响到土体的稳定性.因此,通过室内波浪作用下的粉土孔压响应模型试验探讨了孔压与波浪之间的响应情况,发现波浪能量的影响沿土层深度递减,水深条件相同时,响应的孔压随波高的增大而增加,当波浪作用足够长时间后粉土发生液化破坏,此时粉土内累积的孔压小于上覆土体的自重应力.根据结果提出了1种评价粉土海床稳定性的方法.
【总页数】5页(P1-5)
【作者】陈静;冯秀丽;林霖
【作者单位】华东师范大学,资源与环境学院,上海,200062;中国海洋大学,海洋地球科学学院,山东,青岛,266003;中国海洋大学,海洋地球科学学院,山东,青岛,266003【正文语种】中文
【中图分类】P333.4
【相关文献】
1.波浪作用下砂质海床瞬时孔压特性的FLAC模拟 [J], 倪寅;郑永来;钟佳玉
2.波浪作用下砂质海床瞬时孔压特性的FLAC模拟 [J], 倪寅;郑永来;钟佳玉
3.波致Gibson粉土质海床累积孔压响应的简化分析 [J], 张琪;徐继尚
4.波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究 [J], 李安龙;李广雪;林霖;许国辉
5.波浪作用下黄河口粉土孔压响应特征及过程 [J], 宋玉鹏; 孙永福; 杜星; 李淑玲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
滩地红树林引起的波浪衰减特性实验分析
滩地红树林引起的波浪衰减特性实验分析沈颖;刘洁【摘要】根据中国南海红树林的外形特征,将桧柏树枝按照一定几何比例修剪,在波浪水槽中测试不同水深和波浪条件下,波浪通过不同宽度淤泥质滩地、平底有植物滩地和斜底有植物滩地的衰减率.结果表明有植物覆盖的滩地的消波效果约为淤泥质滩地的3-4倍;随着水深增加淤泥质滩地的波浪衰减率减小,而有植物覆盖的滩地的衰减率增加;植物带宽度为150cm的衰减率是宽度为45 cm时的2倍,且坡度为1∶25的斜底消浪效果略好于平底情况.选取影响波浪衰减的最主要因素水深、波高、波浪周期及植物带宽度等作为基本量,将其无量纲化,并根据实验数据进行多元回归分析,得到消浪系数公式.实验结果对建设防浪林有一定指导意义.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)022【总页数】5页(P100-104)【关键词】红树林;波浪衰减;多元线性回归【作者】沈颖;刘洁【作者单位】重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆400074;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TV139.25红树林是位于热带与亚热带地区潮间带处的一种特殊生态系统，在海洋和陆地之间形成一种天然的重要屏障，在消减波浪[1，2]和维持海岸稳定[3]方面发挥着极其重要的作用。
目前，研究红树林引起的波浪衰减主要有三种方法：现场测量、数值分析以及物理实验模拟。
因红树林生长环境的特殊性，现场测量代价较大，故现场测试数据不多[1，2,4—6]，且相关研究主要是在测得波浪要素和红树林基本参数的基础上，研究不同因素对于波浪衰减率的影响的定性分析。
数值模拟分析中一般将红树林简化为刚性圆柱体，通过在波浪数学模型中引入植物引起的波能耗散系数来做计算分析[7—9]。
该法不受观测设备和实验场所的限制，但需要红树林的准确生态几何特征参数，然而由于这些参数的实测数据的缺乏，限制了其结果的普遍应用。
波浪作用下黏性土海床动力响应数值分析
界 条件 ， 采用 Ｃｒ ｒ （９２ 提 出的改进剑桥动 力本 构模 型模 拟海床 土体。首先 通过与有 关弹性海床 ａｅ 等 １８ ） ｔ 在 波浪荷载作 用下力 学响应的解析解的对比 ， 在一定程度 上验证 了有 限元模 型的合理 性。进 而通过 参 数对比研 究， 讨了波高、 探 波浪周期、 海床 土体的渗透 系数等 因素对于 弹塑性黏 性土海床 力学响应 的影 响。计算结果表明 ， 在波高较大、 周期较短、 土的渗透 系数较低情况下 ， 容易导致黏性土海床丧失稳定性。 关键词 ： 黏性土海床 ； 波浪荷载 ； 有效应力分析 ； 向边界条件 ； 限元 法 侧 有 中 图分 类号 ：Ｐ５ ７ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１７— １４ （００ ０－ ００－－ ６２ ４ ２ １）４－ ０８ －４ １ －０
Ｃｏ ａ ｄ ｗ ｔ ｅｒｌｖ ｎ ｎ ｌｔ ａ ｏｕ ｉｎ ｏ ｅ ａ ｉｒｏ ｌｓｉ ｅ ｂ ｄ ｕ ｄ ｒｗａ ｅｌａ ｉｇ，ｔｅｐｅ ｅ ｔ Ｅ ｍｏ ｅ ａ ａｉ ｍｐ ｒ ｉｈｔ ｅｅ ａ ｔａ ａｙｉ ｌｓｌｔ ｓｆｒ ｈ ｖｏ ｆｅａ ｔ ｓａ ｅ ｎ ｅ ｖ ｄｎ ｅ ｈ ｃ ｏ ｂ ｃ ｏ ｈ ｒｓｎ ｄ ｌｗ ｓｖ － Ｆ ｌ ｄ ｔｄ ｆ ｓｌ ａｅ ｒｔ ｉ ｙ．Ｔ ｅ ｈ ｎ，ｔｅｐ ｒｍｅｒｃｓｕ ｉｓａｅｃ ｎ ｕ ｔｄｔ ｘ ｌｒ ｈ ｆ ｃ ｆｓｍｅｆｃｏ ，ｓ ｃ ｖ ｅｇ ｔ ｈ ａａ ｔ ｔｄ ｅ ｏ ｄ ｃｅ ｏｅ ｐｏｅｔｅｅ ｅ ｔｏ ｏ ａ ｔｒ ｉ ｒ ｓ ｕ ｈ ａ ｗａ ｅｈ ｉｈ ，ｗａ ｅｐ ｒ ｄ ｓ ｖ ｉ ｅ ｏ ａ ｄ ｐ ｒ ａ ｉｉ ｏ ｆｃｅ ｔ ｔ ｎ ｅｍｅ ｌｙ ｃ ｅ ｉｎ ｃ．ｏ ｈ ｙ ａ ｃｒｓｏ ｓ ｆｅａｔ— ｌ ｔ ｌｙ ｙｓ ａ ｅ ｈ ｅ ｃ ｍｐ ｔｔ ｎ ｌｒｓ ｔ ｎ ｉａｅｔａ ｂ ｔ ｉ ｅ ｎｔ ｅｄ ｎ ｍｉ ｐ ｎ ｅｏ ｌｓｏ ｐａ ｉ ｃａ ｅ ｅ ｄ．Ｔ ｏ ｕ ａｉ ａ ｕ ｓｉｄｃ ｔ ｈ ｔ ｅ ｓ ｃ ｂ ｏ ｅｌ
地下水位波动条件下粉土地基变形特性试验研究
模 型统一起 来 。大多 数学 者 的研究是 关 于地 下水 的下 降 而引发 的地 面沉 降 ， 以软 土 为研 究 对 象 。而 关 于 且
处在 地下 水位 波动带 内的建筑 物地 基沉 降 问题 目前 研
究较 少 ， 缺乏 可靠 的研究 手段 和方法 ， 行 的规 范 也未 现 就 地下水 位 变 化 引起 的建 筑 物 地 基沉 降 变 形 加 以说
摘 要 ： 对 我 国沿 海 城 市地 下 水 波 动 引发 地 面 沉 降 灾 害频 发 的 特 点 ， 针 以上 海 第 四 纪 沉积 粉 土 为研 究对 象 ， 过 通 室 内模 型试 验 模 拟 地 下 水位 波 动和 建 筑 物荷 载 变化 ， 得 了模 型 箱 内粉 土 地基 变 形 实测 数 据 。在 此基 础 上 分 取
基 金项 目 ： 家 自然 科 学基 金 青 年 基 金 项 目（０ ００ ２ “ 海 地 下 水 位 波 动 带 内软 土 性 状 与 变 形 机 理研 究 ” 国 ４９ ２ ９ ） 沿
作者简介： 杨 希 ， ， 士 研 究 生 ， 男 硕 主要 从 事 软 土 地基 和地 下 结 构 方 面研 究 。Ｅ—ｍ ｉ ｄ ｒｒｎｅ１３ １３ ｅ ａ ：ａ ａｇｒ６ ＠ ６ －０ ｌ ｋ
参 数如 表 １ 示 。 所
化
。王 秀艳等 研究超 固结 黏性 土变 形特 征 并确 定
了可持续 开采 水 位 降 的 室 内试 验 方 法 。 就 目前 情
况 而言 ， 现有 的理论 和 试 验研 究 很 难 用 标 准 的原 理 和
２ 试 验 方 案
２ １ 试 验 准 备 ．
风 干捣 碎后 过 ０ ５ ｍ 筛 ， 照 ２ ％含 水 率 加 水 闷湿 ． ｍ 按 ５ ２ ， ０ １ｍ 为 一 层 ， 湿 土 样 分层 装 入模 型箱 中 ， ４ｈ 以 ． 将
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B Qf, 这里 Qr, Qf 分别为土颗粒密度和孔隙水密度, B 为孔隙率; 孔隙水有效密度 m = QBf ( 1+ A) , A为附加质量系数; F= - $ #w, 其中 w= B( U- u) , U( Ux, Uz ) 和 u( ux, uz ) 分别为孔
隙水位移和土骨架位移; e= 5 ux / 5x + 5 uz / 5z 为体积应变.
e-
K Z
f
)
cfik +
(-
a1s eKs Z -
a 2s
e
0K Z
s
)
csik +
(- a1T eKT Z + a2Te- KT Z) cT KT} ei( Xt- kx ) ,
wz = { ( a1feKfZ - a2f e- KfZ) c f Kf + ( a1seKs Z - a2se- Ks Z) c s Ks
2000-04-03 收稿, 2000-06-13 收修改稿 * 国家自然科学基金资助项目( 批准号: 19602021) 1) Tzang S Y . Wat er wave-induced soil fluidization in a cohesionl ess f ine-grained. Ph D dissertat ion, Dept of Civil Eng, Univ of Cal if ,
应力分量 Sxx , Szz , Sxz 的表达式如下:
ux = { (- a1feKfZ - a2f e- KfZ - a 1seKsZ - a2se- KsZ) ik + (- a 1T eKT Z +
a2T e- KTZ ) KT} ei( Xt- kx ) ,
Szz + p = 0, p = - Qf5 U/ 5 t , 5 U/ 5z = 5 uz / 5t + 5wz / 5 t , Sxz = 0, 又假设床底为不可渗透的刚性边界, 在 z = - d 上满足
ux = 0, uz = 0, wz = 0,
利用 Biot 本构关系, 并把( 4) 式代入以上关系, 我们就可以得到 a1(f, s, T) , a2( f, s, T) 这 6 个未知
Berkeley, 1992
第1期
林 缅: 波浪作用下粉土特性分析
87
1 理论模型
111 控制方程
设行波沿 x 方向传播, 水土交界面为 xz 平面坐标零点, 向上为正, 向下为负. 假设加载波
为小振幅波, 满足线性自由面边界条件, 速度势可写为 U= i a0g { cosh[ k ( z - h) ] / X+ Xsinh[ k ( z - h ) ] / gk } ei( Xt- kx) , 0 < z < h,
第1期
林 缅: 波浪作用下粉土特性分析
89
Sxx
= {(-
a1fe
K Z
f
-
a 2 f
e-
K Z
f
)
[
( H+
cf C) k 2f +
2LK2f ] +
(-
a 1s
e
K Z
s
-
$ 2<f, s, T + k 2f, s, T <f, s, T = 0,
Wf, s, T 具有 ( 3)
方程( 3) 解的一般形式为
<f, s, T = [ a 1( f, s, e + T) Kf, s, T Z a 2( f, s, T) e- Kf, s, ] TZ ei( Xt- kx ) ,
+
(-
a1TeKTZ -
a 2T
e-
K Z
T
)
cTi k }
ei(
Xt-
kx )
,
p = { ( a1feKfZ +
a 2f
e-
KZ
f
)
(
C+
c fM) k 2f +
(
a 1se
K Z
s
+
a 2se-
K Z
s
)
(
C+
c sM( k 2s } ei( Xt- kx ) ,
uz = { ( a1feKfZ - a2f e- KfZ) Kf + ( a 1seKsZ - a2s e- KsZ) Ks + (- a1T eKT Z
-
a 2T
e-
K
T
Z)
i k } ei(
Xt-
kx )
,
wx = { (-
a1feKfZ -
a 2 f
u = $<f + $<s + $ @ <Ty^ , ( 2)
w = $Wf + $Ws + $ @ WT y^ ,
这里 y^ 为 y 方向的单位矢量, 下脚标 f, s, T 分别表示快压缩波、慢压缩波和剪切波. 又由于
加载波为谐波, 那 么在海 洋土中 也会 诱起 相同 的谐波 分量, 也 就是 说, <f, s, T, ei( Xt- kx ) 形式的谐波运动, 令 Wf, s, T = c f, s, T <f, s, T , 代入方程 ( 1) 可得到
在床面上, 垂向有效应力为零, 压力连续, 质量守恒. 另外, 由于水土交界面上剪应力的存 在, 在交界面上形成一边界层, 其厚度与土颗粒的粒径相近. 然而, Sawaragi 等[ 7] 则证明了在交
界面上的剪应力和其他应力相比非常小, 甚至在强非线性波情况下也是如此. 基于文献[ 7] 的
研究, 我们可假设床面上剪应力为零, 那么床面 z = 0 上的边界条件就可写为
0 0 5U - Qf 5 t , 0 0 0
色散关系为
th ( kh) =
X2
wz ( 0) + uz ( 0)
g k 1- a0coshkh
,
这里 r f, s=
s
2 f,
s[ (
C-
H) + ( M-
C) c f, s] + 2 L k2.
那么, 导出土骨架位移分量 u( ux , uz ) 、孔隙水位移分量 w( wx , wz ) 以及孔隙水压力 p 和
这里 a0 为波幅; k = k r+ i k i 为复波数; X 为加载波频率; h 为水深; g 为重力加速度. 设底床
是均匀弱非弹性多孔介质, 土骨架和孔隙水都是可压缩的. 孔隙水相对于土骨架的运动满足
Darcy 定律, 土骨架和孔隙水所满足的动力学方程为[ 5]
55t22( Q u + Qf w ) = L$ 2 u + ( H- L) $e - C $F,
Vf, s Qf
cT = -
Qf m,
k2f + k2s =
X2(
Hm+ QMHM- C2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
Qf C)
,
k2f k2s =
X4( mQHM-
Q2f ) C2
,
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中 国 科 学 ( E 辑)
第 31 卷
kT2 =
X2( Q- Q2f / m)
55t22( Qf u +
mw) +
Gf 5 w =
ks 5t
$ ( C- MF) ,
( 1)
其中 Gf 为孔隙水黏度; ks 为渗透系数; 复剪切模量 L= G ( 1+ i D) , G 为剪切模量, D为能量损 失比; H, C, M为 Biot [ 6] 复弹性模量, 它们由土特性参数来确定; 海洋土密度 Q= Qr( 1- B) +
总的来说, 波浪加载下砂土和粉土的动力学行为有许多不同. 尤其是在沿岸地区更是以 细粉砂为主, 为此研究粉土对加载波的动态响应, 对河口、海岸环境的保护以及一些海工结构 物的稳定等等实际工程问题有重要的参考价值. 考虑到共振发生前粉土层中的孔压对加载波 的响应基本上呈线性, 本文首先应用弱非弹性介质模型[ 4] , 推导有限深底床内部土层中的孔隙 水压力、有效应力以及土骨架和孔隙水的位移, 然后由文献[ 3] 和已有的实验数据1) , 对粉土质 底床在共振发生之前的动力学行为进行系统的分析研究, 希望通过这些研究能阐述共振发生 机理, 并预测共振液化发生的区域.
量以及色散关系. 系数写成矩阵形式
a 1f a 2f a 1s a 2s = a 1T a 2T
r f - i2LkKf (Mc f+ C ) k 2f - ik e- Kfd Kfe- Kfd c fKfe- Kfd
r f i2 L kKf (Mc f+ C ) k 2f - ik e Kfd - Kfe Kfd - c fKfe Kfd
r s - i2 Lk Ks ( M c s + C) k2s - ike- Ksd Kse- Ks d c s Kse- Ks d
r s i2 L kKs (Mc s + C )k2s - i k e Ks d - Kse Ks d - c s KseKs d
考虑土骨架和孔隙水的可压缩性, 有 3 种弹性波在土床中传播. 第 1 种, 由于土骨架和孔
隙水同时运动而产生的快压缩波; 第 2 种, 孔隙水相对于土骨架运动而产生的慢压缩波; 第 3
种, 土骨架刚性所带来的剪切波, 这也是最重要的. 在假设底床为线性体的情况下, 可应用叠
加原理把这 3 种波分别考虑, 那么土骨架和孔隙水的位移矢量可写为