陈昌昀， 张 鹏， 许国辉❋❋， 刘志钦， 许兴北， 任宇鹏(中国海洋大学1.海洋环境与生态教育部重点实验室; 2.山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛266100)

落球法测定波动液化土粘滞性的试验研究❋

陈昌昀1,2， 张 鹏1,2， 许国辉1,2❋❋， 刘志钦1,2， 许兴北1,2， 任宇鹏1,2
(中国海洋大学1.海洋环境与生态教育部重点实验室; 2.山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛266100)

海底的粉质土在波浪作用下发生液化，液化后的土体产生流体一样的波动。本文在进行液化粉质土波动试验过程中，利用落球法进行了液化土的黏滞系数的测试试验。试验采用了铜质、铁质和氧化锆等不同密度的光滑球体，通过位移传感器记录密度球在液化后土体中的位移和运动时间，换算出密度球在液化土体中沉降的平均速度，利用斯托克斯公式计算给出液化土的黏滞系数。结果给出试验用液化土体的黏滞系数在10 kPa·s的量级。

土体液化；落球法试验；黏滞系数；斯托克斯公式

在波浪和极端天气如风暴潮等的作用下，海床土体会发生液化破坏，由液化引发的土体破坏变形是导致工程结构破坏的主要原因之一。因此，国内外学者针对土体液化问题进行了相关研究。Miyamoto结合Sassa等通过离心机试验对波浪荷载作用下海床液化的分析，研究了可液化土层在推进波作用下发生液化的问题[1-2]。Sumer等在推进波荷载作用下粉质海床的波浪响应研究中，对海床的液化特点进行了分析[3-4]。李安龙等通过配置不同粒径的底床，发现砂土在波浪荷载作用下发生液化时，若黏粒含量小于10%，则对砂土液化有促进作用[5]。冯秀丽等通过现代黄河三角洲砂质粉土和粉质粘土触变性的对比试验，发现海底塌陷凹坑是快速沉积的粉砂液化的结果[6]。

之前的学者对土体液化的研究大多处于液化前及开始发生液化的阶段, 而对土体液化后的研究相对较少，液化后的土体具有流体的特性[7]，而粘滞系数可以反映液化后土体的流动性[8]。因此，研究者们通过不同的试验手段开展了液化土体黏滞性的测试研究。Towhata等利用拖管试验，通过测定施加在钢管上的阻力获得粘性流体的表观粘度，并发现当砂土完全液化后，拖拽力与拖管的运动速度关联性很大，进一步证实了液化土体的流体性质[9]。Kawakami等利用黏度计得到了初始液化后的土体的表观黏度与剪应变率具有一定的对应关系[10]。Hwang等在研究液化地表流对桩基的影响时，通过拖管试验，发现液化砂土的黏度随剪应变率升高而降低，在数值分析中将液化砂土的黏性作为一个重要参数进行分析[11]。Hadush等在总结了几组由不同测量方法获得的粘度与剪应变率关系后，同样发现了液化砂土的这种特性[12]。陈育民等通过拖球试验测量钢球所受水平阻力来计算液化及液化后砂土的表观动力黏度，进一步研究了液化砂土的流动特性[13]。前有研究发现海床土体在波浪荷载作用下会发生液化，液化状态的土体是可以视为流体的，其特性如同黏性流体[14]，而在对流体特性的研究中黏滞系数是一个重要的参量。已有的液化土体流动性研究大多是利用振动台试验，通过拖球或拖管法针对地震作用下砂土液化后的流动特性开展，而波致液化土体黏滞性测定是需要补充的工作，本文就此开展了相关研究。海底的粉质土在波浪作用下会发生液化，液化后的粉质土产生流体一样的波动[15]。本文采用测定流体黏滞系数的经典方法——落球法，在液化粉质土波动的水槽试验过程中，利用玻璃、氧化铝、氧化锆、铁、铜等5种不同密度的球体，对液化粉质土的黏滞系数进行测定。

1 试验方法

试验用土体是取自黄河三角洲的粉质土，其粒径级配曲线见图1所示。试验过程中持续施加波高15 cm、周期1 s的波浪使土体液化。

1.1 试验底床及落球装置设置

将试验所用的粉质土和水混合搅拌成均匀泥浆，控制其含水率在33%左右。随后用“顺板滑塌法”将混合好的泥浆分批移入水槽铺设成尺寸为2 m×0.5 m×0.6 m的底床，将6个直径为3 cm的表面光滑的不同材质的密度球(具体材料及规格见表1)分成3组，分别放置在底床表层的不同位置处，相互之间距离大于20 cm，避免相互影响(示意图见图2)。用0.3 mm的钢丝线将密度球与拉线式移传感线相连(由于位移传感器在拉线抽出时自身存在拉力，试验前在传感器下方悬挂一定质量的配重物进行拉力平衡)。最后，向水槽内加水至床面上40 cm处，静置固结10 d。

1.2 落球试验

静置固结后，开始施加波浪作用。首先在底床未扰动的情况下，施加波高为15cm的波浪，持续加波3h后土体未液化。将底面积10cm×15cm的钢板锤置于底床上，通过不断提起放下击打底床，加速土体液化。待底床土体发生液化时释放密度球，同时使用奥地利DEWESoft瞬态数据采集器(型号为DEWE-43)，以100Hz的频率连续记录密度球的沉降位移与时间数据

直至试验结束。密度球沉降结束后，使用自制土体采样器插入底床，取不同液化深度的土样并计算平均密度用于粘滞系数的计算。设置的部分密度球随液化土体运动并出现沉降现象，也有出现停滞的情况，通过再次调整配重物质量来平衡拉线式位移传感器的拉力，可以使密度球继续沉降。

2 试验结果

试验底床受到锤击扰动发生液化，并且液化现象在土体的横向和垂向迅速发展。通过观察发现液化时土颗粒与密度球随波浪做周期性的椭圆运动，在一个波浪周期内密度球向左、向右运动趋势相同，位移相互抵消，可视为垂直方向的沉降运动。从位移传感器测得的数据中发现各密度球在土体发生液化后出现了不同的沉降现象，其中玻璃球和氧化铝球未发生沉降，而氧化锆球、铁1球、铁2球和铜球均产生沉降位移，并且各密度球都经历了初期加速下沉，中期匀速沉降，最后沉降停止的过程。在匀速沉降过程中，氧化锆球、铁1球、铁2球和铜球的位移分别是75.7、65.6、71.7、67.0 mm。

氧化锆球、铁1球、铁2球和铜球在液化土中沉降时，受到的阻力逐渐增大到与重力平衡，因此出现了从加速沉降逐渐变为匀速沉降的现象，而玻璃球和氧化铝球未发生沉降的原因是由于两者的密度较小造成的。选择密度球沉降均匀的时间段(匀速沉降段)的时间与位移数据进行计算分析并绘图如图3所示，在该时间段内密度球的最小位移是6.56 cm，大于小球直径2倍以上，图3中红线为各密度球沉降位移的标准曲线，发现氧化锆球、铁1球、铁2球和铜球沉降位移与时间关系，用线性相关来拟合，其相关系数R2值分别为0.95、0.99、0.95和0.97，可以视为匀速运动。

将氧化锆球、铁1球、铁2球、铜球的下落位移与持续时间之比作为沉降过程中的平均速度(见表2)，并视为各密度球在液化土体中的沉降速度，则计算得到氧

化锆球的沉降速度为0.168 mm/s，铁1球的沉降速度为0.218 mm/s，铁2球的沉降速度为0.228 mm/s，铜球的沉降速度为0.335 mm/s。几种密度球在试验土体中处于静止状态时没有沉降下落，当土体发生液化波动时，密度球的沉降速度区间为0.1～0.4 mm/s，极为缓慢，并且各密度球与液化土体之间的相对运动发生在试验土体的黏滞状态下，属于层流区的范围，因此，斯托克斯公式适用于本次试验。

3 讨论

本次试验中底床土体的空间尺寸(见图2)相对于密度球而言可视为无限广延的，球体是光滑且刚性的，测试值是小球在不产生涡流的流体中受到的阻力。试验中小球在自身重力作用下自由沉降，并逐渐达到匀速沉降阶段，此时可视为自然状态下的受力平衡，排除了人为或机械原因对小球运动状态造成的影响，符合斯托克斯公式的适用条件。因此，利用本文试验方法测试得到密度球的沉速后，利用斯托克斯公式计算得到液化土体的黏滞系数是合理的。

从表3可知，在水槽试验过程中, 利用落球法测得的波动液化粉质土的黏滞系数在9.67～13.47 kPa·s的范围。刘涛等在利用拖球试验对波动液化粉土的流动性研究中，得到密度球在速度为25和33 mm/s时，测得液化粉土的黏滞系数分别为60.45和65.48kPa·s[16]。本次试验获得的粉质土黏滞系数与之相比，量级虽均为10 kPa·s，但数据存在一定差异。为分析造成数据差异的原因，制备了含水率为35%左右的粉质土，并将直径为30 mm的铁球埋置其中，在竖直方向上以20 mm·s-1的速度匀速拉动铁球，发现在拉力方向的球面处有一定厚度的土体附着集聚，且与铁球形成一个新的整体共同运动，这可能是导致拖球试验中粘滞系数计算结果偏大的原因。本文落球法为球体依靠重力的自然下沉，沉降速度不到1 mm/s，能够保证液化土体以绕流形式运动，更加符合斯托克斯公式的应用条件。

4 结论

本文在开展波浪作用下粉质土底床的液化试验过程中，利用落球法开展了液化粉质土粘滞性的试验测试，并用斯托克斯公式计算了液化土体的粘滞系数，给出如下结论：

(1)粉土在波浪荷载作用下发生液化时，可以通过落球法试验测得土体的黏滞系数。

(2)试验获得落球的沉降速度后，可以通过斯托克斯公式计算液化粉质土的黏滞系数。

(3)波浪水槽试验中液化粉质土的黏滞系数值在9.67～13.47 kPa·s，量级为10 kPa·s。

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责任编辑 徐 环

The Experimental Study on Viscosity of the Wave-Induced Liquefaction Silty Soil by Falling Ball Method

CHEN Chang-Yun1,2， ZHANG Peng1,2，XU Guo-Hui1,2，LIU Zhi-Qin1,2，XU Xing-Bei1,2，REN Yu-Peng1,2

(Ocean University of China, 1. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Qingdao 266100, China)

Liquefaction of submarine slity soil occurs under the wave action, while the liquefied soils would fluctuate like liquids. In this study, we used the falling ball method to measure the viscosity coefficient of liquefied soil during liquefied slity-soil fluctuation tests. By using density-variable smooth balls (made of Copper iron, zirconia), we used a to record the displacement and migration time of the balls in the liquefied soils, and converted the average ball falling speeds in the liquefied soils. Then the viscosity coefficients of liquefied soils were determined from the Stokes formula. The viscosity coefficient of liquefied soils is at the level of 10 kPa·s.

soil liquefaction; falling ball method; coefficient of viscosity; stokes formula

国家自然科学基金项目(41576039)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China(41576039)

2016-01-20；

2016-05-16

陈昌昀(1989-)，男，硕士生，从事海洋工程地质方面研究。 E-mail：ccyhuanjing@163.com

❋❋ 通讯作者：E-mail：xuguohui@ouc.edu.cn

P736

A

1672-5174(2017)06-119-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20160011

陈昌昀，张鹏，许国辉，等.落球法测定波动液化土粘滞性的试验研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2017, 47(6): 119-123.

CHEN Chang-Yun， ZHANG Peng，XU Guo-Hui,et al.The experimental study on viscosity of the wave-induced liquefaction silty soil by falling ball method[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(6): 119-123.