CN107782879A - 确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于一维圆筒实验确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法和装置，方法包括以下步骤：首先获得混配土测试土样，通过计算纯黏土质量与混配土总质量的比值得到黏土混配比例；其次完成海床土的装样，控制好土样的相对密度和均匀度，并进行饱和处理；接着对土样施加周期性波浪荷载，并记录实验过程中海床土样的孔隙水压力值；然后计算海床最大液化深度；最后确定海床最大液化深度与黏土混配比例的关系。实验装置包括主体圆筒、孔隙水压力计、波浪压力控制中心、气液压转换装置、数据采集模块和数据处理模块等。本发明原理简单，操作方便，结果准确可靠，可以快速测定海床最大液化深度随黏土混配比例的变化规律。

Description

确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法和装置
技术领域
本发明涉及海洋工程领域，具体涉及一种基于一维圆筒实验确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法和装置。
背景技术
在采用实验方法对波浪荷载下的海床响应问题进行研究时，水槽实验是最常用的实验设备，水槽实验的特点是长度和宽度尺寸较大，能较好模拟真实的波浪荷载传播过程并能真实反映出海床的液化区域，与实际情况接近。除水槽实验外，离心机实验是在上世纪90年代初为解决某些特定问题产生的，如小幅波浪的持续作用造成海床孔隙水压力累积继而导致海床失稳的问题。
采用水槽实验虽然都能测得海床的液化深度，但测试深度有限，而离心机实验主要针对长时间波浪荷载的作用过程。实际上海床的最大液化深度会随着海床土体中黏土含量的变化而发生变化，但目前针对海床最大液化深度变化的测试方法很少。
经对现有技术文献的检索发现，2006年韩涛在《中国港湾建设》(2006,No.02,pp.27-28)中发表的“波浪作用下砂质海床最大液化深度”一文中，推导了二维饱和无粘性海床的最大液化深度的计算公式。2012年黄光爵在《地震工程与工程震动》(2012,No.05,pp.146-151)中发表的“波浪作用下可液化海床最大液化深度”一文中，同时考虑了振荡孔隙水压力和残余孔隙水压力，推导出可液化海床最大液化深度的解析表达式。但是以上文献都没有明确指出用于测试海床最大液化深度的方法，因此提出一种可以快速测定最大液化深度随黏土混配比例的变化规律，并获取整个变化过程的数据进行全面测定的方法显得尤为重要。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法装置，该方法和装置可以快速测定混配土海床最大液化深度的变化规律，并获取整个变化过程的数据进行全面测定。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，包括步骤：
S1：获取混配土测试土样，通过计算纯黏土质量与混配土总质量的比值得到黏土混配比例(CC)；
S2：对海床土装样，装在主体圆筒内，根据主体圆筒的高度确定海床土样的高度，装样过程中控制海床土样的均匀度和相对密度满足预定要求，并对制出的土样放置一段时间进行浸水饱和处理；
S3：对土样施加周期性波浪荷载，并记录实验过程中海床土样的孔隙水压力值；
S4：处理记录的实验数据，计算各种黏土混配比例下土体中的有效应力，确定海床最大液化深度；
S5：确定海床最大液化深度与黏土混配比例的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系。
优选的，所述步骤S1中获取混配土测试土样的步骤是：
S11：将风干的纯黏土放置在搅拌机的料筒中，然后慢慢将脱气水加入到料筒中并启动搅拌机，以低转速将风干的纯黏土和脱气水均匀混合，当黏土大致达到液限状态时，即停止施加脱气水；
S12：保持搅拌机继续低速运转，将风干的细砂逐步加入到料筒中，待所有细砂全部加入到料筒中后，提高搅拌机转速并连续搅拌一定时间，使细砂和黏土均匀的混合起来；
S13：计算黏土混配比例：在混配土实验中用黏土质量分数CC(％)来表示混配比，并利用公式CC＝Wc/Wm计算黏土混配比，其中Wc表示黏土质量，Wm表示混配土的总质量。
优选的，所述步骤S2中，装样过程中控制海床土样的相对密度的原则为：对于一定的体积来说，按照设定的相对密度反推出在一定体积内需要施加的海床土样质量。
进一步的，所述步骤S2中，为了使装样过程均匀，主体圆筒分为若干段，加样过程也分为若干次；每一次加样时首先将一层铁丝网放置在当前主体圆筒上，然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到主体圆筒中，加样完成后移除铁丝网，然后将另一段主体圆筒叠加到当前的主体圆筒上；重复上述加样步骤，直到整个加样过程完成。
优选的，所述步骤S3中，在波浪荷载控制中心设置波浪循环次数Nc、波浪周期T和波浪高度H，然后利用气压转换装置将波浪压力控制中心传来的周期性气压转变为水压并施加在主体圆筒内。
优选的，所述步骤S4中，计算各种黏土混配比例下土体中的有效应力的公式为：σ′z＝σ′0-ue，其中σ′0为海床的总应力，ue为海床内的超孔隙水压力；
海床总应力σ′0＝-(γs-γw)z，其中γs和γw分别为海床土体和水的重度，z为海床深度；
海床内的超孔隙水压力ue＝-(P0-p)，其中P0、p分别为海床表面波压力和海床内孔隙水压力。
更进一步的，所述步骤S4中，确定海床最大液化深度的方法是：海床的有效应力消失，即σ′z≤0，海床就会发生液化，沿海床深度方向计算海床的有效应力，确定最大的液化深度。
优选的，所述步骤S5中，进行多次实验，每次实验均得到黏土混配比和海床最大液化深度的值，根据上述值绘制二者的关系曲线，得到海床最大液化深度和黏土混配比的关系表达式：
dmax＝aCC3+bCC2+dCC+e；
其中a、b、d和e是回归分析的拟合系数。
一种用于实现上述确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法的装置，包括：
主体圆筒，用于盛放按照一定黏土混配比例制备完成的土样；
沿主体圆筒深度方向布置有若干个孔隙水压力计，孔隙水压力计实时采集实验过程中土样的孔隙水压力值，数据采集模块采集孔隙水压力值数据并传递到与之相连的数据处理模块；
波浪压力控制中心，用于预设波浪加载条件，并控制气液压转换装置按照波浪加载条件进行动作；
气液压转换装置向主体圆筒内施加周期性波浪荷载；
数据处理模块，用于记录每次实验得到的黏土混配比和海床最大液化深度的值，多次实验拟合得到二者的关系表达式。
优选的，所述气液压转换装置内充满水且通过管道直接与主体圆筒上盖相连，施加的周期性波浪荷载首先通过气压传到气液压转换装置的黑色橡胶皮袋中，该气压的周期性变化会导致黑色橡胶皮袋的体积发生周期性变化，即体积不断的增大和缩小，黑色橡胶皮袋的体积变化则会导致气液压转换装置内水压的变化，水压的变化会直接传到主体圆筒内，从而完成周期性波浪荷载的施加。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明采用一维圆筒实验设备对土体试样进行波浪荷载作用下海床响应的实验，并通过实验过程中测得试样的孔隙水压力值计算出不同混配比下的海床土样的有效应力，从而得到海床的最大液化深度，最终确定海床最大液化深度与黏土混配比例的关系，原理简单，操作方便，准确可靠，可以快速测定海床最大液化深度随黏土混配比例的变化规律。
附图说明
图1是本实施例方法的流程图，
图2是本实施例装置的结构示意图。
图3为本实施例得到的海床最大液化深度与黏土混配比例的关系曲线图。
其中：1—主体圆筒、2—气液压转换装置、3—波浪压力控制中心、4—数据采集模块、5—数据处理模块、6—孔隙水压力计。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2所示，本实施例采用的实验装置包括主体圆筒1、孔隙水压力计6、波浪压力控制中心3、气液压转换装置2、数据采集模块4和数据处理模块5，其中主体圆筒1用于盛放按照一定黏土混配比例制备完成的土样，为了便于加样的要求可如图2所示分为若干段，采用有机玻璃圆筒；沿主体圆筒深度方向布置有若干个孔隙水压力计6，孔隙水压力计实时采集实验过程中土样的孔隙水压力值，数据采集模块4采集孔隙水压力值数据并传递到与之相连的数据处理模块5；波浪压力控制中心3，用于预设波浪加载条件，并控制气液压转换装置2按照波浪加载条件进行动作；气液压转换装置2向主体圆筒1内施加周期性波浪荷载；数据处理模块5，用于记录每次实验得到的黏土混配比和海床最大液化深度的值，多次实验拟合得到二者的关系表达式。
在上述装置的基础上，本实施例一种确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，包括以下步骤：
S1：获取混配土土样，采用高速搅拌机将细砂和纯黏土进行混合，包括以下步骤：
S11：将风干的纯黏土放置在搅拌机的料筒中，然后慢慢将脱气水加入到料筒中并启动搅拌机，以低转速将风干的纯黏土和脱气水均匀混合，当黏土大致达到液限状态时，即可停止施加脱气水。
S12：保持搅拌机继续低速运转，将风干的细砂逐步加入到料筒中。待所有细砂全部加入到料筒中后，提高搅拌机转速并连续搅拌10min左右，则细砂和黏土便能较为均匀的混合起来。此外，必要时可在细砂和黏土混配过程中适当加入少量脱气水以保证混配过程更为均匀。
S13：在混配土实验中用黏土质量分数CC(％)来表示混配比，并利用公式CC＝Wc/Wm计算黏土混配比，其中Wc表示黏土质量，Wm表示混配土的总质量。
S2：对海床土的装样，控制海床土样相对密度的质量控制原则为：对于一定的体积来说，按照设定的相对密度反推出在主体圆筒内需要施加的海床土样质量。为了使装样过程均匀，主体圆筒的加样过程均分为三次，每一次加样时首先将一层铁丝网放置在主体圆筒上，然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到主体圆筒中，加样完成后移除铁丝网，然后将另一段主体圆筒叠加到当前的主体圆筒上，再放上铁丝网重复加样。
其中，在实验开始前，当土样和水都已加入到主体圆筒中后，土样需要放置一段时间进行浸水饱和。在土样饱和的过程中，同时施加100kPa的静水压力，在海床土上施加静水压力的时间一般在三天左右。
S3：在波浪荷载控制中心设置波浪循环次数(Nc)、波浪周期(T)和波浪高度(H)，实验过程中，气液压转换装置内充满水且通过管道直接与主体圆筒部分上盖相连，施加的周期性波浪荷载首先通过气压传到气液压转换装置的黑色橡胶皮袋中，该气压的周期性变化会导致黑色橡胶皮袋的体积发生周期性变化，即体积不断的增大和缩小。而黑色橡胶皮袋的体积变化则会导致气液压转换装置内水压的变化，由于气液压转换装置通过水管直接与主体圆筒部分上盖相连，因而水压的变化会直接传到主体圆筒内，从而完成周期性波浪荷载的施加。
实验中共使用了11支孔隙水压力计，如图2所示，其中1支孔隙水压力计安装在海床上部，10支孔隙水压力计安装在海床内部，在靠近海床表面的区域安设了更多的孔隙水压力计，由数据采集仪采集孔隙水压力数据进行收集，并传递到与之相连的电脑。
S4：处理记录的实验数据，并计算各种黏土混配比例下土体中的有效应力，并确定最大液化深度。
海床的总应力σ′0、超孔隙水压力ue的计算公式分别为：
σ′0＝-(γs-γw)z；ue＝-(P0-p)
其中γs和γw分别为海床土体和水的重度、z为海床深度、P0和p分别为海床表面波压力和海床孔隙水压力；
计算混配土体中的有效应力σ′z公式为：
σ′zz＝σ′0-ue
海床的有效应力σ′z≤0，海床就会发生液化，沿海床深度方向计算海床的有效应力，确定最大的液化深度。本实例中海床最大液化深度与之对应的不同纯黏土(高岭土、伊利石和蒙脱石)混配比例如表1所示。
表1海床最大液化深度与之对应的不同纯黏土(蒙脱石、高岭土和伊利石)混配比例
S5：确定海床最大液化深度与黏土的混配比的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系。
根据步骤S4中求得的海床最大液化深度dmax和黏土混配比例(CC)，绘制关系曲线dmax—CC，并得到海床最大液化深度与黏土混配比例的关系表达式：
dmax＝aCC3+bCC2+dCC+e；
其中a、b、d和e是回归分析的拟合系数，根据表1中的数据绘制出不同纯黏土(蒙脱石、高岭土和伊利石)的海床最大液化深度dmax和黏土混配比例CC的关系曲线dmax—CC如图2所示，通过计算得出海床的最大液化深度与不同黏土(蒙脱石、高岭土和伊利石)混配比例的关系式为：
dmax1＝-0.0004×CC3-0.0002×CC2+0.0731×CC+0.374
dmax2＝-0.00006×CC3+0.0005×CC2+0.0370×CC+0.374
dmax3＝-0.00002×CC3-0.0013×CC2+0.0546×CC+0.374
通过本实施例的装置和方法，可以较好模拟真实的波浪荷载传播过程并能真实反映出海床的液化区域，确定海床最大液化深度与黏土混配比例的关系，为进一步研究海洋的情况提供理论依据。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，包括步骤：
S1：获取混配土测试土样，通过计算纯黏土质量与混配土总质量的比值得到黏土混配比例；
S2：对海床土的装样，装在主体圆筒内，根据主体圆筒的高度确定海床土样的高度，装样过程中控制海床土样的均匀度和相对密度满足预定要求，并对制出的土样放置一段时间进行浸水饱和处理；
S3：对土样施加周期性波浪荷载，并记录实验过程中海床土样的孔隙水压力值；
S4：处理记录的实验数据，计算各种黏土混配比例下土体中的有效应力，确定海床最大液化深度；
S5：确定海床最大液化深度与黏土混配比例的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系。
2.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S1中获取混配土测试土样的步骤是：
S11：将风干的纯黏土放置在搅拌机的料筒中，然后慢慢将脱气水加入到料筒中并启动搅拌机，以低转速将风干的纯黏土和脱气水均匀混合，当黏土大致达到液限状态时，即停止施加脱气水；
S12：保持搅拌机继续低速运转，将风干的细砂逐步加入到料筒中，待所有细砂全部加入到料筒中后，提高搅拌机转速并连续搅拌一定时间，使细砂和黏土均匀的混合起来；
S13：计算黏土混配比例：在混配土实验中用黏土质量分数CC(％)来表示混配比，并利用公式CC＝Wc/Wm计算黏土混配比，其中Wc表示黏土质量，Wm表示混配土的总质量。
3.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S2中，装样过程中控制海床土样的相对密度的原则为：对于一定的体积来说，按照设定的相对密度反推出在一定体积内需要施加的海床土样质量。
4.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S2中，主体圆筒分为若干段，加样过程也分为若干次；
每一次加样时首先将一层铁丝网放置在当前主体圆筒上，然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到主体圆筒中，加样完成后移除铁丝网，然后将另一段主体圆筒叠加到当前的主体圆筒上；
重复上述加样步骤，直到整个加样过程完成。
5.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S3中，在波浪荷载控制中心设置波浪循环次数Nc、波浪周期T和波浪高度H，然后利用气压转换装置将波浪压力控制中心传来的周期性气压转变为水压并施加在主体圆筒内。
6.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算各种黏土混配比例下土体中的有效应力的公式为：σ’z＝σ’0-ue，其中σ’0为海床的总应力，ue为海床内的超孔隙水压力；
海床总应力σ’0＝-(γs-γw)z，其中γs和γw分别为海床土体和水的重度，z为海床深度；
海床内的超孔隙水压力ue＝-(P0-p)，其中P0、p分别为海床表面波压力和海床内孔隙水压力。
7.根据权利要求6所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S4中，确定海床最大液化深度的方法是：海床的有效应力消失，即σ’z≤0，海床就会发生液化，沿海床深度方向计算海床的有效应力，确定最大的液化深度。
8.根据权利要求1所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法，其特征在于，所述步骤S5中，进行多次实验，每次实验均得到黏土混配比和海床最大液化深度的值，根据上述值绘制二者的关系曲线，得到海床最大液化深度和黏土混配比的关系表达式：
dmax＝aCC3+bCC2+dCC+e；
其中a、b、d和e是回归分析的拟合系数。
9.一种用于实现权利要求1-8任一项所述的确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法的装置，其特征在于，包括：
主体圆筒，用于盛放按照一定黏土混配比例制备完成的土样；
沿主体圆筒深度方向布置有若干个孔隙水压力计，孔隙水压力计实时采集实验过程中土样的孔隙水压力值，数据采集模块采集孔隙水压力值数据并传递到与之相连的数据处理模块；
波浪压力控制中心，用于预设波浪加载条件，并控制气液压转换装置按照波浪加载条件进行动作；
气液压转换装置向主体圆筒内施加周期性波浪荷载；
数据处理模块，用于记录每次实验得到的黏土混配比和海床最大液化深度的值，多次实验拟合得到二者的关系表达式。
10.根据权利要求9所述的用于实现确定海床最大液化深度与黏土混配比例关系的方法的装置，其特征在于，所述气液压转换装置内充满水且通过管道直接与主体圆筒上盖相连，施加的周期性波浪荷载首先通过气压传到气液压转换装置的黑色橡胶皮袋中，该气压的周期性变化会导致黑色橡胶皮袋的体积发生周期性变化，即体积不断的增大和缩小，黑色橡胶皮袋的体积变化则会导致气液压转换装置内水压的变化，水压的变化会直接传到主体圆筒内，从而完成周期性波浪荷载的施加。
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