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黄河三角洲潮滩表层沉积物非均匀固结机理研究

刘媛媛  
【摘要】:本学位论文以国家自然科学基金项目“黄河口水下斜坡硬壳的形成与破坏”(项目号:141720888)为依托,旨在研究波浪作用导致的黄河三角洲表层沉积物非均匀固结性质及其机理。 黄河三角洲潮滩表层沉积物由于对海洋动力尤其是波浪作用的敏感,会发生破坏,形成塌陷、凹坑、粉砂流冲沟等一系列灾害地质现象。这一破坏过程与沉积物强度及其它性质在波浪荷载作用下的变化是密切相关的。在过去的研究中,人们主要对黄河三角洲的形貌特征、海洋动力条件、土体工程特性进行了静态的研究工作,而对于波浪导致的土体强度及其它性质的非均匀化及空间分布上的规律缺少研究。本文针对此问题,进行大量现场及室内试验研究,分析探讨其形成机理。 本学位论文共分为八个部分,第一部分介绍对黄河三角洲沉积物固结非均匀性研究的意义和研究现状;第二部分综述黄河三角洲周缘沉积物工程地质特征;第三部分基于现场测试对三角洲表层沉积物固结非均匀性研究;第四部分基于室内土工试验对三角洲表层沉积物固结非均匀性研究;第五部分介绍室内试验模拟土体在波浪作用下的固结过程;第六部分至第八部分从三角洲潮滩孔洞的分布、微观结构及数值模型等多个角度分析探讨黄河三角洲表层沉积物非均匀固结性质及其机理。 研究点选择在黄河三角洲不同时期形成的叶瓣上,能反映出差异的波浪作用条件及作用时间导致的表层土体性质的非均匀变化。开展了大量的现场强度测试和样品采集工作:每个叶瓣布置一条垂直海岸由岸向海延伸的长200m的剖面测线,10m间隔进行微型贯入试验,取得每个测线剖面的强度分布等值线图;每个叶瓣上做一静力触探测试并取钻孔原状样进行室内土工测试和微结构观测,得到每个叶瓣上土体基本物理性质。在刁口叶瓣的典型研究区内加密微型贯入测试点,并且进行现场十字板与孔压测试。在以上现场调查工作基础上,开展室内物理模拟实 黄河三角洲潮滩表层沉积物非均匀固结机理研究 验,并选用多孔弹性介质的二维固结模型模拟土体在波浪作用下的非均匀固结过 程。 研究发现,黄河三角洲表层沉积物的固结性质具有显著非均匀特征,并从微 观结构角度和数值模拟角度对这种非均匀性的规律与产生进行探讨分析。研究结 论如下: (1)现场微贯、静探及十字板等强度测试反映黄河三角洲表层沉积物无论在水平 向还是在垂向上,均呈现显著的非均匀特征:水平向上,沿垂直海岸线方向,土 体呈现强度的强弱交替现象;垂向上,土体强度也有明显的分布不一致现象,都 存在强度突增带,深度在30一60cm的范围内。这种强度的非均匀特征随外部水动 力条件的增强而更加显著。 (2)不同叶瓣原状土样的室内土工资料的分析反映出研究区土体的垂向上的重要 物理性质的非均匀特征:在深度为40一50cm范围内土体的渗透系数由小突然增大; 超固结比OCR值在40一50cm左右深度以上随水动力条件及固结时间不同产生分 异;25一45cm范围内土体细粒含量最大,而下部50一190cm的细粒显著减小,45cm 左右处是突变点。 (3)通过室内实验模拟土样在波浪振动荷载作用下的固结,发现振动固结过程中 土样垂向的成份、强度及其它物理指标均有不均匀变化。 (4)滩面上孔洞的非均匀分布导致土体在平面上固结的不均匀程度加剧,即孔洞 的存在对表层沉积物小尺度上固结非均匀性的发展有一定影响。 (5)土样的微结构观测分析和室内粒度分析结果发现水动力作用导致一定深度范 围内潮坪沉积物细粒物质的分布与存在形式、颗粒的均匀性、形状及排列的定向 性等方面的动态变化。这种变化从微观角度解释了土体非均匀性的形成。 (6)通过数值模拟结果重现波浪对土体固结非均匀性的影响:波浪导致的附加应 力、位移及超孔压在平面上是不均匀分布的。根据瞬时液化的定义,由于波浪作 用导致的渗流场使波谷处土体容易发生液化,从而导致颗粒的运移与重排,而波 峰处土体则不易发生变化。对于不同点位受到波谷与波峰作用的概率不同,故产 生了土体内部非均匀变化。 本论文从一个崭新的视角研究黄河口表层沉积物的工程地质性质的特征一非 均匀性。本论文研究方法和技术路线都有创新:论文在黄河口天然实验室开展系 II 黄河三角洲潮滩表层沉积物非均匀固结机理研究 统工作,研究真实条件下土体固结性质,弥补了以往单纯室内实验的不足;论文 中首次从土体微观角度分析非均匀化产生的机理。本论文研究成果对黄河口水下 工程地质环境评价及地质灾害的预测防治具有显著的指导意义;对土体在动荷载 作用下的固结研究具有促进作用。


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