液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究

论文摘要

开挖建设在粉质土海岸的开敞航道在大风浪天气下容易出现骤淤现象,淤积泥沙密实坚硬,难以疏浚,制约了我国港口航道的建设与发展。随着经济的发展、港口吞吐量的增加,航道骤淤出现的原因分析以及防治工作愈发显得重要。基于实际工程意义,展开本文的主要研究工作。本文从粉质土底床在波浪动力作用下易液化破坏的角度,利用黄河三角洲粉质土作为试验底床进行波浪水槽试验研究,分析指出大风浪作用下航道骤淤出现的原因,基于骤淤原因的分析结果开展利用潜堤防治骤淤的水槽试验研究,分析不同防护高度的防淤效果,确定试验条件下合理的潜堤设计高程,进而根据几何相似原理,提出现场条件下应用水力插板桩设置防淤潜堤的高程设计方案。论文通过水槽试验,研究了粉质土底床在波浪循环荷载作用下的动力响应。试验发现粉土底床的局部软弱区域在波浪作用下会发生液化破坏,进而随波浪振荡滑动。在一定波高波浪作用下随着作用时间的增长滑动深度不断增加最终达到一极限深度,增大波高后,滑动深度继续增加。当波高增大到某一值时,滑动深度加深不很明显,但在水平方向上滑动土体突然崩解扩展,造成大范围土体的失稳滑动。随着不断振荡滑动,液化土体的强度增加、密度增大、含水量降低;同时在运动过程中孔隙水排出通道变得畅通,逐渐向上排出,并携带部分细粒随渗流逐渐上移,粘粒从底床析出进入上覆水体,造成土体逐渐粗化;最终浑水体在底床表面形成厚度约2 cm的高浓度含沙层,其含沙量约为平均含沙量的3~4倍。对应现场条件,大风浪导致航道两侧强度较弱的粉质土底床发生液化滑动,并在近底形成高浓度含沙层,液化土体和高浓度含沙层中的泥沙在重力作用下最终滑入航道造成骤淤。进入航道后的粉质土处于液化状态,在风浪作用下继续随波振荡,孔隙水逐渐消散,使土体强度、密度逐渐增大,同时细粒不断析出使土体逐渐粗化,最终形成密实坚硬的粉砂层,这应是形成航道骤淤的主要原因。基于粉质底床土体破坏滑动及近底高浓度含沙层中泥沙的运移是导致航道骤淤主要原因的考虑,开展利用潜堤防治航道骤淤的波浪水槽试验,以检验防淤效果。应用插板式潜堤插至底床地层液化深度以下,阻挡液化土体滑入航道,高出床面一定距离阻挡近底高浓度含沙层中泥沙进入航道,从而起到防淤作用。根据试验测得不同防护高程下模拟航道中淤积泥沙的厚度,确定试验条件下潜堤的防护高度为6 cm。由于波浪携沙遇到潜堤挡板后形成上升流,使近底粗粒泥沙跃入航道,容易造成淤积,故建议将潜堤顶部形态设计成反弧形,以使底部水流返流回去,从而更加有效的阻挡高浓度含沙层。根据几何相似原理,提出现场条件下应用水力插板桩设置防淤潜堤的高程设计方案,并针对水力插板桩堤实际建设工程中个别板桩出现的失稳问题进行了分析,提出了相应的防治措施。论文提出了骤淤的分析方法,首先总结了粉质土液化判别流程,通过判别粉质底床能否液化得出骤淤发生的可能性,然后计算液化土体深度,进而设计合理的插板桩堤坝,防治骤淤的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究对象
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 粉质土海岸开敞航道骤淤原因研究
• 1.3.2 航道骤淤量计算研究
• 1.3.3 粉质土底床失稳破坏研究
• 1.3.4 现场粉质海床稳定性探测研究
• 1.3.5 航道淤积防治研究
• 1.4 本文的研究工作
• 2 粉质土底床液化导致的航道骤淤及其淤积特性试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 波浪水槽试验装置
• 2.2.1 波浪水槽
• 2.2.2 悬沙取样器
• 2.2.3 土体取样器
• 2.2.4 手持式电子普式贯入仪
• 2.3 试验底床制备
• 2.4 试验过程及现象
• 2.5 试验结果
• 2.5.1 土体运动界面的扩展
• 2.5.2 土体强度变化
• 2.5.3 土体密度、含水量变化
• 2.5.4 土体粒度变化
• 2.5.5 上覆水体悬沙浓度分布
• 2.6 航道骤淤形成原因分析
• 2.6.1 骤淤泥沙来源分析
• 2.6.2 骤淤沉积层工程特性分析
• 2.7 小结与讨论
• 3 潜堤防治航道骤淤试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 试验设备
• 3.3 试验底床制备
• 3.4 试验过程
• 3.4.1 土体未液化条件
• 3.4.2 土体液化条件
• 3.5 试验数据
• 3.5.1 航道模拟槽内淤积厚度
• 3.5.2 淤积泥沙粒度
• 3.5.3 悬沙浓度及粒度
• 3.6 试验条件潜堤防淤效果分析
• 3.6.1 设置潜堤防淤有效性分析
• 3.6.1.1 航道淤积泥沙量分析
• 3.6.1.2 淤积泥沙粒径分析
• 3.6.2 试验条件潜堤堤顶高程确定
• 3.7 小结与讨论
• 4 现场条件航道防护潜堤设计
• 4.1 概述
• 4.2 应用几何相似推算现场潜堤堤顶高程
• 4.3 粉质土底床液化深度计算
• 4.4 水力插板桩堤坝建设
• 4.4.1 水力插板桩堤的特点
• 4.4.2 水力插板桩堤建设状况
• 4.4.2.1 水力插板桩堤建设建设海域工程地质状况
• 4.4.2.2 海上建设水力插板试验堤坝情况
• 4.4.3 水力插板桩堤失稳原因分析
• 4.4.3.1 循环荷载导致的粉质土的液化及液化土体的运动
• 4.4.3.2 桩堤失稳原因
• 4.4.4 水力插板桩堤失稳防治对策
• 4.5 现场条件应用水力插板建设潜堤防治航道骤淤
• 4.6 小结与讨论
• 5 波致粉质土液化判别方案
• 5.1 概述
• 5.2 波浪循环荷载作用下粉质土液化的判别
• 5.2.1 波致粉土液化初判
• 5.2.2 波致粉土液化再判
• 5.2.3 波致粉土液化判别流程
• 5.3 波致粉土液化深度计算
• 5.4 小结与讨论
• 6 全文总结
• 6.1 结论
• 6.2 有待开展的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果