循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究
本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，旨在探讨黄河口潮坪沉积物的粒度成分和结构在循环荷载作用下的变异过程。以前研究发现，黄河口海床表面发育硬壳层，其发育程度随水动力条件不同呈现差异。目前对这种变化过程机理认识不清。黄河口粉质土在波浪等循环荷载作用下成分和结构状态可能发生的变化，关系到海底工程地质环境的动态变化及海洋地质灾害孕育发生。本文以室内和室外试验为依据，结合分形几何理论对黄河口沉积物在循环荷载作用下固结过程中成分和结构的变异情况进行了探索性分析研究。首先总结了前人现场调查研究结果，发现水动力对沉积物特征后期改造的普遍性，提出淤泥和微细层理后生成因的可能性；然后在黄河1964-1976年由刁口流路入海沉积形成的三角洲潮坪上对粉质土海床施加循环荷载，通过孔隙水压力的监测和强度的原位测试研究了1m范围内粉质土的重复液化和强度变化规律；采集振动前后1米深度范围海床土原状土样，在实验室进行粒度成分分析、扫描电镜观测，研究循环荷载导致海床土粒度成分与微结构的变化；将动态响应和微结构变化进行了关联性对比，从微观角度探讨了三角洲地区广泛发育的硬壳层特征和成因机理。在进行大量的现场测试工作的同时，利用室内实验再现了循环荷载作用对黄河口原始的快速沉积物粒度成分和物理力学性质的改造；最后探讨了循环荷载作用导致黄河口沉积物粒度成分和微结构变化的机理。
通过对研究成果的分析，得到了如下一系列认识：
(1)现场调查研究表明了水动力对沉积物具有明显的改造作用：水动力导致细粒物质上涌；表层淤泥平均粒径及分选性介于上述“细粒物质”和生物活动产生的物质之间；淤泥的厚度与下伏沉积物强度有较好的对应关系。同时，一定深度范围内沉积物的层化现象具有明显的几何分形性，带有后期改造的特征。
(2)野外模拟实验证明，循环振动导致1米深度范围内导致海床土的粒度成分和微结构发生改变：表层40厘米左右范围内土体细粒物质含量增加，不均匀系数增大，级配变好，长轴竖直排列趋势增强，颗粒定向性增强，形状系数改善，孔隙比减小等，但这些变化深深度方向不均匀；40—70厘米变化趋势相反；70厘米以下土体受振动影响不明显。
(3)沉积物微观结构的变化同宏观动态响应具有很强的相关性。通过两者相关性的比较发现硬壳层的形成是循环荷载作用下海床粉质土固结过程中微结构逐渐调整，强度逐渐提高的结果，起主要作用的是孔隙比的变化和粒度成分的影响；其沿深度方向的不均匀性与具体的微结构状态有关。硬壳层的液化破坏与海床动态响应过程中形成的细粒微层有关。硬壳层的动态响应与微结构的调整是互相耦合的。
(4)室内的物理模拟过程进一步证明了细粒物质的运移及快速堆积的沉积物在固结过程中的成层现象。得到了固结过程中土体破坏时形成的裂隙是微层后生发育的重要条件。另外，细粒物质的聚集导致土体级配变好，土体的粘聚力增大可能是硬层后生成因的重要微观物质基础。
(5)孔隙水压力监测结果表明，细粒物质的运移是循环荷载导致海床不同深度处超孔隙水压力不同，进而形成渗流场的缘故。海床土体的重复液化加剧了成分和微结构的调整。
通过本次研究，论文得出了一些创新性的认识。如海床土的空间各向异性．包括深度方向的微细层理及表层淤泥，可能是原生沉积作用所致，也可能是后期改造形成，亦或两者综合作用的结果；在循环荷载作用下沉积物成分和结构随时间发生变化，不同深度的变化情况不同，主要集中在超孔隙水压力极值区以上部位；潮坪上广泛发育的硬壳层形成是循环荷载作用下海床粉质土固结过程中微结构逐渐调整，强度逐渐提高的结果，其沿深度方向的不均匀性与具体的微结构状态有关。
黄河三角洲;循环荷载;河口沉积物
中国海洋大学
硕士
环境工程
贾永刚
2006
中文
P736.41
77
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）