（环境工程专业论文）循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究.pdf

循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 摘要 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：1 4 1 7 2 0 8 8 8 ) 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1 9 6 4 1 9 7 6 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1 m 范围内粉质 土的重复液化和强度变化规律；采集振动前后l 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： ( i ) 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l 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l 米深度范围内导致海床士的粒度成 分和微结构发生改变：表层4 0 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；4 0 一7 0 厘米变化趋势相反；7 0 厘米以下土体受振动影响不明显 一一( 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。 关键词：黄河三角洲粉质土循环荷载成分与结构动态响应 ， 一 ， n t r a n s f o r m a t i o no fg r a n u l a rc o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo f s n td u et oc y c l i cl o a d i n gi ny e l l o wr e s t u a r y c h i n a a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni s s p o n s o r e db yt h ep r o j e c t o fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o np r o j e c tf o r m a t i o na n df a i l u r eo fh a r dc r u s to nt h es u b a q u e o u sd e l t ao f y e l l o wr i v e r ( c o n t r a c tn o ：1 4 1 7 2 0 8 8 8 ) a n di t sa i mi st os t i l d yt h et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s so fg r a n u l a r i t yc o m p o s i t i o na n dm i c r o s l r u e t u r eo fs i rd u et oc y c l i cl o a d i n g i t i sf o u n dt h a th a r dc r u s td e v e l o p e dg e n e r a l l yo nt h et i d a lf l a to fy e l l o wr i v e re s t u a r y a n dt h eg r o w t hg r a d ea d a p tt ot h eh y d r o d y n a m i ca c t i o n ，b u tt h em e c h a n i s mo ft h i s c h a n g ep r o c e s si su n k n o w n w h a ti sl i k e l yt oc h a n g ea b o u tt h ec o m p o s i t i o na n d m i c r o s t r u c t u r eo ft h es e a b e ds i l tu n d e rc y c l i cl o a dl i k ew a v el o a d ，i sr e l a t e dn e a r l y t ot h es e a b e d sg e o l o g ye n v i r o n m e n ta n dt h eg e s t a t i o no ft h eg e o l o g yd i s a s t e r i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ev a r i a t i o no fs e d i m e n t sc o m p o s i t i o na n dm i c r o s u u c m r ei sa n a l y z e d o nt h eb a s eo ff i e l da n di n d o o rt e s ta n dt h ei n t e g r a t i o nw i t ht h ef r a c t i o n a lg e o l o g y t h e o r y v 1 r s to fa l l , t h ef o r m a lf i e l ds u r v e yd a t ai sg e n e r a l i z e da n dt h ev a r i a t i o no f s e d i m e n tc h a r a c t e rd u et od i f f e r e n th y d r o d y n a m i ca c t i o ni sd i s c u s s e d ；o nt h i sb a s e 9 t h el a t e rf o r m a t i o nc a u s eo ft h es e d i m e n t sl a y e ra n ds u l l a g ee v o l v ei ss t u d i e d t h e p i v o to ft h ed i s s e r t a t i o ni st h ef i e l dp h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s t ，f i r s t ，t h et y p i c a la r e a w a sc h o s e no nt h et i d a lf l a to fy e l l o wr i v e re s t u a r yw h e r eh a r dc r u s td e v e l o p ， s i m u l a t i n gw a v el o a dt e s tw i 吐ial i g h tc o m p a c t o rw a gc a r r i e do u tt os t u d yt h er e p e a t l i q u e f a c t i o na n dc h a n g el a wo f c r u s tl a y e rw i t h i no n em e t e rt h r o u g ht h em o n i t o n n go f p o r ew a t e rp r e s s u 他a n di n s i v as o i ls u - e n g t hm e a s m ；w et o o kt h eu n d i s t u r b e d c o l u m n i a f i o ns a m p l eo f1m e t e rb e f o r ea n da f t e rc y c l i cv i b r a t i n ，t h em i c r o s u u c t u r eh a s b e e no b s e r v e dw i t hs e ma n dt h et r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a n u l a r i t y h a v eb e e nc o n t r a s t e de v e r y1 0 锄；o nt h i sb a s e ，w ed i s c u s st h er e l a t i v i t yb e t w e e n d y n a m i cr e s p o n s ea n dm i c r o s t r u c t u r e , a n da l s od i s c u s st h eg a u s ef o r m a t i o no fh a r d c r u s tf r o mm i c r o s t r a e t a r ea n g l e a f t e rt h ep l e n l l f t f lf i e l dt e s t , t h es e d i m e n t se v o l v ei s s t u d i e dt h r o u g ht h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ni nl a b o r a t 哪a tl a s t , w ed i s c u s st h e p r m c i p i n mm e c h a n i s mo ft r a n s f o r m a t i o no fs i l t sg r a n u l a r i t ya n dm i c r o s n u c t u r e m t h r o u g ht h ev a l u eo f p o r ew a t e rp r e 豁u l r e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h es t u d yr e s u l t s as e r i e so f c o n c l u s i o nc a nb e d r a w n 1f i e l ds u r v e yr e s u l t si n d i c a t et h a th y d r o d y n a m i c sh a v e 扣e f f e c t i v er e b u i l d i n f l u e n c e0 1 1t h ec h a r a c t e ro f s e d i m e n t , s m a l lg r a n u l a rs u r g eu pf o rt h es a k eo f 一一 h y d r o d y n a m i e s ：t h e a v e r a g e g r a i n o f t h es u l l a g e o f t h e8 u i f a c e l a y e i s a m o n g t h e s m a l l 咖o f t h e f r o n tm e n t i o na n dt h em a t t e rd u et ob i o l o g ya c t i v e ；t h i c k n e s so f s u l l a g ei sr e l a t e dn e a r l yt ot h es t r e n g t ho ft h e 姗d ：a tt h e 蛐et i m e , t h el a y e r p h e n o m e n o nh a sad i s t i n c t i v ec h a r a c t e rw i t i lal a t e rf o r m a t i o nc h a r a c t e r 2 耵圮f i e l dr e s u l t sr e v e a l e dt h a tg r a n u l a r i t yd i r e c t i o ns t r e n g t h e n e da n dt h el o n g a x 嚣h a sap e r p e n d i c u l a rt r e n de x c e p t3 0 锄；跚咀g r a n u l ew i l lb e 舰n s f e f r e da n d g a t h e r e di n 删n 卸脚a b o v e4 0 c m s 0t h ea s y m m e t r yc o e f f i c i e n tr i s ea n dt h e g r a d a t i o nw i ub eb e t t e r e d ，b u tt h ec h a n g eo fs o i lo t h e rp a r t sf r o m4 0 - 7 0 e m i sq u i t eo n t h ec o n 虹a r y ；田屺e l 垭n g e so f t h eo t h e rp a r t su n d e r7 0c ma n o to b v i o u s l y 3n es e d i m e n t sd y n a m i cr e s p o n s ei sr e l a t e dn e a r l yt oi t sm i c r 0 ：s t n m t u r e a c c o r d i n gt oc o m p a r et h e i rr e l a t i v i t y , w ef o u n dt h a tt h ef o r m a t i o no ft h eh a r dc r u s t i st h er e s u l to ft h es o i l sm i c “搭m l c t i l r ea d j u s t m e n ta n dt h es t r e n g t he n h a n c e d g r a d u a l l yu n d e rc y c l i cl o a d i ) l l r i n gt h ea d j u s t l l l e n tp r o c e 鸽，p o r er a t i oa n dg r a n u l a r c o m p o s i t i o np l a yi m p o r t a n tr o l e s ，t h ea s y m m e t r yp r o s p e r i t i e so ft r a n s f o r m a t i o na l o n g d e p t h i sr e l a t e dt ot h ei d i o g r a p h i ee l 珀n g eo fs e d i m e n t sn d c r o s 扛i i c t i l i na d d i t i o n , t h ef i q u e f a e t i o nb r e a ko f l 谊r dc r u s ti sr e l a t e tn e a r l yt ot h e $ 1 l l ll a y 盯f o r m e dd u r i n g 、t h e p i d c e s so fd y n a m i cr e s p o n s e a sar e s u l t , t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n d t h e a d j u s t m e n to f m i c r o s 缸 u c t u r ei sc o u p l i n ge a c ho t h e r 4l a b 讲 a t o r yp h y s i c ss i 】咖l 蜥o nt e s tp r o v e i ep h e n o m e n o no f 蛐1 1g r a m l l 牡i n ，t h es e a b e d ：m s p l o r l a d o n锄dt h ef o r m a t i o no f l a y e rd u r i n gt h e c a 嘶o no f ，s e d i m e n t f o r m e ds p e e d l ya n dc i l m u l a t e d w ef o u n df 1 1 a tt h ec r a n n yf o r m e dd u r i n gt h e p r o c e s s o f s e d i m e n t s c o n 删o n i s 柚e l e m e n t a r y f o u n d a t i o n o f t h e l a y e r s l a t e r ，7 ， f o r m a t i o n 。 5i n - s i t em o n i t o r i n gr e s u l t so fp o r ew a t t 薯p r e s s u r ei n d i c a t en l a tt h et r a n s p o r t a t i o n o fg r a n u l em a y b ed u et ot h er e p e a tl i q u e f a c t i o no fs e a b e da n dt h ev a r i a t i o n so f s e e p a g ef i e l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o m en e w p o i n t sa z cg o t f o re x a m p l e , t h es p a c ea n i s o t r o p yo f s o i li ns e a b e di n c l u d i n gm i n u t e n e s sl a y e ra n ds u r f a c es u l l a g ea l ec a u s e de i t h e rb y 嘶g i n a l8 e d i m e l l tp r o c e s so rb yl a t e ra l t e r n a t i o n ，o rb o t ho ft h e m t h ec o m p o n e n t a n d m i c r o s f f u c t u r eo fs e d i m e n ta l o n gd 印出w i l lc h a n g eu n d e rc y c l i cl o a d ，w i t hm o s t l y v a i l a f i o nc o n c e n t r a t e da b o v et h ee x t r e m u mz o n eo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e t h e r ei ss o m ep o s s i b l ec o n n e c t i o nb e t w e e ns i l to nt h es u r f a c e 。s u b t l el a m i n a t i o na n d h a r dc r u s t ；t h ev a r i a t i o nl a wd o e sn o tc h a n g e 晰t l it h et i m eo f h y d r o d y n a m i ca c t i o n b u rr sd u r a t i o nc 缸l e a dt ot h eu n i f o r m i t yo f 簪a i n s 。t h ef o r m a t i o no ft h eh a r dc r u s ti s t h er e s u l to ft h es o i l sm i c r o s t r u c t u r ea d j u s t m e n ta n dt h es t r e n g t he n h a n c e dg r a d l l a l l y u n d e rc y c f i cl o a d , t h ea s y m m e t r yp r o s p e r i t i e so f1 i a n s f o r m a t i o na l o n gd e p t hi sr e l a t e d t ot h ei d i o g r a p h i cc h a n g eo fs e d i m e n t sm i c r n s l r u t t u r e h ，l o r d s is ii to f y e li o wri v e te s t u a r y g r a n u i a ri t yc o 1 p o s i t i o n ， n l i c r o s t r u o t u r ec y o ii ci o a d ；d y n a m i or e s p o n s e 。 v 独创。声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅邃直基焦孟墨挂型直明 的：查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韶洌1 签字日期：岫年6 月务日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存，汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：劫刚 签字日期：2 ，e 年月6 日 学位论文作者毕业后去向： 盔为 嚣。壬；耀坼 通讯地址“ 宜 参印喇型# e 。7 专 导师签字 签字日w 年月廖日 登? 鬈| j ，j 中吨 邮编。争声够 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 l 研究现状与研究思路 1 1 河口沉积物成分和结构的研究现状 1 1 1 海床的动态响应和海床土结构的关系 河口是陆地和海洋交汇的特殊区域，河口沉积物受到的外力作用主要有河流、 潮流和波浪等循环荷载，以波浪作用为主关于波浪作用下海床沉积物的动力响 应国内外学者开展了诸多的研究工作，主要集中在波浪导致海床中应力状况，变 形分布、土体物理力学性质变化，液化与强度破坏，及波浪对海床表面的改造小”， 其中也涉及了海床士不同成分和结构在动态响应过程中所起到的独特作用然而， 波浪循环荷载长期作用下。海床土的成分。结构会发生怎样的变化，目前的研究。 尚有待深入。 。 在考虑波浪加载下的海洋土的动态响应时。其物理特性以及微观结构扮演着 非常重要的角色。海洋土的工程性质主要依赖于沉积物的组成，比如沉积舻物的 类型、，形状以及颗粒大小的分布我们知道，不同类型的沉积物和波浪的相互作 用的结果也有很大的不同，以粉质士为主的河口三角洲地区动态响应中经常出现 一些奇异的力学现象。f o d a 和t z a n g 的实验研究表明。砂土和粉士底床中孔隙水压 力随深度的变化是不同的。在砂土质底床中测得的孔隙水压力随深度变化比较平 缓。没有明显的突变，而在粉土质底床中孔隙水压力变化剧烈。有时还会出现共振 现象，使粉土质海床液化并伴有羽状的沉积物从底床中喷出，造成底床塌陷“一正 是这两种不同类型的沉积物，使得底床对加载波的响应也不同，如底床的运动方 式、底床的液化或流化的力学机制、波浪衰减的特点等等这些奇异现象的力学 机制与海床土的三相组成有关海洋沉积物孔隙的大小依赖于沉积颗粒的分布，其 结构主要取决于沉积物的性质g o d d a r d 发现。由于土骨架周围的一些细颗粒土在 外力振动下会脱离土骨架，从而在土体中形成了一些比较大的孔穴从粉土微观 结构的研究可知，粉土中的细小颗粒对粉土土骨架的刚度、土层的孔隙率以及孔隙 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 水的渗透率都起着决定性的作用“”b e n n e t t ( 1 9 9 0 ) 从他们现场实地测量和实验 室数据研究中发现加。细颗粒在整个沉积物中所占的百分比影响着土的特性。如果 在床面附近的土层中细颗粒仅占到1 0 2 0 时，就会使得沉积物中的孔隙急剧增 加，从而完全改变海床对波浪的响应一 一一。 1 1 2 河口沉积物成分和结构变异的研究现状 对于海床沉积物的粒度组成，大量研究集中在沉积物形成时水动力环境对粒 度成分的决定作用及物质来源分析上如研究表明，北海沿岸及其河口地区潮闻 带沉积物以砂质沉积物为主【1 ”，亚马逊河三角洲潮间带沉积物主要为粉土和粘土 e 1 2 大西洋海岸1 ) e l m a r v a 半岛一侧的湿地表层沉积物主要处于粉粒和粘粒范围“4 ， 中国江苏省沿岸潮坪沉积物以粉土为主“”f 沉积物的沉积与运移主要取决于紊流 的能量，水平流速以及颗粒沉降速度n 5 1 ；潮流控制的地区。涨潮过程中。大量悬 浮沉积物和细粒物质可被潮水顶托携带至低能量区域而沉积，如果潮流流速较慢 而沉积较为迅速，那么沉积物在初始沉积后将不会再次悬浮n 5 有关水动力作用 对已有沉积物的成分改造研究较少，主要集中在波浪作用对滩面沉积物的粗化现 象“删，如薛允传等通过对黄河三角洲北部潮间带两研究断面沉积物粒度成分的分 析发现，波浪作用下，由高潮位到低潮位，沉积物粒径变细，分选变差。 关于水动力等沉积环境对沉积物结构和微细层理的的决定作用，已有研究较 多，且相对成熟如张富元、李军等根据南海东部表层沉积物的粒度组成和粒度 参数多元统计分析结果和典型粒度分布，结合有关资料，探讨南海东部海域沉积 物粒度分布特征、沉积物运移方式和沉积环境啡蜊；对于垂向上由于粒度成分和结 构特征的改变而在潮坪上广泛发育的微细层理现象，范代读，r e i n e c k ，d a l r y i n p l e 等认为砂泥互层是一次涨落潮作用形成的一1 l 任美锷等认为砂泥互层是大小潮旋 回的结果嘲；许世远、李铁松，李从先等则认为砂泥互层的形成与风暴潮有关洲 这些学者的成就对于恢复和认识古沉积环境无疑具有十分重要的作用。 有关波浪作用下沉积物成分发生的改变，d a v i d h 调查了包括潮间带、潮下带 和深海许多地区中有关沉积物在深度方向上的输送闯题，并针对波士顿港探讨了 z 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 生物作用下沉积物上下传送的机制。建立了颗粒上下传送的模型嘲 1 2 黄河口潮坪典型沉积物特征和结构研究现状 黄河是举世闻名的多泥沙河流，其每年输送到河口的泥沙有1 1 1 矿吨左右 。巨量的泥沙入海为黄河三角洲的形成和发育提供了丰富的物质基础。黄河尾闯 善迁，多次改道形成的三角洲相互叠置形成了现代黄河三角洲体系。在黄河三角 洲地区。发育了三类典型的潮坪沉积物：浮泥、铁板砂和微细层理现象。 据研究，浮泥的发育需要有适当的条件：丰富的沉积物物源、合适的水下地 貌条件，以及相对较弱的水动力环境在黄河三角洲近岸海域均有浮泥存在，其 呈平行岸线条带状分布现行河口南北两侧条带明显变宽，浮泥分布范围加大。 黄河入海口射流段及水深浅于3 m 的浅海底浮泥不发育，以外出现浮泥嘲。浮泥的 发育会引起一系列诸如堵塞航道等不良后果嘲，因此引起了广大学者的关注。关 于河口区淤泥层的形成，一般认为与细颗粒泥沙来源及特性，径流与海潮流相互 作用下水动力环境、细颗粒泥沙絮凝，以及风浪和人类活动有关啪1 。其形成机理 大多数学者认为河水入海后咸淡水的混合絮凝作用促使了细颗粒物质之间的粘 聚，导致颗粒增大，入海后流速减慢，流速( 尤其是底流速) 的减小导致了水流挟沙 能力降低，部分泥沙下沉，或者是波浪的扰动导致底床沉积物的再次悬浮，经过 潮流的搬运后细粒物质再次发生沉降所致咖1 ，对于沉积物在水动力作用下演化过 程中物质分化所做出的贡献重视不足。 大量的工程调查表明，黄河三角洲粉土体海床普遍发育了一显著的沉积物硬 层，俗称。铁板砂”其厚度不等，大致2 米左右一般认为其沉积物颗粒较粗， 以砂质粉土、粘质粉土为主，具有中一低压缩性，低含水量，相对较高的抗剪强 度，标贯击数7 - 9 击，处于超固结状态吼1 铁板砂常直接作为海底平台海底管 线等的持力层，具有及其重要的地位但在波浪等水动力作用下，硬壳层常易破 坏，导致建筑物失稳，造成重大的经济损失，从而吸引了越来越多的研究者来探 讨其成因及破坏的机制关于。铁板砂”的成因，m o r g a n 和c o l e m a n 在对密西西 比河水下斜坡研究的基础上，提出了原生沉积成因模式，即快速沉积的、密度大 3 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 的河口沙坝形成了三角洲顶部的硬壳层，前三角洲相的细粒沉积形成了下卧软弱 层，软弱层在其上部不均匀荷载作用下，发生应力均衡调整，软弱的粘土质沉积 物被挤压向上，作为底辟侵入到上覆该层物质中。导致硬壳的破坏咖李广雪等 利用类似成因对黄河口刺穿体进行了描述和研究洲前人研究，多是着眼于沉积 过程中导致的沉积物粒级差别，对于沉积体形成后在经历长期水动力改造后的变 化少有提及 此外，黄河口潮坪上微细层理现象也广泛发育，如1 1 所述这种现象的成因， 多数学者认为潮流沉积作用所致 近几年，环境岩土工程组针对黄河口粉质土土体性质及灾害问题进行了较为 系统的研究贾永刚等发现硬壳层广泛发育，在循环荷载作用下非均匀固结以及 及海床士强度的丧失与恢复规律删；单红仙、张建民等研究了黄河口粉质土的快 速固结情况”关于海床土粒度成分在外力作用下改变问题，单红仙等研究了黄 河口同期形成的沉积物经受不同水动力作用改造后土体微结构变化，推测海床粉 土中细颗粒物质可能向上传输汹；贾永刚等探讨了生物活动参与下黄河口滩面沉 积物粒度成分的改变；贾永刚、王俊超、付元宾等为了充分认识黄河口层化土 体特征及其发育状况，选择不同时期形成的沉积叶瓣，在其上典型位置采取一定 深度原状样，并在相应叶瓣上分别布置测线，研究了水动力条件差异导致潮坪土 成分和结构的变化，发现不同时期形成的三角洲叶瓣潮坪上。i 米深度范围内的海 床土层化特征明显，并具有典型的分形特钳“捌；贾永刚、史文君、王俊超等对形 成于不同时期三角洲潮坪上的硬壳层的成分和结构进行了系统的研究和总结， 发现硬壳层沉积物中细砂粒、粉粒和粘粒都有一定数量的分布，但各粒级的沉积 物含量变化范围较大：砂粒含量相对较少，平均1 6 7 2 ，粉粒占主要地位，含量 介于4 4 4 3 - 8 6 9 9 ，平均7 2 5 9 ，粘粒平均9 9 ；沉积物颗粒较为均匀，粒间多 以颗粒骨架直接接触。少有碎屑物质填充或附着。沉积物颗粒有一定定向性排列 趋势。长轴优势方向与水平方向呈中到大角度相交。 。 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 1 3 存在问题 三角洲地区以粉质土为主，波浪加载下的动力学行为独特，其力学特性远非 弹性或刚塑性，具有非常复杂的非线性特征，已有数值分析采用的本构模型实际上 是针对饱和扰动土和砂土( 无结构强度土体) 的，缺乏对土体结构特征及其演化规 律的描述，不能准确解释底床对加载波的响应，如底床的运动方式、底床的液化 或流化的力学机制。岩士工程组研究发现黄河口沉积物在横向和垂向上物理力学 性质的非均匀性形成机制等问题至今也没有得到完全解决 对于黄河三角洲潮坪上广泛发育的表层淤泥。微细层理及铁板砂等三类典型 沉积物的认识及成因的探讨均建立在沉积学理论上，认为层理和淤泥质物质是外 来物质在不断变化的水动力条件下，由于运移能量的改变而沉积形成的。对于原 始的沉积物在经历了长期的水动力作用下。固结过程中所发生的变化却很少提及； 对于沉积物在水动力作用下演化过程中物质分化所做出的贡献重视不足。基于现 场工作中沉积物在振动及波浪作用下一系列特殊现象的观察与认识，作者认为水 动力对于沉积物长期的后期改造作用对于纹层的形成所起的作用也不可忽视。此 外，波浪等水动力长期作用下，已有的海床沉积物粒度组成和结构将发生怎样的 变化等问题目前也尚不清楚，这些问题关系到海底工程地质环境的动态变化，对 于探讨工程地质条件稳定性，对深入探讨振动液化以及周期性载荷变化导致海底 地质灾害发生机理等方面都有重要的研究意义。 1 4 本文的研究思路 综观前人关于纹层的认识及成因的探讨均是基于传统的沉积学理论，纹层的 出现是由于外来物质在不断变化的水动力条件下，由于物质运移能量的改变而沉 积的。对于原始的沉积物在经历了长期的水动力作用下，固结过程中所发生的变 化却很少提及基于现场工作中沉积物在振动荷载及波浪作用下，一系列特殊现 象的观察与认识，作者认为水动力对沉积物长期的后期改造作用中，沉积物所发 生的变化对于纹层的形成所起的作用也不可忽视此外，波浪等水动力长期作用 ， 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 下，已有的海床沉积物粒度组成将发生的变化及其与水动力作用强度、沉积物类 型、作用时间等的关系，目前的研究尚不清楚。这将关系到海底工程地质环境综 观前人关于纹层的认识及成因的探讨均是基于传统的沉积学理论，纹层的出现是 _ 由于外来物质在不断变化的水动力条件下，由于物质运移能量的改变而沉积的。 对于原始的沉积物在经历了长期的水动力作用下固结过程中所发生的变化却很 少提及。基于现场工作中沉积物在振动荷载及波浪作用下，一系列特殊现象的观 察与认识，作者认为水动力对沉积物长期的后期改造作用中，沉积物所发生的变 化对于纹层的形成所起的作用也不可忽视。此外，波浪等水动力长期作用下，已 有的海床沉积物粒度组成将发生的变化及其与水动力作用强度、沉积物类型、作 用时间等的关系，目前的研究尚不清楚。这将关系到海底工程地质环境 土体微结构是土体物理力学性质的微观基础，是沉积环境，士颗粒性质以及 沉积后各种外力因素综合作用的最终产物渊广义上看，土的。微结构”不仅包 含结构体形态特征，而且还包括士的物质成分，结构联结特性等方面1 要揭示 黄河口沉积物在动态响应过程中显示的不均匀性，揭示上述典型沉积物的特征及 后生成因机理，有必要对循环荷载前后的微结构变化进行对比研究，并同海床特 有的动态响应进行关联性分析 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。首先选择典 型研究区域进行现场调查研究，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；利用现场振动模拟循环荷载，研究了l 米 深度范围内海床沉积物成分和结构在循环荷载作用下的变异情况；研究了循环荷 载作用下海床土工程地质环境的动态变化，结合不同深度微结构的变异情况探讨 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l 。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 o 1。 一 回顾已开展的工作，我们进行了开拓性的尝试，并取得得了一些初步的认识， 部分研究成果已被海洋地质与第四纪地质和岩土力学接收发表相信随 6 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 着研究的不断进行，更加有意义的认识和成果一定会涌现。 通过分析本论文得出了一些认识，并进行了一些讨论，但由于本人水平所限， 论文中纰漏和错误在所难免，恳请各位同行专家不吝赐教，提出宝贵意见。 2 水动力导致沉积物特征变化的现场调查研究 公元1 1 2 8 年至1 8 5 5 年黄河注入黄海。1 8 5 5 年6 月黄河在河南兰阳铜瓦厢决 口，从此黄河再次注入渤海，在山东北部形成了现代黄河三角洲，通常称其为黄 河三角洲。现代黄河三角洲陆上部分以垦利县宁海为顶点，南至淄脉沟，西至徒 骇河，至1 9 8 4 年形成面积约5 2 1 2 k m 2 的三角洲平原( 图2 1 ) 。黄河自1 8 5 5 年改 由山东入海以来，由于缺乏人为的控制常呈漫流的态势，在此过程中逐渐形成稳 定的河道即通常所说的流路。黄河至今共发生七次改道，形成八期流路( 图2 - 1 ) 【4 7 1 现代黄河水下三角洲是黄河1 8 5 5 年改道入渤海以来形成的三角洲堆积体。 图2 - 1 现场调查研究区位置与工作布置 现代黄河水下三角洲是我国独具特色的河口高速沉积区在现场调查过程中， 我们发现浅水环境下有大量的细粒物质上涌，这些细粒物质和生物活动等原因形 “ 7 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 成的细粒物质与表层淤泥共生( 图2 _ 2 ) 。此外还发现了广泛发育的微细层理现象 ( 图2 3 ) ，这些微层厚度、形态各异( a ) 的分选较差，( b ) 为振动上涌细粒聚 集，( c 分层现象明显，有韵律分层。也有不规律分层现象， 图2 - 2 各种表层细粒物质 图2 - 3 水动力作用下沉积物发育的形态 l 循环荷载导致黄河口沉积物成分和结构变异的研究 正如研究现状所指出的那样，在探讨淤泥和层理的形成原因时，多数学者都 是从传统沉积理论出发，从原生的成因角度进行研究；对于沉积物堆积后，在波 浪等循环荷载作用下固结过程中其成分结构状态可能发生的变化研究不甚深入。 为了探讨水动力作用下沉积物固结过程其成分和结构可能发生的演化，我们 选择典型的研究区( 图2 1 ) ，于1 9 9 9 年和2 0 0 2 年对该区进行了现场的调查对比 研究，试图从一个真实的空间尺度和时间尺度上研究波浪作用对黄河口潮坪沉积 物特征的后期改造该研究区在1 9 9 5 年以前水动力条件完全相同，一条因石油开 采而在中潮坪修筑的道路，导致其两侧水动力条件发生了显著的改变。相同的初 始条件，不同的水动力条件。足够长的波浪作用时间，水深极浅的中潮坪这一 切使研究工作具有典型性和可行性。 2 1 典型研究区概况 研究区选在黄河1 9 6 4 - 1 9 7 2 年阅由刁口流路入海沉积形成的现代黄河三角洲 北部的潮坪上( 图2 1 ) 区内高潮时水位l m 左右低潮时整个潮滩露出水面，这 为现场工作的开展提供了有利的条件。研究区所在海域主要是风浪，波浪大小随 风速而交化根据统计资料。强浪向为n e 向，次浪向为n n w 向，常浪向为s 向。 一般天气条件下波高不超过1 s m ，极端海况下波高可达到5 8 m 。潮流基本属于正 规半日潮，最大潮流流速大于1 2 0 c m s w 。在研究区内有两条为开采极浅海石油而 铺设的道路，一条基本垂直岸线向海延伸，另一条通向井场，如图2 - 3 所示。通向 井场道路的修建使得路北侧水动力条件明显强于路南侧据环境岩土工程组2 0 0 2 年5 月1 9 日、2 0 日的测量结果，道路北侧潮坪区的1 l o 波高、有效波高、最大 波高分别为1 9 c m 、1 5 c m 、2 5 c m ，最大潮流流速为3 1 6 c m s 道路南侧潮坪区的1 l o 波高、有效波高、最大波高分别为8 c m 、6 c m 、l l