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粉质土在波浪循环荷载作用下容易发生液化，特别是河口三角洲地区，粉质土海床由于沉积固结时间短，受到强风暴浪作用，将更加容易发生液化失稳[1]。液化失稳及其伴生的地质灾害将直接危害此区域内大量油气平台、海底管线以及海底电缆的正常运行，导致严重环境问题和经济损失。如1969年美国密西西比三角洲受卡米尔飓风影响，B石油平台发生翻倒，造成上亿美元的经济损失[2-5]。Prior和杨作升等在20世纪80年代对我国黄河水下三角洲实地勘察资料也反映出海床液化失稳现象，特别是前缘斜坡上，塌陷凹坑等地貌的富集存在，应该是海底土体液化后的遗存，其对这些地貌有详细描述[6, 7]。室内试验对波致粉质土液化问题已经做了大量的模拟验证和计算分析[8-13]，初步给出了粉质土液化判定条件、液化过程、液化后海床地貌形态及工程地质条件。
虽然前人对波浪作用下粉质土液化问题做了大量的现场调查或室内试验，对其形成机理与过程有了初步的认识，但缺少液化过程中粉质土的物理力学性质变化的直接数据证实(已有波浪水槽试验中仅进行了含水量和密度的测试工作[14])。在已经开展的底床液化波浪水槽试验中，发现波浪导致的粉质土液化过程可以分为液化发展和液化沉积两个过程[15, 16]，而液化土体的物理力学性质在此两个过程中的变化没有进行分析。本文利用黄河三角洲的粉质土制备波浪水槽试验的底床，模拟波浪作用下粉质土底床液化失稳的水槽试验研究，对处于液化发展和液化沉积过程中的底床土体进行取样和贯入阻力试验，获得粉质土物理力学性质在液化过程中随时间的变化规律，进一步研究其液化过程中的性态变化。
1. 试验装置与底床
本文研究开展的波浪水槽试验重复进行了两次，两次试验过程一致，结果有良好的再现性，本文主要对第二次试验进行总结。
开展试验的主要设备是波浪水槽，在试验造波中形成Stokes波。底床布置见图 1(本试验同时进行液化粉质土从源区出流状态观察的试验，设置了活动挡板，将试验底床分隔成两个区域，即平整底床区和斜坡底床区，本文的测试取样工作主要在产生液化的平整底床区进行)。试验用土为取自黄河三角洲的岸滩原土，试验前测得其基本物理性质为：粒径0.075~0.005 mm的颗粒含量占84.66%，小于0.005 mm的占9.6%(见图 2)，塑性指数为7.5，确定本试验用土为粉土(本文称为粉质土)。
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首先将粉质土在室内风干，碾压成粉末。为保证试验底床均匀一致，先在水箱中将土重塑制成均匀的高浓度浆体，含水量为33.5%。然后用顺板滑塌方法分批移入水槽中，制成试验底床。平整底床长2.6 m，高0.6 m，宽0.5 m；斜坡底床长1.3 m，坡度设置为1°，最厚处0.1 m。再加水至0.4 m水深，固结7天后，开始试验(表 1)。
Table 1. Summary of soil properties of test soil bed
| 中值粒径d50/mm | 土体密度/(kg/m3) | 含水量/% | 黏粒含量/% | 颗粒比重Gs | 孔隙比e | 塑性指数Ip |
| 0.041 | 1792 | 33.5 | 9.6 | 2.7 | 1.0 | 7.5 |
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2. 试验过程与现象
加波前，底床经过7天的静置固结，床面下降约2 cm。施加波浪前对底床取样及测定贯入阻力(本文将开始加波试验的时刻定为0 min；取样用自制活塞式取样器；贯入阻力测定用普氏贯入仪)。底床取样和贯入阻力测定完成后马上进行加波试验，施加的波浪要素：波高H为14 cm，波长L为2.6 m，波周期T为1.53 s，第二次试验波浪作用2.0 h(第1次试验波浪作用1.5 h)。在加波后的50 min、80 min、120 min及停波后的220 min 4个时刻，重复进行加波前的取样和贯入阻力试验操作。利用贯入阻力测试和取得的样品，得到不同时刻底床的贯入阻力值及土样基本物理性质指标(含水量、黏粒含量、中值粒径及密度)，每个时刻的取样与贯入阻力的测试位置都在底床沿波向的相同断面上，取样和贯入阻力测试位置与上一次位置相隔1~2 cm以保证测试位置的原状性。每次取样为一个点位，贯入阻力测试为两个点位，试验点位距离水槽边壁大于5 cm，以减少边壁效应对测试结果的影响(取样或微贯测试位置与时间见图 3、表 2；具体试验情况参见文献[16])。
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Table 2. Test time and positions of test items
| 测试指标 | 试验位置 | 测试或取样时间/min | ||||
| 0 | 50 | 80 | 120 | 220 | ||
| 贯入阻力 | 180 cm、220 cm | √ | √ | √ | √ | √ |
| 含水量 | 200 cm | √ | √ | √ | √ | √ |
| 黏粒含量 | 200 cm | √ | √ | √ | ||
| 中值粒径 | 200 cm | √ | √ | √ | ||
| 土体密度 | 200 cm | √ | √ | √ | √ | √ |
| 注：试验位置为距底床左侧边界的距离。 | ||||||
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试验中观察到，施加波浪作用初期，平整底床表面部分土体颗粒开始悬浮于水中，少量粗颗粒贴着床面随波浪做往返运动，上覆水体下部开始变浑浊，几分钟后整个水体呈现出均一的淡褐色。因底床已固结7天，在试验条件下形成的波浪难以使土体发生液化。之后对平整底床进行人为扰动，扰动后平整底床区迅速发生液化，在波浪作用下液化深度快速增加到最大值(约40 cm)，液化流动粉质土随波浪协调运动(此时抽取活动挡板，液化粉质土开始在斜坡底床上流动)。随着试验进行, 液化底边界逐渐清晰，60 min时液化底界面开始出现横向粗细相间的纹路，液化底界面开始不断上移。2 h后平整底床区表层尚有25 cm的液化土体处于运动状态，停止加波，底床开始固结。试验过程进度见表 3。
Table 3. Testing schedule
| 时间 | 现象 | 工作事项 |
| 0 min | 底床未液化 | 取样、测贯入阻力值、开始加波 |
| 3 min | 上覆水体基本呈均色，底床开始液化 | 人为扰动平整底床区 |
| 8 min | 液化深度到达最大值，约40 cm。 | 抽取活动挡板 |
| 50 min | 平整底床区液化粉质土随波浪协调运动，斜坡区流动粉质土逐渐成层沉积。 | 取样、测贯入阻力值 |
| 60 min | 平整底床区液化底界面逐渐清晰，并有粗细相间纹路出现，液化界面开始回返上升。 | |
| 80 min | 平整底床区液化界面持续上升，再次沉积的底床出现沉积纹路。 | 取样、测贯入阻力值 |
| 120 min | 平整底床区尚有约25 cm深的液化土体。 | 取样、测贯入阻力值，停止加波 |
| 220 min | 底床处于再沉积固结状态 | 取样、测贯入阻力值 |
| 注：在试验过程中的60 min以前为液化发展阶段，其后为液化沉积阶段。 | ||
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