南海饱和软土单剪强度试验研究.pdf

： 詹云霞， 王建华 南海饱和软土单剪强度试验研究 水利水运工程学报， （）： （ ， ， （）： ） 第 期 年 月 水利水运工程学报 收稿日期： 作者简介： 詹云霞（），女，湖北仙桃人，硕士研究生，主要从事土动力学及海洋岩土研究。 ： . 通信作者：王建华（： ） 南海饱和软土单剪强度试验研究 詹云霞， ， 王建华， （ 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 ； 天津大学 岩土工程研究所， 天津 ） 摘要：采用应力控制的单剪试验对中国南海海域原状饱和软黏土的力学响应进行了研究，考察了不同应力水 平下软黏土的应力应变响应和强度特征。 结果表明：无初始剪应力时，当应变小于 时，循环应变增长缓慢且 稳定，超过 以后，循环应变迅速增长并达到破坏标准，因此可将循环应变达到 作为破坏标准，同时，动应 力比存在阈值，当动应力比小于 时，认为土体不会发生破坏；有初始剪应力时，应变向有初始应变一侧累 积，且无论是增加静应力比还是动应力比，都会引起应变累积加快，破坏振次减小，相对而言，动应力比对累积 应变和破坏振次的影响更明显。 最后给出了破坏振次为 次的强度包线，提供了安全的静、动应力比组合 方式。 关 键 词：单剪试验； 归一化剪切强度； 静应力比； 动应力比； 饱和软土 中图分类号： 文献标志码： 文章编号：（） 随着海洋油气能源开发逐步走向深海，对海上平台建设提出了更多的需求。 海上平台建设的关键在于 解决平台地基承载力和稳定性问题，这需要对平台基础底部地基土体的强度进行准确评价。 海上平台地基 在波浪和风暴的周期作用下产生超孔隙水压力，从而使土体承载力下降，甚至导致海底土体的滑动或地基失 稳，造成海工结构物的破坏。 波浪以及风暴荷载呈现出振幅和频率的不规律性，在实验室内较难模拟，一 般采用不同应力水平下具有恒定频率的等幅循环荷载来模拟复杂的自然环境荷载。 且单剪试验制样方 便，固结迅速，试样始终处于 固结状态，更能反映实际的受力状况。 研究不同应力水平下饱和软土的单 剪强度特征，对海工结构物的基础设计具有重要意义。 对于不同应力水平下黏土的单剪强度问题，国内外学者进行了初步研究。 黄永男等运用动单剪仪研 究了南海饱和软黏土的动强度特征，但未考虑初始剪应力对软黏土循环强度的影响，而实际工程中初始剪应 力的影响无法忽略。 等对 固结的 黏土进行了一系列不同静动应力组合的循 环单剪试验，得到了 黏土的强度特征。 等采用单剪试验研究了挪威软黏土的动强 度，主要考察了动应力幅值和循环频率两个因素对强度的影响。 等利用单剪仪对 固结原 状 黏土进行了一系列不同静动应力组合下的循环单剪试验，分析了 黏土的单剪强 度。 等利用单剪试验对日本海域 黏土的强度进行了研究，仅定性地指出动强度与竖 向固结应力有关。 虽然较多学者对软黏土的单剪强度进行了研究，但研究对象为某一特定海域的典型软黏土，考虑到不同 区域黏土的力学特性存在较大的离散性，研究成果并不完全适用于其他海域的黏土，故有必要对我国南海区 域黏土进行详细研究。 本文利用室内 型单剪仪，按不同的静、动应力比组合，系统研究了我国南海海域 饱和软黏土的强度特征，给出了不同静、动应力比组合下的强度特征，分析了静应力比和动应力比对动强度 水利水运工程学报 年 月 的影响；最后给出了南海饱和软黏土的强度包线。 试验方案 试验用土为典型南海原状海相黏性土，取自中国南海流花海域海底以下 . . 深度范围内，黏 性土总体属于全新统黏土，呈灰色，夹杂有油孔虫等生物碎屑，钙质含量较高，烘干后颜色泛白。 土样基本物 理性质指标为：含水量. ，天然重度. ，液限. ，塑限. ，塑性指数. 。 单剪试验采 用圆饼形土样，试样直径 ，高 ，采用环刀取样法切取获得。 循环单剪试验采用 电机伺服控制多功能单剪系统。 该仪器水平方向和竖直方向的加载能力分别 为 和 ，可沿两个方向分别施加静荷载或循环荷载，频率范围为 。 水平方向设有量程为 的 传感器；竖直方向装有 位移传感器和 传感器，量程分别为 和. 。 整套试验仪 器的控制与数据采集均通过控制计算机中的 软件实现。 通过约束环确保土样不发生侧向变形，实现 固结状态，在剪切阶段保持试样高度不变，在试样底部施 加水平方向剪切荷载，用等体积单剪试验模拟固结不排水单剪试验。 利用静单剪剪切强度 作为归一化因子对初始剪应力进行归一化处理，并定义该参数为静应力比， 记作 ；同理，定义动应力比为循环荷载幅值与静单剪剪切强度的比值，记作 。 通过不同的静、 动应力比组合模拟复杂海洋环境下土基的实际工作性状。 试验内容见表 。 表 试验内容 . 试验类型 试验个数破坏标准试验类型 试验个数破坏标准 静单剪试验 动单剪试验 . 动单剪试验 . . 对于静、动单剪试验的固结阶段，均按照规范 规定的相关试验步骤进行，根据试验土 体受到的前期固结压力，确保超固结比为 ，试验竖向固结压力统一选取 。 对于静单剪试验剪切阶 段采用应变控制，剪切速率为应变的 ，并以剪切应变达到 作为破坏标准。 动单剪试验循环剪切阶段采用应力控制，选取频率为 . 的等幅正弦荷载模拟南海海域内波浪荷 载。 按表 中动单剪试验安排进行试验，获得不同静应力比下的动强度曲线，绘制不同静、动应力比组合下 的强度包线。 对于静应力比为 的动单剪试验，以循环应变 等于 作为破坏标准，对静应力比不为 的动单剪试验，以累计应变 达到 作为破坏标准，见图 。 图 有无初始静应力时的应力应变曲线 . 第 期詹云霞， 等： 南海饱和软土单剪强度试验研究 图 归一化剪应力应变曲线 . 试验结果分析 . 静单剪试验 试验用土为南海原状饱和软黏土，分 段取样分装， 分别选取每段中部土样进行静单剪试验，获得相应的剪 切强度，通过竖向固结压力进行归一化处理，得到每段的 归一化剪应力剪应变曲线，见图 。 由图 可知：在剪切初始阶段，剪应力急剧增长，剪 应变增 后，剪应力趋于某一稳定值， 组试验平均值为 . ；不同埋深处试样应力应变曲线很接近，表明试验用土归一化特性较好，可作为同一埋深同一剪切强 度的均匀饱和软黏土进行系统研究，并用静单剪剪切强度 对动单剪试验加载条件进行归一化处理。 按照 的应变破坏标准对的部分试验数据进行处理，确定土体的归一化抗剪强度，并将结 果汇总于表 。 分析表 数据可知：南海饱和软黏土与天津渤海海域以及 区域黏土归一化抗剪强度 接近，但要比挪威海域的 黏土和重塑的 黏土分别高 . 和 . 。 这也进一步验证了 不同海域饱和软黏土的力学特性存在较大差异，研究南海饱和原状土强度特性很有必要。 表 国内外黏土归一化剪应力值 . 黏土塑性指数含水量 归一化剪应力黏土塑性指数含水量 归一化剪应力 黏土. 天津新港海积软黏土. 黏土. 中国南海海相软黏土. . . 黏土. . 无初始静应力的动单剪试验 进行了 个无初始剪应力的动单剪试验，发现不同动应力比的试验结果变化趋势比较一致，因此不重复 给出。 图 给出了比较典型的无静应力比，对称的双向循环应力动单剪试验结果（静应力比为 ，动应力比 为 . ）。 图 无初始静应力单剪试验结果 . 水利水运工程学报 年 月 图 （）为应变时程曲线，以 循环应变为破坏标准；图 （）为归一化孔隙水压力时程曲线，孔隙水 压力由剪切过程中轴向应力的减小量计算求得，并按竖向固结压力 归一化；图 （）为归一化剪应力应变 曲线（剪应力按静单剪剪切强度 归一化）；图 （）为归一化有效应力路径（竖向应力按竖向固结压力 归一化）。 由无静应力比的试验结果可得以下结论： （）双向对称循环应力作用下土样的应变也是对称的（图 （）。 循环应变存在拐点，当循环应变达到 之前（峰到峰为 ），循环应变增长稳定且缓慢，超过 以后，循环应变迅速增长并达到破坏，部分学 者认为此时土样开始出现破裂面。 剪切过程中累积应变基本为 ，循环应变达到破坏标准。 （）剪切阶段开始后，竖向应力迅速减小，孔隙水压力迅速增大，而后孔压增长速率逐渐变缓，最终达到 一稳定值（图 （）和（）。 （）图 （）显示应力应变滞回圈具有对称性，在剪应变达到 以后，滞回圈变得松散且割线剪切模量 随剪应变增大迅速减小。 因单剪试验循环荷载施加于水平面上，两个方向的应变基本一致，可以有效规避循 环三轴试验拉伸和压缩过程中明显的各向异性。 图 不同循环应变下的等应变包络线 . 根据无初始剪应力的循环单剪试验，绘制动应力比与振 动次数的关系曲线（见图 ），按循环应变 . ， ，为破坏标准整理试验结果，可得：循环应变为 （应 变拐点）对应的破坏振次与应变为 对应的破坏振次十分 接近。 因此对于无初始静应力的循环单剪试验，可以选取应 变时程曲线拐点处的应变作为破坏标准。 同时，当静应力比 时，动应力比 存在阈值，当动应力比小于 . 时，试样不会产生破坏。 . 有初始静应力的动单剪试验 通过有初始静应力的动单剪试验，发现不同静、动应力比 组合的试验结果变化趋势比较一致，本文不重复给出。 图 为典型具有静应力比时的动单剪试验结果（静 应力比为 . ，动应力比为 . ）。 图 有初始静应力单剪试验结果 . 图 （）和（）显示：当存在初始静应力时，初始应变不为 ，累积应变和滞回圈向有初变 达到 时， 认为试样破坏。 孔隙水时程曲线和归一化应力路径变化趋势与无初始静应力时接近，开始时竖向应力迅速 第 期詹云霞， 等： 南海饱和软土单剪强度试验研究 减小，孔隙水压力增大，后稳定于某一临界值。 表 不同静、动应力比组合试验安排 . 组合 . . . . . . . . . . 为分析不同应力水平下单剪动强度的影响因素，讨论静应力比和动应力比对累积应变和破坏振次的影 响，选取了部分动单剪试验结果，见表 。 绘制了在不同静、动应力比组合下累积应变随循环 振次的关系曲线，见图 。 试验 ， 具有相同的静应 力比， . ；试验 ， 具有相同的动应力比， . ，对比研究发现：静应力比 和动应 力比 对应变累积，破坏振次变化的影响相同， 随着静应力比和动应力比的增长，应变累积增快，破坏 振次减小，相对而言，动应力比对应变累积影响更为明显，相同的动应力比时，静应力比增大 . ，破坏振次 减小到原来的 左右，相同静应力比时，动应力比增大 . ，破坏振次 减小到原来的 左右。 按照不同静、动应力比的组合进行动单剪试验，得到相应的循环破坏振次，再按照破坏振次 ， ，累积应变 循环应变 为 ，. 整理试验结果，绘制强度包线如图 。 静 应力比 在 . 时，破坏以循环应变为主，在 . . 范围内，破坏以累积应变为主。 现常规定当 循环次数大于 次时，如果应变没有达到破坏标准，则土体不再发生破坏，即在图 中 强度包线以 内的静、动应力比的组合方式不会引起土体破坏，是基础设计中比较安全的静应力比和动应力比组合方式。 图 静、动应力比组合对累积应变及循环振次的影响 . 图 不同静、动应力比组合下的破坏次数 . 结 语 通过不同的应力水平下的静、动单剪试验，研究了中国南海流花海域的海相饱和软黏土的单剪强度性 质。 初步结论与建议如下： （）无静应力的动单剪试验循环应变存在拐点，应变在 以内时，循环应变增长稳定且缓慢，超过 以后，循环应变迅速增长并达到破坏，可以将应变达到 作为无初始静应力时的动单剪试验的破坏标准。 且静应力比为 时，动应力比存在阈值，当动应力比小于 . 时，循环荷载不会引起土体破坏。 （）有初始静应力的动单剪试验中，应变累积随着静应力比和动应力比的增大而增快，循环破坏振次随 着静应力比和动应力比的增大而减小，相对而言，动应力比对应变累积，振次减小的效果更显著。 （）根据不同静、动应力比的组合进行了动单剪试验，分析了不同静、动应力比组合下的破坏次数，给出 了 时的强度包线，该线内的不同静、动应力比组合形式不会引起土体破坏，以期为该区域海工结 构物设计和能源开发提供参考依据。 水利水运工程