南海迭層土物理力學(xué)特性的研究

李 颯，徐保照，劉劍濤，周揚銳

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中海油服物探事業(yè)部，天津 300456）

1 引 言

我國南海近海海域，由于沉積環(huán)境的變化和海洋動力作用，堆積著一種黏土和粉砂或粉質(zhì)黏土交替出現(xiàn)、層次多、夾層薄的土層，俗稱千層餅土，即所謂迭層土。對迭層土的研究，主要在迭層土的成因、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、分類、動力特性以及抗剪試驗等方面。吳秋云等[1]在研究自升式鉆井船基礎(chǔ)穿刺分析應(yīng)用于渤海石油開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，渤海石油開發(fā)區(qū)海底面以下經(jīng)常會出現(xiàn)迭層土，即土層是由頻繁交替出現(xiàn)的砂與黏土層構(gòu)成，砂土或黏土層的單層厚度為0.2～0.3 cm。存在迭層土?xí)r，刺穿分析變得比較復(fù)雜，目前對這種類型的土國內(nèi)外還沒有更好的方法進(jìn)行合理試驗和有關(guān)參數(shù)的選取。陳國興等[2]對南京粉質(zhì)黏土與粉砂互層土及粉細(xì)砂的抗液化性能試驗研究，總結(jié)了互層土的動力特性以及抗液化性能。Boulanger 等[3]對迭層土進(jìn)行動力分析，指出其在不同條件下液化程度表現(xiàn)不同。Mackiewicz等[4]采用一般試驗方法，測得樁體在迭層土中側(cè)摩擦力與實際相差較大。Chaney 等[5]發(fā)現(xiàn)迭層土的存在會改變土體排水特性，其受力會受到部分排水的影響。劉劍濤[6]研究了自升式鉆井船插樁深度預(yù)測，指出互層（迭層）土的承載力計算迄今尚未有完美的處理方法，因其土質(zhì)的特殊性，一般的試驗很難真實地反映其物理力學(xué)特性，一般根據(jù)經(jīng)驗或者是偏于保守的考慮進(jìn)行參數(shù)的選取。曹圣華[7]對濱海相、河灘迭層土（黏性土、粉砂互層）的工程特性的研究，指出迭層土有著特殊的土體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，當(dāng)其參數(shù)用于計算地基承載力時，應(yīng)適當(dāng)修正，無論在理論還是實踐中都是必要的。周健等[8]用動三軸試驗系統(tǒng)對含有不同厚度粉土的飽和層狀砂土進(jìn)行了液化強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果表明粉粒夾層對層狀砂土的液化特性有很大的影響，且更能模擬自然環(huán)境條件下的層狀砂土地基液化特性。

為了能準(zhǔn)確地確定土體強(qiáng)度，原位試驗的方法越來越受到業(yè)界的認(rèn)可，目前在海洋工程中常用的原位試驗方法是靜力觸探法（CPTU），由于其自身的優(yōu)越性在海洋工程中正在被越來越廣泛的使用[9-13]。

對迭層土與黏土、砂土的不同的特性和抗剪強(qiáng)度及承載力的計算研究有限，大多數(shù)研究僅僅指出了迭層土的特殊性，對于土體的物理力學(xué)性質(zhì)缺乏深入的探討。事實上，實際工程中迭層土是客觀存在的，特別是在海洋工程當(dāng)中，我國的渤海、東海、南海等海域發(fā)現(xiàn)了大量的迭層土，對其性質(zhì)的準(zhǔn)確把握，直接影響到海洋工程，比如打樁、鉆井船插深等問題的預(yù)測的準(zhǔn)確性，也關(guān)系到海洋工程建設(shè)的安全。本文利用現(xiàn)場CPTU 試驗以及室內(nèi)試驗的方法，分析了迭層土的物理、力學(xué)性質(zhì)，探討了迭層土的不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度特性。

2 迭層土物理力學(xué)指標(biāo)比較

2.1 物理指標(biāo)

為了研究迭層土的物理性質(zhì)，在南海某海域選取了4個場地取樣，1號場地取土樣158 組，2號場地取60 組，3號場地取42 組，4號場地取67 組，4個場地的土層分布見表1。從表可見，4個場地的土體分別為砂土、粉質(zhì)黏土和迭層土，不同種類土體的照片見圖1～3。

圖1 中，迭層土具有明顯的交錯互層結(jié)構(gòu)，呈“千層餅狀”，土質(zhì)不均勻。圖2 中，土樣呈灰色，質(zhì)地密實，為硬的粉質(zhì)黏土。圖3 中，土樣呈暗綠色，為中密實粉砂。三者在外觀上可看到明顯的區(qū)別。

表1 土層劃分Table 1 Soil division

圖1 迭層土Fig.1 Laminated soil

圖3 砂土Fig.3 Sand soil

室內(nèi)試驗得到的各種土體的天然重度、含水率、塑性指數(shù)隨深度分布關(guān)系見圖4(a)、5(a)、6(a)，為了對迭層土的物理性質(zhì)有更加明確的認(rèn)識，將迭層土的各項指標(biāo)與其他土進(jìn)行了對比，見圖4(b)、5(b)、6(b)。從圖中可以看到，迭層土的塑性指數(shù)比整體土層偏低，但偏低不明顯。各項物理指標(biāo)與場地其他土層相比基本符合指標(biāo)變化的一般規(guī)律。

圖4 4個場地土體天然重度隨深度分布Fig.4 Natural density distribution with depths in four sites

圖5 4個場地土體含水率與深度關(guān)系Fig.5 Relationships between moisture and depth in four sites

圖6 4個場地土體塑性指數(shù)與深度關(guān)系Fig.6 Relationships between plasticity index and depth in four sites

2.2 力學(xué)指標(biāo)

為了探討不同土體的強(qiáng)度特性，針對對黏性土和迭層土進(jìn)行了不固結(jié)不排水三軸試驗（UU 試驗），1號場地31 組，2號場地23 組，3號場地14組，4號場地26 組。根據(jù)試驗結(jié)果得到粉質(zhì)黏土和迭層土不排水強(qiáng)度隨深度變化關(guān)系如圖7 所示。從圖中可以看出，本海域土體的不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度隨深度近似成線性變化，迭層土的變化規(guī)律與粉質(zhì)黏土相似，沒有表現(xiàn)出明顯的不同。

圖7 4個場地土樣抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系Fig.7 Relationships between shear strength and depth in four sites

2.3 利用CPTU 判別迭層土

由于室內(nèi)試驗所得到的迭層土物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)不能明顯反映迭層土與其他土體不同的特點，對4個場地進(jìn)行CPTU 試驗，分析了迭層土的摩阻比、修正端阻的關(guān)系。圖8～11為4個場地修正端阻與摩阻比之間的關(guān)系，其中1號場地沒有砂土層。

圖8 1號場土樣地修正端阻與摩阻比Fig.8 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.1

從圖8 中可以看出，粉質(zhì)黏土的端阻普遍較小，摩阻比較大；砂土的端阻普遍較大，摩阻比較小。本地區(qū)的迭層土，當(dāng)端阻小于4 MPa時，摩阻比的大小與粉質(zhì)黏土相似，與黏土不同的是，迭層土中存在較多的端阻較大的點，而端阻較大的點對應(yīng)的摩阻比則普遍較小，符合砂土的特征。這是迭層土中砂土層的存在造成，其摩阻比與端阻的關(guān)系具有較明顯的特點。

在利用CPTU 結(jié)果進(jìn)行土層劃分時，建議選擇修正端阻與摩阻比的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的工作，以達(dá)到滿意的效果。

圖9 2號場地土樣修正端阻與摩阻比Fig.9 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.2

圖10 3號場地土樣修正端阻與摩阻比Fig.10 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.3

圖11 4號場地土樣修正端阻-摩阻比Fig.11 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.4

3 不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度的比較

迭層土具有自身的特點，需要通過不同的試驗方法來表現(xiàn)，將不同的土體的室內(nèi)試驗抗剪強(qiáng)度與CPTU 試驗得到的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較，如圖12所示。

從圖12 中可以看出，由于迭層的存在，CPTU確定的不排水強(qiáng)度的分布也如土層一樣呈現(xiàn)“千層餅”狀，室內(nèi)試驗的不排水強(qiáng)度是“千層餅”的下限值，室內(nèi)試驗所得迭層土抗剪強(qiáng)度與CPTU 所得的抗剪強(qiáng)度差別很大，選用迭層土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)計算或者設(shè)計時需要進(jìn)一步研究。

圖12 各場地抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系Fig.12 Relationships of shear strength and depth in site No.1-No.4

4 結(jié) 論

（1）迭層土在外觀上明顯不同于其他單一土層的特征，但室內(nèi)試驗得到的物理力學(xué)指標(biāo)與一般黏土沒有明顯的區(qū)別，原位的CPTU 結(jié)果可較好地反迭層土的特點。

（2）從修正端阻與摩阻比的關(guān)系可以看出，迭層土摩阻比變化范圍較大，在0～8 之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般砂土或黏土的變化范圍。迭層土的修正端阻與摩阻比的分布近似成雙曲線，明顯不同于黏土和砂土，可以作為迭層土判斷的依據(jù)。

（3）迭層土中砂層的存在使得其排水特性優(yōu)于一般黏土，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，其力學(xué)性質(zhì)不同于單一的黏性土或砂土。本次試驗結(jié)果研究表明，對于迭層土，不固結(jié)不排水剪切試驗（UU 試驗）的結(jié)果是CPTU 試驗結(jié)果的下限值。

[1]吳秋云,周楊銳,馮秀麗,等.自升式鉆井船基礎(chǔ)刺穿分析方法在渤海石油開發(fā)區(qū)的應(yīng)用[J].海岸工程,1999,18(4):16-21.WU Qiu-yun,ZHOU Yang-rui,FENG Xiu-li,et al.Applying of the punch-throuch analysis method of rig-drilling ship in Bohai open up oil fields[J].Coastal Engineering,1999,18(4):16-21.

[2]陳國興,劉雪珠,莊海洋.南京粉質(zhì)黏土與粉砂互層土及粉細(xì)砂的抗液化性能試驗研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2003,23(2):28-34.CHEN Guo-xing,LIU Xue-zhu,ZHUANG Hai-yang.Experimental study of liquefaction resistant characteristics of silty clay with fine sand interbed and fine sand in Nanjing[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2003,23(2):28-34.

[3]BOULANGER R W,IDRISS I M.Evaluating the potential for liquefaction or cyclic failure of silts and clays[M].California:Center for Geotechnical Modeling,University of California,2004.

[4]MACKIEWICZ S M,LEHMAN-SVOBODA J.Measured versus predicted side resistance of drilled shafts in a heterogeneous soil profile[C]//GeoCongress 2012@State of the Art and Practice in Geotechnical Engineering,[S.l.]:ASCE,2012:2412-2421.

[5]CHANEY,RONALD C,KENNETH R,et al.Strength testing of marine sediments:Laboratory and In-situ Measurements [M].America:ASTM International,1985.

[6]劉劍濤,吳文峰,蔣寶凡.自升式鉆井船插樁深度預(yù)測[J].中國造船,2007,48(增刊):317-322.LIU Jian-tao,WU Wen-feng,JIANG Bao-fan.Estimation of footing penetration of jack-up drilling rig[J].Ship Building of China,2007,48(Supp.):317-322.

[7]曹圣華.濱灘相互層土工程特性初步研究[J].地質(zhì)學(xué)刊,2010,34(1):61-66.CAO Sheng-hua.A preliminary study on engineering characters of interbedded soils in littoral and river facies[J].Journal of Geology, 2010,34(1):61-66.

[8]周健,陳小亮,楊永香,等.飽和層狀砂土液化特性的動三軸試驗研究[J].巖土力學(xué),2011,32(4):967-972.ZHOU Jian,CHEN Xiao-liang,YANG Yong-xiang,et al.Study of liquefaction characteristics of saturated stratified sands[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(4):967-972.

[9]TONG Li-yuan,WANG Qiang,DU Guang-yin,et al.Determination of undrained shear strength using piezocone penetration test in clayey soil for bridge foundation[J].Journal of Southeast University(English Edition),2011,27(2):201-205.

[10]WEI L,PANT R,TUMAY M T.Evaluation of undrained shear strength of soft New Orleans clay using piezocone[C]//The 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing.Huntington,Beach:[s.n.],2010.

[11]HONG S J,LEE M J,KIM J J,et al.Evaluation of undrained shear strength of Busan clay using CPT[C]//The 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing.Huntington,Beach:[s.n.],2010.

[12]RéMAI Z.Correlation of undrained shear strength and CPT resistance[J].Civil Engineering,2013,57(1):39-44.

[13]朱長歧,汪穗,符策簡.WR-Ⅱ型海洋靜力觸探(SC PT)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的巖土力學(xué)分層模型[J].巖土力學(xué),1994,15(2):79-87.ZHU Chang-qi,WANG Ren,FU Ce-jian.The identification model of soil layer used in type WR-ⅡSCPT date processing system[J].Rock and Soil Mec hanics,1994,15(2):79-87.