王元戰(zhàn)，楊攀博，孫熙平，崔衍強

(1.天津大學天津市港口與海岸工程重點實驗室，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456)

多因素下濱海軟黏土循環(huán)后強度弱化研究及應用

王元戰(zhàn)1，楊攀博1，孫熙平2，崔衍強2

(1.天津大學天津市港口與海岸工程重點實驗室，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456)

隨著近海工程向深水化、大型化發(fā)展，波浪循環(huán)荷載作用下軟黏土地基弱化問題越來越受到關注。文章以煙臺港原狀淤泥質黏土為研究對象，通過動三軸試驗，研究了不同圍壓、動應力和靜偏應力影響下循環(huán)后不排水抗剪強度弱化規(guī)律和應力路徑發(fā)展規(guī)律。在此基礎上考慮實際工程中的土體狀況，增加了固結度這一新的影響因素。試驗結果表明存在固結度臨界動應力比0.2，當動應力比小于等于0.2時，固結度對于土體強度弱化的影響基本一致；當動應力比大于0.2時，固結度對于強度弱化的影響突然加速。根據試驗規(guī)律建立了綜合考慮圍壓、動應力、靜偏應力和固結度的多因素影響下不排水抗剪強度弱化公式，并采用擬靜力方法將公式應用于煙臺港防波堤數值模型的計算中，結果表明考慮強度弱化效應的計算方法更加接近工程實際。

軟黏土；循環(huán)荷載；強度弱化；固結度；數值模型

隨著國家經濟的發(fā)展，越來越多的近海工程投入建設，工程的深水化、大型化以及工程環(huán)境的復雜化對結構的地基穩(wěn)定性提出了更高的要求。而我國沿海和近海地區(qū)普遍分布著軟黏土地基，波浪動荷載作用所引起的軟黏土地基強度弱化問題日益突出。如渤海6號沉墊式鉆井平臺，在一次風暴中由于軟土地基強度弱化發(fā)生了1.6 m的沉降和2 m左右的滑移，平臺失穩(wěn)導致井口剪斷，造成了重大的經濟損失［1］。因此研究循環(huán)荷載作用下濱海軟黏土強度弱化特性具有十分重要的意義。

在循環(huán)后不排水強度弱化的相關研究中，Chu等［2］分析了震后框架結構地基失穩(wěn)的原因，并通過相關試驗指出地震后黏土層存在明顯的循環(huán)弱化效應；Anderson等［3］對Drammen黏土進行了大量的動三軸試驗，提出飽和軟黏土循環(huán)荷載作用后不排水抗剪強度退化值一般小于25%；Yasuhara等［4］在此基礎上進一步提出了循環(huán)荷載作用下不排水強度退化的等效超固結比公式。國內方面，鄭剛等［5］針對天津軟黏土，研究了動應力、循環(huán)次數等因素對軟黏土的循環(huán)后不排水強度的影響；閆澍旺等［6-7］在研究中增加了靜偏應力這一影響因素；汪小平等［8］針對杭州典型軟黏土，研究了循環(huán)荷載作用后正常固結和超固結飽和軟黏土的不排水強度變化規(guī)律。

以往的研究成果為分析軟黏土循環(huán)后不排水強度提供了可靠依據，研究中考慮了圍壓、動應力、靜偏應力、循環(huán)次數以及超固結比等因素的影響。但是在實際工程中，地基土體有時會因為塑料排水板打設不合理等問題排水不暢，土體并未完全固結。而以往遇到這個問題則考慮偏危險情況，認為土體沒有固結，忽略了土體已具有的一定的固結程度，這樣的做法是偏保守的。所以本文在考慮圍壓、動應力和靜偏應力對于土體循環(huán)后不排水強度影響的基礎上，增加了固結度這一新的影響因素，比較全面的分析了多因素作用下土體的強度弱化規(guī)律。并采用擬靜力方法，將得到的多因素循環(huán)后不排水強度弱化規(guī)律應用于煙臺防波堤數值模型的計算當中，為煙臺港防波堤工程的設計和施工提供參考。

1 試驗方案

試樣土樣是取自煙臺港的原狀土，土層深度為泥面下2～5 m，土質為淤泥質黏土，土樣物理性質指標見表1。室內動三軸試驗采用英國GDS動態(tài)循環(huán)三軸試驗儀，該儀器操作簡便，精度高，能夠實時監(jiān)控整個動態(tài)試驗過程，相關參數全部由系統自動化控制，性能可靠。

原狀土試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。飽和方式為抽真空飽和，飽和后對土樣進行B檢測來檢驗飽和度，若飽和度達不到98%，則進行反壓飽和，通過增加反壓來提高土樣內空氣的溶解度，從而使得飽和度達到要求。試驗具體步驟如下：

（1）土樣首先在一定的圍壓σc下做等向固結，并通過控制孔壓u的消散來控制土樣的固結度，固結度Sr定義如公式（1）所示。試驗上的具體操作是不斷的交替開關排水閥，每開關一次排水閥，待孔壓穩(wěn)定后，對比當前孔壓和目標孔壓，直到當前孔壓消散到目標孔壓為止。

表1 土樣物理性質指標Tab.1 Physical property indexes of soil

（2）土樣固結完成后，對土樣施加靜偏應力σj，待試樣變形達到穩(wěn)定后，再施加動應力σd，此階段均為不排水狀態(tài)。其中，σj相當于結構物在地基中引起的附加靜應力，σd用以模擬波浪荷載。試驗循環(huán)荷載采用正弦波，荷載周期根據實際波浪情況取為8 s?？紤]到土樣達到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，循環(huán)次數為1 500次。

（3）振動結束，取振動產生的累積動應變?yōu)棣興，隨后開始不排水剪切，當總應變達到15%時停止剪切，最終得到循環(huán)荷載作用后土體的不排水抗剪強度強度折減系數為未加動荷載的不排水抗剪強度。試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗加載過程圖Fig.1 Loading process diagram of test

2 試驗結果與分析

試驗過程中考慮了不同圍壓、動應力比、靜偏應力比和固結度的影響，試驗結果如表2所示。其中r=σd/ σc為動應力比，h=σj/σc為靜偏應力比。

2.1 圍壓的影響

圖2為不同圍壓，相同動應力比下歸一化應力與應變的關系曲線。從圖2中可以看出在相同動應力比下，不同圍壓振動產生的動應變基本相同，歸一化應力與應變的關系曲線發(fā)展趨勢基本一致，最后的強度折減系數也比較接近。即在土層所處2～5 m的深度范圍內，當應力比一定時，圍壓對于土體循環(huán)后不排水強度折減的影響并不是十分明顯，這與霍海峰［9］的研究成果一致。由此在研究中以35 kPa圍壓為主要研究對象，并可將35 kPa圍壓下得到的強度折減規(guī)律應用于整個土層之中。

2.2 動應力和靜偏應力的影響

圖3為不同靜偏應力比下，折減系數與動應力比關系曲線。從圖3中可以看出，土樣的強度隨著動應力比的增大而衰減，當動應力比小于等于0.3時，土樣的循環(huán)后不排水強度衰減不明顯，而動應力比增大到0.4時，土樣強度明顯減弱，即強度折減系數是隨著動應力比的增大先緩慢降低再快速降低的曲線變化過程。

圖4反應了不同動應力比條件下，靜偏應力比對于土樣不排水強度的影響。從圖4中可以看出，強度折減系數隨著靜偏應力的增大而降低，且基本呈線性關系。

表2 試驗結果Tab.2 Results of tests

圖2r=0.4，不同圍壓下歸一化應力與應變關系曲線Fig.2 Relations of normalized stress versus strain under different confining stress when r is 0.4

圖3 不同靜偏應力比下，折減系數與動應力比關系曲線Fig.3 Relationship between strength reduction factor and dynamic stress ratio under different deviator stress ratios

對圍壓35 kPa，100%固結度下的試驗結果進行分析，即表2中7～18試驗組，可以得到強度折減系數與振動產生的累積動應變之間的相互關系，如圖5所示?？梢钥闯?，當動應變小于2%時，不排水強度衰減較小，保持在10%以內。即可以認為存在臨界動應變2%，當εd小于2%時，靜強度衰減有限，在工程上可以忽略；當εd大于2%時，不排水強度隨動應變的增加而降低。

圖4 不同動應力比下，折減系數與靜偏應力比關系曲線Fig.4 Relationship between strength reduction factor and deviator stress ratio under different dynamic stress ratios

圖5 折減系數與動應變關系曲線Fig.5 Relationship between strength reduction factor and dynamic strain

2.3 固結度的影響

以上均為土樣處于完全固結狀態(tài)的試驗結果。而實際工程中，地基土體有時因排水不暢并未完全固結。為分析不同固結度時，土體循環(huán)后不排水強度的衰減情況，本文進行了不固結、固結度33%。固結度66%和完全固結4種固結狀態(tài)的動三軸試驗。對得到的強度折減系數進行分析，得到不同固結度下折減系數與動應力比之間的關系曲線，如圖6所示，其中Sr=0，r=0.3這點在循環(huán)中土樣已經損壞。從圖6中可以看出固結度一定時，土體的循環(huán)后不排水強度隨著動應力比的增大而降低，當動應力較小時，衰減不明顯，動應力較大時，衰減速率加快，且固結度越小，衰減的越快。

圖7為不同動應力比下折減系數與固結度關系曲線，可以看出折減系數隨著固結度的降低而減小，呈線性關系。且動應力比r=0.3的直線斜率與其他3條直線存在明顯差異，即存在固結度臨界動應力比0.2，當動應力比小于等于0.2時，固結度對于折減系數的影響基本是一致的；當動應力比大于0.2時，固結度對于折減系數的影響突然加速，折減系數隨著固結度的降低快速下降。

圖6 不同固結度下，折減系數與動應力比關系曲線Fig.6 Relationship between strength reduction factor and dynamic stress ratio under different consolidation degrees

圖7 不同動應力比下，折減系數與固結度關系曲線Fig.7 Relationship between strength reduction factor and consolidation degree under different dynamic stress ratios

2.4 應力路徑分析

圖8為循環(huán)荷載作用后不排水剪切過程的應力路徑，其中p′=(σ1′+2σ3′)/3，q′=(σ1′-σ3′)。從圖8中可以看出無循環(huán)荷載作用的土樣剪切時的應力路徑為S型。這是因為剪切中軸向應力的增加使得p′增大，而超孔壓的產生又會使p′減小。在第一個轉折點之前，軸向應力對p′的增加作用占主導地位，應力路徑向外凸出。此后，超孔壓增長其對p′的抑制作用占優(yōu)，使得曲線反向發(fā)展。到達剪切的后期，超孔壓將下降，有效應力再次增大，最終呈現出S型的應力路徑。

對各工況下不排水剪切過程的應力路徑進行比較，可以看出，循環(huán)荷載作用后，應力路徑逐漸向左偏移，路徑S型特點減弱，表現出與超固結土相似的應力路徑特點，即擬超固結現象。這與Yasuhara［4］、王淑云［10-11］等的試驗結果是一致的。同時動應力比越大，應力路徑左偏越嚴重，擬超固結現象越明顯，土體強度弱化越嚴重。靜偏應力的增加也會加重擬超固結現象，降低折減系數。

圖8 循環(huán)后不排水剪切應力路徑Fig.8 Undrained triaxial test stress paths after process of dynamic loading

3 強度弱化原因與公式擬合

根據經典的莫爾庫侖理論，如公式（2），土體強度主要體現在內摩擦角φ和黏聚力c上。動力循環(huán)過程中，土顆粒間的膠結作用受到不同程度的擾動，膠結力降低，黏聚力c減弱；另一方面，由于循環(huán)荷載作用，土體中孔壓上升，導致有效應力降低，土體將產生結構性重塑，內摩擦角φ發(fā)生變化。同時振動過程中土顆粒之間的摩擦會導致顆粒局部邊角破碎、折斷，這些都導致了軟黏土循環(huán)后不排水強度的弱化。

τ=σtanφ+c（2）

從試驗結果分析可知，強度折減系數隨著動應力比的增加成加速下降的趨勢，隨著靜偏應力比的增加線性降低，同時隨著固結度的上升線性增加。根據以上特點，對折減強度系數進行經驗公式擬合，得到綜合反映圍壓、動應力、靜偏應力和固結度的強度折減計算公式，即公式（3），相關系數R2=0.96，擬合結果如圖9、10所示。

圖9 不同靜偏應力比下，擬合曲線與實測數據對比Fig.9 Fitting curves of strength versus practical testing under different deviator stress ratios

圖10 不同固結度下，擬合曲線與實測數據對比Fig.10 Fitting curves of strength versus practical testing under different consolidation degrees

關于公式的適用范圍，試驗中已經發(fā)現，當循環(huán)動應力比達到或者超過0.5時，軟黏土在初始的一些動力循環(huán)內累積動應變迅速增大，土樣強度急劇下降，且累積應變隨著循環(huán)的進行不斷增大，無法達到一個穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)，體現出與小應力比時能夠達到穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)完全不同的特點，如圖11所示。所以存在臨界動應力比0.5，軟黏土的動力特性在循環(huán)應力比高于與低于臨界循環(huán)應力比時有較大的不同。所以本文提出的公式僅適用于小動應力比情況，即循環(huán)動應力比在0至0.4之間。根據本文依托的實際工況，港口工程中波浪力相比于土體固結應力和上部結構重力來說較小，其范圍在臨界循環(huán)應力比之內，可以應用該公式。

4 工程應用

4.1 工程概況

考慮波浪荷載作用下地基土體的強度弱化效應，本文采用擬靜力方法對煙臺港防波堤工程典型斷面進行計算。計算軟件選用ABAQUS，斷面尺寸及土層分布情況如圖12，各層土體詳細物理指標見表3。荷載條件為結構重力和波浪力。

4.2 考慮強度弱化效應的模型計算

圖11 不同動應力比下，累積動應變與循環(huán)次數關系曲線Fig.11 Relationship between accumulated strain and cycle times under different dynamic stress ratios

圖12 防波堤斷面及土層分布Fig.12 Breakwater section and soil depth distribution

根據土層資料可知，泥面下2～5 m的淤泥質黏土層為軟弱土層，循環(huán)荷載作用下土體強度弱化顯著。而砂層和其他土層弱化效應比較微弱，計算中強度不予折減。實際工程中，雖然在該土層打設了塑料排水板，但由于排水板數量少，間距大，地基土體排水不暢，孔壓尚未完全消散。由現場實測孔壓資料可知，土層的固結度Sr在0.8左右。

對模型進行應力狀態(tài)分析，首先對模型施加土體自重，從而得到地基中的初始自重應力場σc。隨后施加上部結構自重，得到由上部結構作用產生的各單元應力增量，即附加靜偏應力場σj。最后加載波浪力，同樣得到由波浪作用產生的各單元應力增量σd。由應力狀態(tài)分析得到的淤泥質黏土層各單元的固結壓力σc、附加靜偏應力σj、附加動應力σd以及實測得到的0.8固結度，通過公式（3）計算得到各個單元的強度折減系數，并對各單元土體的強度進行折減。折減后重新進行有限元計算，得到考慮強度弱化效應的模型計算結果。

圖13為不考慮強度弱化效應的防波堤沉降云圖，圖14為考慮強度弱化效應的防波堤沉降云圖。從圖13中可以看出，考慮地基土體強度弱化，結構沉降增大，建筑物偏于危險。不考慮弱化效應的沉箱平均沉降為0.54 m，而考慮弱化效應的沉箱平均沉降為0.66 m，現場實測沉箱沉降為0.7 m，由此可見考慮地基土體強度弱化效應的計算結果更加接近工程實際。

表3 土層土體參數表Tab.3 Parameter list of soil in different layers

圖13 不考慮弱化效應防波堤沉降云圖Fig.13 Settlement of breakwater without considering the effect of strength weakening

圖14 考慮弱化效應防波堤沉降云圖Fig.14 Settlement of breakwater considering the effect of strength weakening

4.3 固結度的影響

以上為土層固結度為0.8時考慮強度弱化效應的計算結果，不同固結度時考慮弱化效應防波堤的沉降情況如表4所示?？梢姡S著固結度的降低，防波堤沉降增大，且增大速率明顯加快。所以在工程中對土層進行有效的加固十分重要。

由以上計算結果可知，當工程面臨地基土體土質較差，波高浪急的情況時，應在設計中根據地基土體固結狀況，考慮其循環(huán)弱化效應，以使設計留有足夠的安全系數。同時在施工中可采用加設塑料排水板增加土體固結度或者增加開挖深度換填軟弱土層等處理方式，減弱土體的循環(huán)弱化效應，保證結構安全穩(wěn)定。

表4 不同固結度下沉降統計表Tab.4 Parameter list of settlement under different consolidation degrees

5 結論

本文通過開展煙臺港淤泥質黏土動三軸試驗及擬靜力數值模型計算，得到結論如下：

（1）2～5 m的淤泥質黏土層內，當動應力比一定時，不同圍壓下的抗剪強度折減系數基本一致，即圍壓對于循環(huán)后強度折減的影響不明顯。

（2）隨著動應力比的增加，淤泥質黏土循環(huán)后不排水抗剪強度呈下降趨勢，且動應力比值較大時強度有較大幅度的衰減。靜偏應力比增大，強度折減系數降低，且基本呈線性關系。

（3）隨著土體固結度的降低，淤泥質黏土強度折減系數降低，呈線性關系。且存在臨界動應力比0.2，當動應力比小于等于0.2時，固結度對于折減系數的影響基本是一致的；當動應力比大于0.2時，固結度對于折減系數的影響突然加速，折減系數隨著固結度的降低快速下降。

（4）土體經循環(huán)后的應力路徑表現為超固結特點，即擬超固結現象。且動應力比和靜偏應力比越大，這種擬超固結現象越明顯。

（5）在煙臺港防波堤數值模型計算中應用擬合得到的多因素強度弱化公式，模型計算結果更為貼近工程實際。建議在工程設計中考慮強度弱化效應，并在施工中通過對土體的加固和換填減弱強度弱化對于結構物穩(wěn)定性的影響。

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遼寧省今年劃定海洋生態(tài)紅線

本刊從遼寧省海洋與漁業(yè)廳獲悉，目前，渤海近岸海域已有近半海域面積劃定生態(tài)紅線，2015年年底前將完成黃海近岸海域的紅線劃定工作。據悉，去年遼寧省建立并實施渤海海洋生態(tài)紅線制度，確立了34個生態(tài)紅線區(qū)，面積占近岸海域面積的45.2%，新建6個海洋特別保護區(qū)，近岸海域水質監(jiān)測站位增加到86個，入海排污口監(jiān)測頻次增加到6次，組織了4個區(qū)域海洋工程環(huán)境影響跟蹤監(jiān)測。2015年，該省將繼續(xù)完善海洋生態(tài)紅線制度，黃海近岸海域的紅線劃定擬在年底前完成。同時還將完善海洋環(huán)境風險項目準入制度，擬定近岸海洋環(huán)境污染物總量控制制度，制定規(guī)范用海和破壞海洋生態(tài)環(huán)境補償標準。（殷缶，梅深）

遼寧推進落實重大涉海建設項目

本刊從遼寧省海洋與漁業(yè)廳獲悉，為推進落實《國務院關于近期支持東北振興若干重大政策舉措的意見》中確定的重大涉海建設項目，遼寧省海洋與漁業(yè)廳于2015年3月23日召開重大涉海建設項目推進調度會。會議聽取了重大項目總體建設情況、項目進展和下一步用海計劃等，并對推進重大涉海項目建設進行了安排部署。會議強調，要將重大涉海項目建設納入到海域使用重點保障內容中來，認真制訂推進方案，有序、有重點地協調推進各項工作。建立重大涉海項目建設推進協調機制和項目進展信息通報制度，落實責任分工，提高項目審批效率。（殷缶，梅深）

Research and application on strength weakening character of littoral soft clay affected by cyclic loading under different influencing factors

WANG Yuan?zhan1,YANG Pan?bo1,SUN Xi?ping2,CUI Yan?qiang2
（1.Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

With the development of offshore engineering，strength reduction of soft clay foundation under cy?clic loading is attracting more attention.By means of performing cyclic triaxial test on muddy clay taken from Yan?tai littoral zone,undrained shear strength weakening and stress path of clay has been studied in different confining stress,deviator stress and dynamic stress.Given the actual soil condition in the engineering,the effect of consolida?tion degree has also been studied.Critical dynamic stress ratio has been found in the test.When the dynamic stress ratio is less than or equal to 0.2,strength reduction is affected by consolidation degree identically.On the contrary, when the dynamic stress ratio is greater than 0.2,consolidation degree has great influence on strength reduction.Ac?cording to the test,a strength weakening formula which contains different influencing factors was put forward.Then the formula was applied to the numerical model of breakwater in Yantai Port by using pseudo?static method.The re?sults show that the calculation method with strength weakening is more close to the engineering practice.

soft clay;cyclic loading;strength weakening;consolidation degree;numerical model

TV 331

A

1005-8443（2015）02-0153-08

2014-10-24；

2015-01-04

國家自然科學基金（51279128）；交通運輸部建設科技項目（2013328224070）

王元戰(zhàn)（1958-），男，天津市人，教授，博導，主要從事港口海岸與近海結構設計理論和方法、土與結構相互作用、結構振動分析理論和方法等方面的研究工作。

Biography：WANG Yuan?zhan（1958?），male，professor.