水平循環(huán)荷載作用下弱化飽和黏土的p-y曲線

李記忠，王曉蕾，張海榮，祝 濤，張 興

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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水平循環(huán)荷載作用下弱化飽和黏土的p-y曲線

李記忠，王曉蕾，張海榮，祝 濤，張 興

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為研究平臺(tái)樁基礎(chǔ)在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的弱化特性，探討孔隙水壓力的變化對(duì)土體強(qiáng)度的影響。利用現(xiàn)有孔隙水壓力的發(fā)展模型，建立長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下土體殘余抗剪強(qiáng)度模型，運(yùn)用API規(guī)范中的p-y曲線公式，建立評(píng)價(jià)弱化后土體橫向承載力的方法。分析表明：土體孔壓隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而逐步上升，且荷載越大，土體孔壓上升越快；通過(guò)與試驗(yàn)中測(cè)得的孔隙水壓力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HYDE等建立的孔壓發(fā)展模型與試驗(yàn)中測(cè)得的孔隙水壓力變化較為吻合,說(shuō)明該模型能很好預(yù)測(cè)循環(huán)荷載下孔隙水壓力的變化。

導(dǎo)管架平臺(tái)；循環(huán)荷載；孔隙水壓力；樁基弱化；p-y曲線；黏土

0 引言

海洋平臺(tái)長(zhǎng)期受風(fēng)荷載、波浪荷載和冰荷載等水平循環(huán)荷載的作用，需要深入研究海洋飽和土體在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的弱化特性。現(xiàn)有研究多集中于短期靜載水平，而對(duì)循環(huán)荷載下樁土之間的相互作用研究較少。研究表明[1]：循環(huán)荷載作用下樁土系統(tǒng)仍保持類(lèi)似靜載的非線性特性，但循環(huán)荷載會(huì)使樁腿產(chǎn)生明顯不同的作用效應(yīng)，即樁腿的水平位移在循環(huán)荷載作用下增長(zhǎng)較大；土體孔壓會(huì)隨位移的增大而增大，抗剪強(qiáng)度降低，水平承載力降低，其降低的程度與荷載頻率、循環(huán)次數(shù)及土體性質(zhì)有密切關(guān)系。

本文從循環(huán)荷載下海洋黏土地基孔隙水壓力的發(fā)展出發(fā)，探討孔隙水壓力的變化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，建立一定周期循環(huán)荷載作用后的土體強(qiáng)度模型，運(yùn)用API規(guī)范推薦的p-y曲線計(jì)算公式，獲得弱化后土體的p-y曲線公式。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 循環(huán)荷載作用下飽和黏土的孔壓發(fā)展模型

循環(huán)荷載作用會(huì)引起孔隙水壓力的變化，這是土體抗剪強(qiáng)度最主要的影響因素，也是分析海洋結(jié)構(gòu)物樁基弱化特性的關(guān)鍵[2]。典型孔壓模型[3-5]主要有：應(yīng)力模型、瞬態(tài)模型、能量模型和有效應(yīng)力路徑模型等，其中，應(yīng)力模型應(yīng)用最廣泛。

近年來(lái)，循環(huán)荷載作用下飽和黏性土的孔壓研究進(jìn)展很大，其中，HYDE等[6]提出的模型具有代表性，認(rèn)為孔壓發(fā)展速率是應(yīng)力水平、循環(huán)次數(shù)和試樣應(yīng)力歷史的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系式如下：

將式(1)轉(zhuǎn)化α為與偏應(yīng)力水平的函數(shù)關(guān)系式：

式中：σd/σc為偏應(yīng)力水平；A和B為試驗(yàn)參數(shù)；σd為動(dòng)應(yīng)力。

對(duì)(1)式積分，可得：

該模型認(rèn)為土樣孔壓在不同超固結(jié)比下的發(fā)展規(guī)律滿(mǎn)足式(1)～式(3)，只有β，A和B等參數(shù)隨超固結(jié)比(Over Consolidation Ratio，OCR)而變化。當(dāng)OCR=1時(shí)，β=-1.124，A=-1.892，B=2.728，代入式(3)，可得：

1.2 循環(huán)荷載作用下飽和黏土的抗剪強(qiáng)度模型

在風(fēng)荷載、波浪荷載、冰荷載等周期荷載作用下，樁基周?chē)耐馏w將產(chǎn)生孔隙水壓力，孔隙水壓力的產(chǎn)生會(huì)引起土體抗剪強(qiáng)度的變化。根據(jù)土體孔隙水壓力的變化建立循環(huán)荷載下飽和黏土的抗剪強(qiáng)度模型，對(duì)研究環(huán)境荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)樁基的承載性狀具有重要的意義[7-8]。

針對(duì)循環(huán)荷載作用下抗剪強(qiáng)度模型的建立，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究，其中，THIERS，HYDE[6]和YASUHARA等[9]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)不同地區(qū)的原狀土以及重塑黏土進(jìn)行了研究；王淑云、吳明戰(zhàn)和高廣運(yùn)等也通過(guò)試驗(yàn)建立了相應(yīng)的理論模型，其中以YASUHARA等[9]提出的不排水循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式具有代表性：

式中：(Cu)cy為土體在循環(huán)荷載作用后的不排水抗剪強(qiáng)度；(Cu)NC為土體靜抗剪強(qiáng)度；σc為初始有效固結(jié)壓力；u土體孔壓；Λ0為試驗(yàn)參數(shù)；CS為土的回彈系數(shù)；CC為土體壓縮系數(shù)。

YASUHARA等通過(guò)循環(huán)三軸剪切試驗(yàn)確定了相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，并認(rèn)為式(5)中試驗(yàn)參數(shù)、壓縮和回彈系數(shù)之間的關(guān)系可以用塑性指數(shù)Ip來(lái)表示：

分別確定循環(huán)荷載作用下的孔隙水壓力的發(fā)展模型和抗剪強(qiáng)度的弱化模型，可根據(jù)孔壓發(fā)展模型確定一定循環(huán)周期的孔隙水壓力，將其代入強(qiáng)度弱化公式，就可得到循環(huán)荷載作用下弱化土體的抗剪強(qiáng)度。

1.3 水平循環(huán)荷載作用下樁基承載力分析

目前，研究水平荷載作用下樁的承載特性較好的方法為API規(guī)范推薦的p-y曲線法，我國(guó)目前的平臺(tái)建設(shè)規(guī)范也采用p-y曲線法。循環(huán)荷載作用下軟黏土的p-y曲線如下：

當(dāng)x≤xR時(shí)：

式中：x為土表面計(jì)算點(diǎn)深度；xR為極限水平承載力的反彎點(diǎn)深度。

當(dāng)x≥xR時(shí)：

泥面下深度為x處的樁側(cè)極限土抗力值Pu按下式確定：

式中：Cu為原狀土不排水抗剪強(qiáng)度；D為單樁直徑；γ為有效容重；J為無(wú)因次常數(shù)，由試驗(yàn)確定，J=0.25～0.50，土體較硬時(shí)取低值。

在xR以上為淺層土，xR以下為深層土，xR估算公式如下：

根據(jù)水平循環(huán)荷載作用下的p-y曲線計(jì)算公式，結(jié)合1.1節(jié)中得到的循環(huán)荷載作用下飽和黏土的抗剪強(qiáng)度模型，該p-y曲線即可考慮土體弱化產(chǎn)生的影響，而所建立的抗剪強(qiáng)度模型能否準(zhǔn)確評(píng)估循環(huán)荷載作用下的弱化強(qiáng)度對(duì)p-y曲線的計(jì)算有著重要意義。因此，為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，本文通過(guò)水平循環(huán)荷載下的單樁試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所構(gòu)造的循環(huán)荷載作用下弱化土體p-y曲線的合理性，設(shè)計(jì)了如圖1所示的動(dòng)荷載試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)中采用伺服系統(tǒng)對(duì)單樁施加正弦波形的荷載。為了盡可能模擬工程中樁的實(shí)際受力特性，選取直徑40 cm，壁厚5 cm，長(zhǎng)度1.5 m的有機(jī)玻璃樁，模型樁的彎曲變形通過(guò)對(duì)稱(chēng)貼于模型樁兩側(cè)的應(yīng)變片測(cè)定，沿樁身每隔10 cm貼片，整個(gè)樁身共貼10組應(yīng)變片。土體中產(chǎn)生的孔隙水壓力由預(yù)置于土體中的孔隙水壓計(jì)測(cè)定。應(yīng)變片和孔隙水壓計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀記錄儲(chǔ)存。

圖1 荷載試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)中所用土體為重塑的飽和黏土，所用試樣按《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行制備，試樣的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟黏土參數(shù)及工程特性指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水平循環(huán)荷載作用下，由孔隙水壓計(jì)測(cè)得的不同荷載作用下的樁周?chē)馏w孔隙水壓力的變化如圖2所示，可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力不斷增加，且水壓力的增長(zhǎng)速率與荷載水平有關(guān)，當(dāng)荷載較大時(shí)，孔隙水壓力隨振動(dòng)次數(shù)的增加顯著上升，土體很快破壞；當(dāng)荷載較小時(shí)，孔隙水壓力隨振動(dòng)次數(shù)的增加逐漸上升，在循環(huán)荷載前幾個(gè)周期內(nèi)，曲線較陡，孔壓增長(zhǎng)較快，但當(dāng)增大到一定次數(shù)以后，孔壓增長(zhǎng)速度減緩，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

將HYDE等提出的孔壓發(fā)展模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)中測(cè)得的孔隙水壓力變化進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，圖中點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值，曲線為計(jì)算值。該模型的結(jié)果與初始數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均大于0.97，說(shuō)明該模型能很好反應(yīng)孔隙水壓力的變化，為準(zhǔn)確計(jì)算循環(huán)荷載作用下的飽和土體的弱化等效強(qiáng)度提供了保證。

圖2 實(shí)測(cè)的孔壓變化與計(jì)算得到的孔壓曲線對(duì)比

IDRISS等[10]提出軟化指數(shù)的概念，并給出了其與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式，此后YASUHARA通過(guò)相似方法得到軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)之間的半對(duì)數(shù)關(guān)系。本文為建立土體的靜抗剪強(qiáng)度與經(jīng)過(guò)一定周期循環(huán)荷載后土體的抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，定義了水平循環(huán)荷載作用下土體弱化指數(shù)的概念：

式中：δ為土體弱化指數(shù)；(Cu)cy為循環(huán)荷載后土的不排水抗剪強(qiáng)度；(Cu)NC為靜抗剪強(qiáng)度。

δ反映了弱化土層的抗剪強(qiáng)度隨水平循環(huán)荷載的變化規(guī)律，依據(jù)HYDE建立的孔隙水壓力變化模型，將不同時(shí)刻的孔隙水壓力值代入YASUHARA建立的抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，得到弱化指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖3所示，可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，弱化指數(shù)逐漸減小，土體的弱化程度提高，抗剪強(qiáng)度降低。將圖3與圖2對(duì)比可以看出：土體弱化指數(shù)隨孔壓比的增大逐漸減小，且孔隙水壓力越高，減小的程度越大，這與YASUHARA進(jìn)行的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 弱化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

為確定土體弱化后的p-y曲線，進(jìn)而建立評(píng)價(jià)弱化后土層中橫向承載力的方法，根據(jù)API規(guī)范，已經(jīng)建立了土體的p-y曲線與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，為了確定水平循環(huán)荷載下土層某一深度處的p-y曲線，只需將YASUHARA等建立的模型確定的抗剪強(qiáng)度代入API規(guī)范的計(jì)算公式即可。對(duì)于飽和黏土，理論抗剪強(qiáng)度近似等于黏聚強(qiáng)度，由表1可知土體的黏聚強(qiáng)度為16 kPa。因此，可以根據(jù)弱化指數(shù)得到一定周期循環(huán)后土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得到土體的極限土抗力。極限土抗力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 極限土抗力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖

根據(jù)計(jì)算得到的土體極限土抗力，即可根據(jù)p-y曲線公式得到不同深度處的p-y曲線。圖5和圖6為泥下深度為0.15 m，循環(huán)荷載分別為120 N和150 N的p-y曲線，從圖中可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土層的橫向承載能力不斷降低。對(duì)比圖5和圖6可以看出：循環(huán)荷載越大，土體的承載能力降低越明顯。

圖5 荷載120 N時(shí)的p-y曲線圖 圖6 荷載為150 N時(shí)的p-y曲線圖

為了驗(yàn)證上述方法構(gòu)造的p-y曲線的合理性，本文采用Winkler地基梁模型，針對(duì)試驗(yàn)條件反推樁在承受循環(huán)荷載時(shí)的樁身彎矩，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，圖中點(diǎn)為試驗(yàn)值，曲線為計(jì)算值。由圖7可以看出：根據(jù)以上結(jié)果得到的樁身彎矩與模型試驗(yàn)結(jié)果間的誤差在5%以?xún)?nèi)，可以認(rèn)為本文構(gòu)造水平循環(huán)荷載作用下弱化土體的p-y曲線是可行的。

圖7 弱化p-y曲線計(jì)算樁身彎矩與試驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié)論

針對(duì)飽和軟黏土，通過(guò)水平循環(huán)動(dòng)載模型試驗(yàn)，研究了用于描述循環(huán)荷載作用下弱化土層中p-y曲線隨孔隙水壓力的變化關(guān)系，分析表明：

(1) 土體孔壓隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而逐步上升，且荷載越大，土體孔壓上升越快。

(2) 通過(guò)與試驗(yàn)中測(cè)得的孔隙水壓力對(duì)比，HYDE等建立的孔壓發(fā)展模型與試驗(yàn)中測(cè)得的孔隙水壓力變化較為吻合，說(shuō)明該模型能很好預(yù)測(cè)循環(huán)荷載下孔隙水壓力的變化。

(3) 應(yīng)用YASUHARA等提出的抗剪強(qiáng)度發(fā)展模型，建立起抗剪強(qiáng)度與孔隙水壓力之間的關(guān)系，并提出弱化指數(shù)的概念，根據(jù)孔隙水壓力變化曲線得到了土體軟化指數(shù)與荷載循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

(4) 依據(jù)API規(guī)范推薦的p-y曲線計(jì)算方法，得到了周期循環(huán)荷載作用弱化土體的p-y曲線，并由該曲線反推得到樁身彎矩與模型樁試驗(yàn)得到的樁身彎矩進(jìn)行比較，最大誤差不超過(guò)5%，說(shuō)明通過(guò)分析弱化土體的抗剪強(qiáng)度，并應(yīng)用API規(guī)范的雙曲型函數(shù)構(gòu)造的水平循環(huán)荷載下弱化土體的p-y曲線是合理的。

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p-yCurve of Weakening Saturated Clay Under Lateral Cyclic Load

LI Jizhong,WANG Xiaolei,ZHANG Hairong,ZHU Tao,ZHANG Xing

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

In order to study the weakening features of a platform foundation under the long-term cyclic loading,the impact of changes of pore pressure on the soil strength is discussed and existing pore pressure development model is used to establish the soil residual shear strength model under the long-term cyclic loading.The results of the model is inserted into thep-ycurve formula recommended by the API as the soil shear strength after weakening,so that the method to evaluate the lateral resistance of the soil after weakening is obtained.The analysis shows that the pore pressure increases gradually with the increased number of loading cycles.As the increase of the load,the pore pressure rises more quickly.By comparing with the pore water pressure measured in the test,it is found that the pore pressure development model established by HYDE is in good agreement with the pore water pressure measured in the test.This model can well predict the change of pore water pressure under cyclic loading.

jacket platform；cyclic load；pore pressuric；pile foundation weakening；p-ycurve; clay

2016-12-28

李記忠(1984-)，男，工程師

1001-4500(2017)03-0036-07

TE54

A