波浪作用下飽和砂土孔壓發(fā)展規(guī)律試驗研究

鄧海峰，劉振紋，祁 磊，許 浩，田 偉，李 春

(1.中國石油集團工程技術(shù)研究院， 天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室， 天津 300451)

波浪作用下飽和砂土孔壓發(fā)展規(guī)律試驗研究

鄧海峰1，2，劉振紋1，2，祁 磊1，2，許 浩1，2，田 偉1，2，李 春1，2

(1.中國石油集團工程技術(shù)研究院， 天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室， 天津 300451)

利用空心圓柱扭剪儀和動單剪試驗儀分別對飽和砂土進行了循環(huán)耦合剪切和動單剪試驗，研究比較兩種不同方法下，飽和砂土內(nèi)部孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律及其差異。結(jié)果表明，兩種孔壓發(fā)展規(guī)律具有顯著差異，且分別可以采用傳統(tǒng)孔壓增長模型和冪函數(shù)關系加以描述；空心扭剪試驗中，雙向動荷載的幅值比值λ對孔壓增長具有顯著影響，但對歸一化孔隙水壓力發(fā)展模式?jīng)]有顯著的影響；動單剪試驗中，存在循環(huán)振次臨界轉(zhuǎn)換值，該值決定了孔壓增加隨動剪應力的變化趨勢。

空心扭剪試驗；動單剪試驗；孔隙水壓力；波浪荷載；砂土

我國渤海灣淺灘海域表層存在大量砂質(zhì)土，同時經(jīng)常受波浪荷載作用，波浪荷載作用下，砂土內(nèi)部產(chǎn)生累積孔隙水壓力，土體內(nèi)部有效應力降低，最終導致強度下降，影響海床及結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，因此有必要對孔壓發(fā)展模式進行研究。目前，對于波浪荷載下砂土內(nèi)部孔壓發(fā)展已有大量研究[1-8]，同時，關于飽和砂土的孔壓發(fā)展模式已提出多種不同形式的理論模型[9-15]，這些理論大多建立在室內(nèi)動力特性試驗之上。

早期研究成果表明，波浪荷載作用下，土體單元內(nèi)部應力特點為動應力幅值恒定，主應力軸發(fā)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)，可采用圓形應力路徑加以描述。但國內(nèi)外最新研究成果表明，橢圓形應力路徑更能準確地反映出土體單元的真實應力狀態(tài)，因此有必要對橢圓形應力路徑條件下飽和砂土內(nèi)部孔壓發(fā)展規(guī)律進行研究。此外，孔壓發(fā)展模式的主要室內(nèi)試驗手段包括：動單剪、動三軸和空心扭剪試驗系統(tǒng)三軸，不同試驗手段獲得的孔壓發(fā)展模式存在差異。因此，針對Dr為30%的砂質(zhì)土做了：(1)k0固結(jié)條件下不排水剪切的動單剪試驗；(2) 各向同性固結(jié)條件下橢圓形應力路徑加載方式的雙向耦合循環(huán)剪切試驗。探討了豎向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗中不同動應力幅值比對孔壓發(fā)展規(guī)律的影響；對比分析了不同試驗方法下孔壓發(fā)展規(guī)律異同，并給出了孔壓發(fā)展規(guī)律的具體描述形式。

1 試驗材料及方法

1.1 土料及其制備

試樣采用渤海灣某海域的細砂，主要物性指標：比重Gs=2.66，最大與最小干密度分別為ρdmax=1.944 g/cm3，ρdmin=1.225 g/cm3，粒組成分列于表1。

表1 粒徑分布

按照目標Dr、ρdmax和ρdmin計算得到試樣密度，進而根據(jù)試樣體積控制試樣質(zhì)量，各試樣的制作均采用分層干裝法(空心試樣和單剪試樣分別分為4層和2層)。聯(lián)合利用通CO2和無氣水以及反壓飽和方式對試樣進行飽和，直至試樣飽和度超過0.98。

1.2 試驗方法與方案

(1) 空心扭剪試驗。采用初始各向同性固結(jié)方式對試樣進行固結(jié)，固結(jié)結(jié)束后，對試樣進行雙向循環(huán)加載，荷載均采用應力控制，振動頻率為0.1 Hz，同時控制雙向振動相位差為90°，并調(diào)整雙向振動應力幅值，以滿足主應力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的橢圓形應力加載形式。

同時為了研究不同循環(huán)軸向應力幅值σd和剪應力幅值τd比值λ對孔壓增長的影響，分別控制該比值為3、2、0.8和0.4，同時調(diào)整初始固結(jié)應力，研究初始有效固結(jié)應力對孔壓增長規(guī)律的影響。詳細試驗方案列于表2。

表2 空心扭剪試驗加載方案

(2) 動單剪試驗。利用銅制疊環(huán)對試樣進行K0固結(jié)，固結(jié)結(jié)束后，采用應力控制進行不排水水平動力循環(huán)加載，頻率設定為0.1 Hz。詳細試驗方案列于表3。

表3 動單剪試驗加載方案

2 試驗儀器

采用兩套美國GCTS動力循環(huán)加載系統(tǒng)完成全部試驗內(nèi)容，利用GCTS循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)完成動單剪試驗，該系統(tǒng)采用銅制疊環(huán)實現(xiàn)K0固結(jié)和純剪破壞。動單剪試樣尺寸為φ50 mm×20 mm；利用GCTS空心扭剪試驗系統(tǒng)，完成主應力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)動力剪切試驗，試樣尺寸為外徑100 mm，內(nèi)徑50 mm，高度200 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 空心扭剪試驗中砂土的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖1為不同空心扭剪試驗條件下，孔隙水壓力u隨循環(huán)振次Nf的關系曲線。由圖1可看出，不同試驗條件下，孔壓增長規(guī)律相近，即在試驗開始階段，試樣有緊縮趨勢，孔隙水壓力迅速增長；然后顆粒發(fā)生重新排列，增長速率放緩，由疏松逐步趨于密實，但試樣一直處于壓縮狀態(tài)；最后，達到一臨界轉(zhuǎn)換點，試樣內(nèi)部孔壓迅速增加，直至達到初始固結(jié)應力，最終發(fā)生液化。

圖1 空心扭剪試驗中孔壓發(fā)展規(guī)律

對比分析同一固結(jié)應力，不同應力比λ條件下的孔壓增長趨勢，可發(fā)現(xiàn)，孔壓增長速率具有顯著差異。當應力比λ較大時，孔壓增長速率較快，即如圖1(a)所示，當λ=3.0時，循環(huán)破壞振次為36次，當λ=0.4時，循環(huán)破壞振次接近90次。結(jié)果表明，土體的動強度與軸向動荷載和扭轉(zhuǎn)動荷載幅值的比值λ具有顯著的依賴關系，即隨著λ的增加，土體的動強度逐漸降低。

圖2為u/uf—N/Nf歸一化結(jié)果曲線。由圖2可以看出，雖然λ對孔壓增長有顯著增長，但歸一化的u/uf—N/Nf關系與λ不存在依賴關系。將試驗得到的孔壓發(fā)展規(guī)律與既有孔壓增長模型p=(2σ3/π)·arcsin(N/N1)1/2θ進行比較，如圖2(b)所示，結(jié)果表明，既有孔壓增長模型可以很好地反映雙向耦合振動中的孔壓增長模式。

3.2 動單剪試驗中砂土的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖3給出了不同試驗動剪切強度條件下，砂土孔壓發(fā)展時程曲線，并按照平均孔壓對動單剪試驗中的孔壓發(fā)展規(guī)律進行擬合。由圖3可看出，不同動應力幅值條件下，超孔壓積累規(guī)律相近，即在加載初期，孔壓迅速積累，然后隨著動應力幅值的增加積累速度放緩，直至達到初始固結(jié)應力，試樣液化。此外，還可以看出，當動剪應力幅值較小時，超孔壓積累速度相對較慢，隨著動剪應力幅值的增加，超孔壓積累速度顯著增加，隨著動應力幅值的增加，達到液化所需振次顯著降低，即隨著循環(huán)破壞振次的增加，土體的動強度顯著下降。

圖2 空心扭剪試驗中歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律

圖3 動單剪試驗中的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖4給出了平均孔壓和循環(huán)振次之間的關系，由圖4可以看出，在半對數(shù)坐標中，孔壓和振次之間具有良好的線性關系，與黏性土中的規(guī)律相近。此外，參數(shù)u對振次的變化規(guī)律與動剪應力幅值大小有關，且存在一個臨界轉(zhuǎn)換點，當振次小于該轉(zhuǎn)換點時，孔壓的增加隨動剪應力的增加而減小，當超過該臨界轉(zhuǎn)換點時，孔壓的增加隨動剪應力的增加而增加，本次試驗中臨界轉(zhuǎn)換點在振次N=8左右。當然該現(xiàn)象僅在少數(shù)試驗中發(fā)現(xiàn)，受試驗數(shù)量和土體單一性影響，還有待進一步加以驗證。

圖4 孔壓和循環(huán)振次的關系

3.3 空心扭剪和動單剪試驗孔壓發(fā)展規(guī)律對比分析

對比分析空心扭剪和動單剪試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，孔壓在加載初期均顯著增加，但在繼續(xù)加載過程中，增長速率出現(xiàn)顯著差異。空心扭剪試驗中的孔壓隨即持續(xù)增加，后突然上升，直至達到初始固結(jié)應力；動單剪試驗中的孔壓則持續(xù)緩慢上升，直至接近初始固結(jié)應力。同時可以看出，動單剪試驗中的最終孔壓值與初始固結(jié)應力存在一定距離，但空心扭剪試驗中的孔壓可以完全達到。究其原因，可能是由于單剪試驗在加載過程中，試樣中的水甚至土體在壓力作用下容易擠進頂帽和橡皮膜之間的間隙，土樣不能保證完全常體積。

在空心扭剪試驗中，歸一化的u/uf—N/Nf關系可用孔壓增長模型p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ，在動單剪試驗中，對平均孔壓時程進行非線性擬合后發(fā)現(xiàn)，孔壓增長隨加載時間呈現(xiàn)以冪函數(shù)緩慢增加的規(guī)律(如圖3所示)，在半對數(shù)坐標中，孔壓增長隨循環(huán)振次呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律(如圖4所示)。

4 結(jié) 論

本文利用空心扭剪儀和動單剪試驗儀分別進行了均等和K0固結(jié)條件下的不排水動力剪切試驗，得到了如下幾點結(jié)論：

(1) 雙向耦合剪切試樣中，土體的動強度與軸向動荷載和扭轉(zhuǎn)動荷載幅值的比值λ具有顯著的依賴關系，土體的動強度隨λ的增加而降低，因此，必要時應對λ進行充分考慮。但λ對歸一化的孔隙水壓力發(fā)展模式?jīng)]有顯著影響。

(2) 動單剪試驗中，平均孔壓和循環(huán)振次之間在半對數(shù)坐標中呈現(xiàn)線性關系，與黏性土中的規(guī)律相近；且存在一臨界轉(zhuǎn)換點，當振次小于該臨界值時，孔壓的增加隨動剪應力的增加而減小，當超過該臨界轉(zhuǎn)換點時，孔壓的增加隨動剪應力的增加而增加，該規(guī)律還有待進一步加以驗證。

(3) 對比分析空心扭剪和動單剪試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔壓增長規(guī)律在加載初期相近，后由于單剪試驗的局限性出現(xiàn)顯著差異。同時前者的孔壓增長規(guī)律可用p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ加以描述；在動單剪試驗中，孔壓增長隨加載時間呈現(xiàn)以冪函數(shù)緩慢增加的規(guī)律，在半對數(shù)坐標中，孔壓增長隨循環(huán)振次呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。

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Experimental Research on Development Pattern of Pore-Water Pressure of Saturated Sand Under Wave Loads

DENG Haifeng1，2, LIU Zhenwen1，2, QI Lei1，2, XU Hao1，2, TIAN Wei1，2, LI Chun1，2

(1.CNPCResearchInstituteofEngineeringTechnology,Tianjin300451,Chin;2.KeyLaboratoryofOffshoreEngineering,CNPC,Tianjin300451,China)

Using the torsional shear hollow cylinder apparatus and dynamic simple shear test apparatus, a set of bi-directional cyclic loading and dynamic simple shear tests on saturated sand are conducted respectively in this paper. The development patterns of pore water pressure under two methods are analyzed and compared. The test results show that the development patterns which can be described by traditional pore water pressure development model and power function relationship are in significant difference. In bi-directional cyclic loading test, the ratio of bi-directional dynamic load amplitude (λ) has remarkable effect on pore-water pressure growth, while the normalized pore-water pressure is not. In dynamic simple shear test, the increasing trend of pore water pressure along with dynamic shear stress depended on existing critical conversion value of cycle.

dynamic hollow torsional test; dynamic simple shear test; pore-water pressure; wave loading; sand

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.009

2017-02-24

2017-03-17

鄧海峰(1989—)，男，吉林舒蘭人，碩士，助理工程師，主要從事海洋勘察和結(jié)構(gòu)設計工作。E-mail: denghaifeng@cnpc.com.cn

TU411

A

1672—1144(2017)03—0045—04