空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)在南海鈣質(zhì)砂動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試中的應(yīng)用

鄧海峰，祁 磊，許 浩，李 春

(中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司 天津300451)

0 引 言

作為我國(guó)重要的海上領(lǐng)土，中國(guó)南沙、西沙群島廣泛分布著鈣質(zhì)砂。作為一種特殊巖土介質(zhì)，鈣質(zhì)砂以珊瑚碎屑為主，并由石灰藻、有孔蟲、棘皮動(dòng)物碎片組成，與普通的陸源砂有明顯區(qū)別，具體特性表現(xiàn)在:碳酸鈣含量高；棱角度大；孔隙比高；易破碎。

此外，波浪的周期性運(yùn)動(dòng)在海床表面產(chǎn)生了往復(fù)波壓力，引起海洋地基或者海床土體內(nèi)的有效應(yīng)力場(chǎng)和超靜孔隙水壓力場(chǎng)不斷發(fā)生變化，最終導(dǎo)致土體動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，進(jìn)而對(duì)海床和海洋結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定性造成影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性進(jìn)行了一定的研究[1-6]，但由于試驗(yàn)條件的限制，一般都利用常規(guī)的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀和動(dòng)扭剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，不能考慮主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的影響，無法很好地模擬波浪荷載作用下鈣質(zhì)中的應(yīng)力狀態(tài)。

基于對(duì)波浪荷載作用下鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究的重要意義及其研究現(xiàn)狀，依托公司 GCTS多功能動(dòng)力液壓扭轉(zhuǎn)剪切儀，形成一套復(fù)雜應(yīng)力加載條件下砂土動(dòng)力特性室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)更加真實(shí)地模擬了波浪荷載條件，土體動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性更高。將該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究項(xiàng)目中，系統(tǒng)分析了偏應(yīng)力比、平均主應(yīng)力對(duì)飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)強(qiáng)度特性和孔壓增長(zhǎng)模式的影響。

1 空心扭剪試驗(yàn)方法

空心扭剪試驗(yàn)主要包括重塑試樣制備、試樣飽和、試樣固結(jié)和加載4個(gè)步驟。

1.1 空心圓柱試樣制備方法改進(jìn)

1.1.1 傳統(tǒng)裝樣方法

針對(duì)中砂(粒徑主要分布在 0.2～0.5mm 范圍內(nèi))，采用干裝法(試樣制備前不添加任何水分)，即便在較大真空壓力下，試樣內(nèi)部也會(huì)坍塌，導(dǎo)致制樣失敗。

1.1.2 裝樣方法改進(jìn)

采用濕裝法裝樣，依據(jù)“假黏聚力”效應(yīng)，通過配制不同含水率的樣品，配合一定真空壓力，使試樣自立，同時(shí)滿足均勻要求，詳見表1。

1.2 飽和試驗(yàn)方法改進(jìn)

1.2.1 傳統(tǒng)飽和方式

傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)樣品較小(直徑 3.91cm、高 8cm，體積100cm3)，采用反壓飽和方式可直接達(dá)到飽和效果。但空心扭剪試驗(yàn)樣品體積較大(650cm3)，直接反壓飽和，容易出現(xiàn)以下問題:①試樣內(nèi)部空氣含量更高，需提供更大反壓使空氣與水融合，目標(biāo)反壓可能會(huì)超出設(shè)備能力；②空氣與水融合需要一個(gè)緩慢的過程，導(dǎo)致飽和時(shí)間更長(zhǎng)；③某些砂土可能存在內(nèi)孔隙，水分不易進(jìn)入，造成飽和度達(dá)不到使用要求。

表1 空心試樣制備方法Tab.1 Hollow specimen preparation method

1.2.2 飽和方式改進(jìn)

結(jié)合通 CO2法、水頭飽和法和反壓飽和法 3種試驗(yàn)方法，摸索高效且滿足試驗(yàn)要求的飽和方式，詳見表2。

表2 試樣飽和方式Tab.2 Specimen saturation method

1.3 復(fù)雜應(yīng)力路徑加載方式實(shí)現(xiàn)

根據(jù)擬施加的圓形應(yīng)力路徑，建立循環(huán)應(yīng)力加載數(shù)學(xué)模型如下:

式中:σz、σθ、τ分別為豎向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、剪應(yīng)力，kPa；σz0、σθ0、τ0分別為固結(jié)完成后初始豎向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、剪應(yīng)力，kPa；σd為動(dòng)循環(huán)應(yīng)力幅值，kPa。

但在空心扭剪試驗(yàn)儀中，需通過控制內(nèi)、外圍壓pi、p0，豎向荷載W和扭矩MT來實(shí)現(xiàn)。

為此，建立了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

式中:σr為徑向應(yīng)力，kPa；R0、Ri為試樣外徑、試樣內(nèi)徑，m；A為豎向加載桿面積，m2；其他參數(shù)含義同上。

進(jìn)一步編制了18參數(shù)的目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)從固結(jié)到動(dòng)力剪切過程中的荷載條件確定，見圖1。

2 空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

將空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于天津大學(xué)“南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究”項(xiàng)目中，旨在研究重力錨作用下中砂在波浪荷載作用下的動(dòng)力特性，用于分析重力錨承載力和海床穩(wěn)定性等問題。

圖1 目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序Fig.1 Transition procedure between target stress and load

2.1 初始偏應(yīng)力比和平均主應(yīng)力對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響

如圖 2所示，某一偏應(yīng)力比條件下，動(dòng)應(yīng)力比由小變大時(shí)，循環(huán)破壞振次Nf顯著降低；且動(dòng)應(yīng)力比與破壞時(shí)的循環(huán)振次 N關(guān)系均具有顯著的冪函數(shù)相關(guān)性。

初始偏應(yīng)力比對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度有顯著影響，整體表現(xiàn)出，隨著初始偏應(yīng)力的增加，土體的動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低，但在振次初期，這種規(guī)律并不明顯，如圖 2(a)所示。筆者究其原因認(rèn)為，初始偏應(yīng)力比的增加，間接提高了加載前試樣內(nèi)部剪應(yīng)力，即施加動(dòng)荷載前，試樣剪切破壞趨勢(shì)增加。

平均主應(yīng)力同樣對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度影響顯著，不同平均主應(yīng)力下，動(dòng)應(yīng)力比均隨著循環(huán)振次的增加而顯著降低；此外，隨著平均主應(yīng)力的增加，動(dòng)應(yīng)力比逐漸增大，即土體動(dòng)強(qiáng)度不斷提高，如圖2(b)所示。

試驗(yàn)結(jié)果還表明，土體均存在臨界動(dòng)應(yīng)力比，即在特定初始應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比小于某一臨界應(yīng)力值，試樣不會(huì)發(fā)生破壞，因此該強(qiáng)度曲線多用于砂土液化判別和海床穩(wěn)定性分析中。

圖2 初始偏應(yīng)力比(a)和平均主應(yīng)力(b)對(duì)動(dòng)強(qiáng)度影響Fig.2 Dynamic strength curves under different partial stress ratios(a) and average principal stress(b)

2.2 初始偏應(yīng)力比對(duì)孔壓增長(zhǎng)模式影響

圖3給出了不同初始偏應(yīng)力比下孔壓與振次及孔壓比與振次比間關(guān)系曲線。

不同初始偏應(yīng)力比下的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律趨勢(shì)基本相同，即加載初期，孔壓增長(zhǎng)速率較大，達(dá)到一定程度后，增長(zhǎng)速率逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。需要注意的是土體破壞發(fā)生時(shí)，孔壓很難接近圍壓，孔壓與圍壓比值一般在 0.7左右，因此通常采用變形標(biāo)準(zhǔn)作為土體破壞準(zhǔn)則。

然而不同初始偏應(yīng)力比下孔壓增長(zhǎng)速率存在差異，但歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律較為接近，如圖 3所示。對(duì)數(shù)擬合結(jié)果如下:

圖3 不同初始偏應(yīng)力比下孔壓與振次及孔壓比與振次比間關(guān)系曲線Fig.3 Pore water pressure and vibration countrelation curves

3 結(jié) 論

基于美國(guó) GCTS空心扭剪試驗(yàn)儀，解決了中砂空心試樣制備和飽和問題，提出了一種復(fù)雜應(yīng)力加載方法，形成了一套復(fù)雜應(yīng)力路徑加載下砂土動(dòng)力特性室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，并成功應(yīng)用于南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性測(cè)試項(xiàng)目中，主要結(jié)論如下:

① 針對(duì)中砂空心試樣制備，提出采用 7%含水率和20kPa真空聯(lián)合制樣，效果良好。

② 針對(duì)大體積空心圓柱試樣飽和，提出綜合采用通 CO2、水頭飽和及反壓飽和方式，并明確了各階段維持時(shí)間，試樣飽和效果良好，飽和度均達(dá)到 95%以上。

③ 建立了復(fù)雜循環(huán)應(yīng)力加載數(shù)學(xué)模型，確定了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換關(guān)系，編制了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序，解決了各類復(fù)雜動(dòng)循環(huán)應(yīng)力加載在控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)問題。

④ 初始偏應(yīng)力比和平均主應(yīng)力對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度均影響顯著；土體動(dòng)強(qiáng)度隨著平均主應(yīng)力的增加而逐漸提高，隨著初始偏應(yīng)力的增加而逐漸降低。

⑤ 不同初始偏應(yīng)力比下的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律趨勢(shì)基本相同，但孔壓增長(zhǎng)速率存在差異；歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律較為接近，且表現(xiàn)出良好的對(duì)數(shù)關(guān)系。