基于流變儀測試海底淺表層軟黏土不排水強(qiáng)度研究

繆棟杰，宋丙輝，宋玉鵬，孫永福, 3，蘇志明，劉紹文

(1. 南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061; 3. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237)

軟黏土在我國近海廣泛分布，具有含水率高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低以及滲透性差等特點(diǎn)[1]。隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的持續(xù)實(shí)施，與海底軟黏土相關(guān)的近海海洋開發(fā)活動(dòng)蓬勃發(fā)展，如海洋牧場、人工魚礁、海底光纜及近海油氣資源開采等[2-4]，因此，評(píng)估海底軟黏土的工程特性，尤其是強(qiáng)度性質(zhì)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前軟黏土的強(qiáng)度測試方法主要分為兩大類，一類是原位測試，主要包括原位十字板剪切和靜力觸探等；另一類是室內(nèi)試驗(yàn)，分為直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等。由于海底軟黏土的強(qiáng)度極低[1]，常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)方法常常無法滿足測試精度的要求，因此，新的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度測試方法近年來逐漸興起。Inoue等[5]研制出了薄板貫入試驗(yàn)裝置，利用該裝置測試了高含水率淤泥的不排水強(qiáng)度；后期Tan等[6]對(duì)比了薄板貫入試驗(yàn)結(jié)果與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)試驗(yàn)和落錐試驗(yàn)等測試結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性；國內(nèi)吉峰等[7]通過引進(jìn)薄板貫入試驗(yàn)對(duì)比研究了我國不同地區(qū)的3種疏浚淤泥的不排水強(qiáng)度，指出以含水率與液限之比作為參考變量可對(duì)3種淤泥的不排水強(qiáng)度進(jìn)行歸一化；王亮等[8]采用自研的室內(nèi)高精度微型十字板剪切儀研究了含水率對(duì)重塑淤泥不排水強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域淤泥的不排水強(qiáng)度與含水率/液限之間存在冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系；魯雙等[9]基于多組超軟土強(qiáng)度和流變特性試驗(yàn)提出了使用流變儀進(jìn)行超軟土強(qiáng)度測試的有效方法；年廷凱等[1]研制出一種適用于低強(qiáng)度、高含水率土體強(qiáng)度測試的新型全流動(dòng)貫入儀，通過測試南海北部陸坡區(qū)軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，建立了該區(qū)域軟黏土不排水剪切強(qiáng)度歸一化模型。

作為海底管纜、人工魚礁等海工設(shè)施的潛在持力層，以往關(guān)于海底軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度的研究較多，但囿于測試手段和測試精度的限制，在海底淺表層軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度精細(xì)化測試方面成果比較有限。尤其是對(duì)于海上原位測試技術(shù)如原位十字板等，通常只能測試海底土的峰值和重塑強(qiáng)度，無法獲知海底土剪切破壞的全過程特征，且限于測試環(huán)境和設(shè)備自身原因某些情況下對(duì)于海底超軟土強(qiáng)度的測試精度也無法令人滿意[7]。本次采用RST-SST型軟固體流變儀研究了青島海域海底淺表層軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度特性，揭示了原狀和重塑海底軟黏土不排水剪切破壞過程，探討了海底軟黏土靈敏度與埋深及液性指數(shù)間的關(guān)系，建立了研究區(qū)海底軟黏土不排水剪切強(qiáng)度歸一化模型，為精細(xì)評(píng)估海底淺表層軟黏土不排水強(qiáng)度特性提供了新的借鑒。

1 試驗(yàn)土樣和方法

1.1 試驗(yàn)土樣

研究區(qū)位于南黃海青島周邊海域，水深小于50 m，海底發(fā)育有水下淺灘、現(xiàn)代水下三角洲及海沖蝕平原等海底地貌，海相地層形成于全新世海侵，其下為晚更新世的河流/沼澤相沉積或中生代地層[10]。試驗(yàn)土樣分別取自石門巖和千里巖附近海域，取樣站點(diǎn)信息如表1所示，取樣之前先進(jìn)行孔壓靜力觸探(CPTU)原位測試，后利用重力取樣器采集海底沉積物，經(jīng)現(xiàn)場分樣密封后運(yùn)回室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開展土體物理力學(xué)性質(zhì)測試。由于所取柱狀樣來自海底4 m以淺土層，根據(jù)有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可知屬于淺表層海底沉積物[11-12]。

柱狀樣土質(zhì)較均一，呈灰—灰褐色，流—軟塑狀，局部夾雜少量生物貝殼碎屑(圖1)。

圖1 重力柱02土樣(埋深1.2～1.4 m)Fig. 1 02# soil sample (burial depth 1.2～1.4 m)

為全面評(píng)估海底淺表層軟黏土的工程性質(zhì)，將柱狀樣按照長約20 cm進(jìn)行分段截取，每段均開展一組基本物理指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5012—2019)[13]執(zhí)行，其中塑限和液限采用WX-2光電液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，相比起重力柱03，重力柱02土樣的含水率更高，密度更小，液限指數(shù)更大，強(qiáng)度也更低，而二者的液塑限則比較接近。按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[14]，重力柱02土樣可歸類為黏土，重力柱03除前20 cm以淺屬粉質(zhì)黏土外，其余土樣也可歸類為黏土。

表2 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Tab. 2 Physical property indexes of soil

1.2 試驗(yàn)方法

使用美國Brookfield公司的RST-SST型軟固體流變儀(圖2)測試海底淺表層軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度，該儀器操作簡便，測試精度高，可獲得土體全過程剪切破壞特征，近年來在高含水率、低強(qiáng)度的海底流態(tài)土強(qiáng)度測試中得到了越來越多的應(yīng)用[15-16]。

圖2 RST-SST流變儀Fig. 2 RST-SST rheometer

該流變儀的強(qiáng)度測試原理與十字板剪切試驗(yàn)相同，均為剪切柱體假設(shè)理論[17]。將轉(zhuǎn)子插入土體中至目標(biāo)深度，短暫靜置一段時(shí)間消除轉(zhuǎn)子插入的擾動(dòng)影響后，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子在土層中產(chǎn)生接近一個(gè)圓柱體的破壞狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 圓柱形破壞面強(qiáng)度分布示意Fig. 3 Distribution of shear strength on cylindrical failure surface

根據(jù)外力施加于轉(zhuǎn)子上的最大力矩Mmax來推求土體的抗剪強(qiáng)度：

(1)

對(duì)于飽和軟黏土τf等于其不排水剪切強(qiáng)度su，則有：

(2)

式中：τf為轉(zhuǎn)子在土體中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，kPa；su為土體不排水剪切強(qiáng)度，kPa；Mmax為最大力矩，N·m；D為轉(zhuǎn)子十字板直徑，mm；H為轉(zhuǎn)子十字板高度，mm。

本次選用的轉(zhuǎn)子直徑D=20 mm，高度H=40 mm，最大量程約3.5 kPa，測試采用剪切速率控制模式，前人利用十字板剪切儀測試軟黏土不排水剪切強(qiáng)度時(shí)多設(shè)定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為0.1°/s[18]，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5012—2019)的要求[13]，也設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率為0.1°/s，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子圓周剪切速率約為1.05 mm/min，接近于常規(guī)直剪快剪的剪切速率(0.8 mm/min)。測試開始前利用Brookfield黏度標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)流變儀進(jìn)行了校準(zhǔn)檢驗(yàn)，以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)結(jié)果表明相同轉(zhuǎn)子和扭矩值下測得的黏度讀數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)液真實(shí)值的±3%之內(nèi)，符合校準(zhǔn)要求。通過調(diào)節(jié)操作手柄使轉(zhuǎn)子垂直貫入軟黏土中1倍轉(zhuǎn)子高度[9, 14]，由于貫入深度有限，鉆桿直徑較小(5 mm)，故忽略了鉆桿的摩擦阻力效應(yīng)[9]，間隔5 min后開始測試原狀軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度(初始強(qiáng)度)，而后快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子六圈使土樣充分?jǐn)_動(dòng)，進(jìn)而測試重塑土樣的不排水剪切強(qiáng)度(重塑強(qiáng)度)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 測試結(jié)果可靠性分析

對(duì)于原位靜力觸探測試，Kjekstad等[19]總結(jié)多種試驗(yàn)及理論方法提出估算黏性土不排水剪切強(qiáng)度的公式：

(3)

式中：su為黏性土不排水剪切強(qiáng)度，kPa；qt為經(jīng)孔壓修正后的錐尖阻力，kPa；σv0為上覆土體的總應(yīng)力，kPa；Nkt為經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)，多根據(jù)原位和室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果反算得來。

本次將流變儀、微型十字板[20]測試結(jié)果與現(xiàn)場靜力觸探估算得到的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了匯總分析，如圖4所示，其中限于轉(zhuǎn)子測試量程，重力柱03僅對(duì)埋深65 cm以淺樣品開展了流變儀強(qiáng)度測試。

從圖4可知，不同測試手段得到的海底淺表層軟黏土不排水剪切強(qiáng)度彼此吻合較好，說明采用流變儀測試軟黏土不排水剪切強(qiáng)度是可行的[9]。值得注意的是根據(jù)靜力觸探錐尖阻力反算黏性土不排水剪切強(qiáng)度時(shí)采用的經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)Nkt=30，符合室內(nèi)三軸不固結(jié)不排水剪切(Nkt=18～35)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(Nkt=22～42)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)范圍值[21]。

圖4 軟黏土強(qiáng)度測試結(jié)果對(duì)比Fig. 4 Comparison between different strength test results for soft clay

2.2 軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度

基于重力柱02不同埋深處土樣流變強(qiáng)度測試結(jié)果，圖5描繪了海底淺表層軟黏土不排水剪切強(qiáng)度隨剪切位移的發(fā)展演變特征，其中剪切位移為轉(zhuǎn)子的圓周旋轉(zhuǎn)位移。從圖5可以看出，在一定的剪切變形范圍內(nèi)，埋深較淺海底軟黏土(d=5、50、100、130 cm)的初始不排水剪切強(qiáng)度—剪切位移關(guān)系呈現(xiàn)比較明顯的應(yīng)變軟化破壞特征，而隨著軟黏土埋深增大(d=170、190 cm)，剪切逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯌?yīng)變硬化破壞。與初始強(qiáng)度不同，重塑后海底軟黏土不排水剪切強(qiáng)度隨剪切位移均表現(xiàn)出良好的塑性破壞特征。不同的剪切破壞模式與軟黏土本身性質(zhì)、固結(jié)狀態(tài)、施加的剪切速率以及應(yīng)力路徑等有關(guān)[13]，這種現(xiàn)象對(duì)于以海底淺表層軟黏土作為持力層的海工設(shè)施科學(xué)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義[3-4]。

圖5 海底軟黏土不排水剪切強(qiáng)度—剪切位移相關(guān)關(guān)系(重力柱02)Fig. 5 Relationships between undrained shear strength and shear displacement for soft clay (02# soil sample)

圖6給出了兩個(gè)重力柱土樣流變儀初始強(qiáng)度和重塑強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。從圖6可知，青島海域海底淺表層軟黏土初始不排水剪切強(qiáng)度介于0.523～3.461 kPa之間，重塑不排水剪切強(qiáng)度介于0.068～1.158 kPa之間。埋深0～45 cm范圍內(nèi)重力柱02和重力柱03土樣的初始強(qiáng)度彼此接近，均隨埋深的增加而逐漸增大，但隨著埋深進(jìn)一步增加，重力柱03土樣的初始強(qiáng)度增大明顯，幾乎達(dá)到了流變儀的最大量程，這主要與此埋深處重力柱03土樣含水率降低而密實(shí)度有所增大有關(guān)，而埋深70 cm以下重力柱02土樣的初始強(qiáng)度呈先減小后增大的波動(dòng)變化趨勢(shì)。兩個(gè)重力柱土樣的重塑強(qiáng)度隨埋深波動(dòng)變化趨勢(shì)類似于其初始強(qiáng)度，但幅值較初始強(qiáng)度明顯減小。有學(xué)者在我國南海北部陸坡區(qū)開展了眾多海底淺表層沉積物不排水剪切強(qiáng)度測試研究，在測試手段相近(微型十字板)和沉積物土性相同(軟黏土)的基礎(chǔ)上將南海北部陸坡某B2站位淺表層軟黏土的初始強(qiáng)度[22]繪于圖6中，可以看出此次重力柱02土樣的初始強(qiáng)度隨埋深變化規(guī)律與之比較吻合，然而限于缺乏該站位軟黏土的基本物理性質(zhì)，潛在機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

圖6 海底淺表層軟黏土不排水剪切強(qiáng)度隨埋深的變化情況Fig. 6 Relationships between undrained shear strength and buried depth for shallow marine soft clay

2.3 軟黏土的靈敏度

土體由原位狀態(tài)到重塑狀態(tài)后強(qiáng)度會(huì)降低，即表現(xiàn)出了土體的結(jié)構(gòu)性和靈敏性。Terzaghi[23]提出了一個(gè)評(píng)價(jià)土體靈敏性的指標(biāo)，即靈敏度St，用來衡量黏性土結(jié)構(gòu)性對(duì)其強(qiáng)度的影響，通常定義為原位不排水剪切強(qiáng)度su,0與重塑后強(qiáng)度su,rem的比值：

(4)

圖7描繪了青島海域兩個(gè)重力柱樣品的靈敏度隨埋深的變化情況，為了相互比較，前人利用全流動(dòng)儀循環(huán)測試獲得的南海軟黏土靈敏度也一同繪于圖中[1]。從圖7可以看出青島海域海底淺表層軟黏土的靈敏度介于2～10之間，屬中—高靈敏性黏土，靈敏度平均值為5.00，接近于江蘇連云港海相軟土的平均靈敏度(St=4.47)[24]，但明顯小于南海北部陸坡海底軟黏土的靈敏度。另外，海底淺表層軟黏土靈敏度隨埋深增加呈遞減的趨勢(shì)，表明表層軟黏土的靈敏度一般大于淺層土的靈敏度。相比較而言，重力柱02軟黏土的靈敏度一般稍大于重力柱03土樣的靈敏度，說明重力柱02軟黏土的結(jié)構(gòu)性要相對(duì)更強(qiáng)一些。Bjerrum[25]通過研究Norwegian海積軟黏土發(fā)現(xiàn)土體靈敏度隨液性指數(shù)增大而有所增高，本文重力柱02軟黏土的液性指數(shù)比重力柱03土樣的大(表2)，因此液性指數(shù)高應(yīng)是重力柱02軟黏土靈敏度相對(duì)更高的原因之一[26]。

圖7 土樣靈敏度測試結(jié)果匯總Fig. 7 Test results of the sensitivity of soft soil

基于前人[25, 27]研究成果，圖8匯總了不同區(qū)域黏性土靈敏度隨液性指數(shù)的變化情況。整體來看，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中黏性土的靈敏度隨液性指數(shù)的增大大致呈線性增長趨勢(shì)，只不過相同液性指數(shù)下青島和上海軟黏土的靈敏度相對(duì)偏小一些?？紤]到黏性土靈敏度受物質(zhì)組成、取樣擾動(dòng)、重塑方式、測試手段、原位有效應(yīng)力等多種因素的綜合影響[27]，后續(xù)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來重新評(píng)估黏性土靈敏度與液性指數(shù)間相關(guān)關(guān)系是有必要的。

圖8 液性指數(shù)和靈敏度的關(guān)系Fig. 8 Relationships between liquidity index and sensitivity

2.4 軟黏土的歸一化強(qiáng)度模型

影響軟黏土不排水剪切強(qiáng)度的因素有很多，但對(duì)于海底淺表層軟黏土來說，含水率是主要的影響因素之一，不排水強(qiáng)度通常隨含水率的增加而快速降低[5-6]。吉鋒等[7]基于室內(nèi)平板貫入試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同種類淤泥的不排水剪切強(qiáng)度隨含水率增大表現(xiàn)出相似的衰減特征，引入w/wL(含水率和液限之比)對(duì)不同軟黏土的不排水強(qiáng)度與含水率的關(guān)系進(jìn)行歸一化，如式(5)所示：

(5)

式中：su為軟黏土不排水剪切強(qiáng)度，kPa；w為土樣含水率，%；wL為土的液限，%；a，b為擬合參數(shù)，隨不同土樣的性質(zhì)而變化。

圖9描繪了青島海域海底軟黏土不排水剪切強(qiáng)度與w/wL間相關(guān)關(guān)系。

圖9 軟黏土不排水剪切強(qiáng)度與w/wL相關(guān)關(guān)系Fig. 9 Relationships between undrained shear strength and w/wL for soft clay

如圖9所示，青島海域海底軟黏土的初始和重塑不排水強(qiáng)度均隨w/wL的增大呈冪律形式減小，符合前人提出的軟黏土歸一化強(qiáng)度模型。另外，隨著w/wL逐漸增大，海底淺表層軟黏土的初始與重塑不排水剪切強(qiáng)度之間的差距逐漸縮小，表明軟黏土的結(jié)構(gòu)性隨w/wL的增加而有所減弱。

為了更全面地對(duì)比不同類別軟黏土的歸一化強(qiáng)度特性，將本文成果與前人有關(guān)發(fā)現(xiàn)[7-8, 11, 28]進(jìn)行了匯總分析，結(jié)果如圖10和表3所示。

圖10 軟黏土歸一化強(qiáng)度特性對(duì)比Fig. 10 Comparison of different normalized strength models for soft clay

表3 a和b取值情況Tab. 3 Values of a and b

由圖10可以看出本文采用流變儀測得的海底軟黏土重塑不排水剪切強(qiáng)度隨w/wL變化趨勢(shì)與前人所得結(jié)果基本一致，只是強(qiáng)度模型擬合參數(shù)存在不同。相較而言，本文結(jié)果與Hong等[28]和吉峰等[7]的結(jié)果比較接近，小于王亮等[8]和年廷凱等[1]的試驗(yàn)結(jié)果。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)軟黏土不排水剪切強(qiáng)度會(huì)隨剪切速率的增大而增大[9]，本文采用的剪切速率為6°/min，而王亮等[8]采用的剪切速率為60°/min，除了土的固有性質(zhì)不同之外，剪切速率低可能是本文結(jié)果低于王亮等[8]試驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)重要原因。

3 結(jié) 語

基于室內(nèi)軟固體流變儀測試了青島海域海底淺表層軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度，得出了如下結(jié)論：

1)基于流變儀試驗(yàn)得到的軟黏土不排水剪切強(qiáng)度與靜力觸探和微型十字板測試結(jié)果吻合良好，因此，采用流變儀測試軟黏土不排水剪切強(qiáng)度是可行的。

2)由表層至淺層原狀海底軟黏土不排水剪切破壞模式從應(yīng)變軟化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯌?yīng)變硬化，而重塑后海底軟黏土不排水剪切破壞模式基本呈理想塑性破壞；青島海底淺表層軟黏土初始不排水剪切強(qiáng)度介于0.523～3.461 kPa之間，重塑后不排水剪切強(qiáng)度介于0.068～1.158 kPa之間。

3)青島海域海底淺表層軟黏土的靈敏度介于2～10之間，屬中—高靈敏性黏土，軟黏土靈敏度隨埋深增加呈不斷減小趨勢(shì)，隨液性指數(shù)增大而有所增大。

4)青島海域海底軟黏土的初始和重塑不排水強(qiáng)度均隨w/wL的增大而快速減小，符合冪函數(shù)歸一化強(qiáng)度模型。