海洋軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度確定方法試驗(yàn)研究

0 引言

海洋地基中軟黏土分布廣泛，具有層厚深、含水量高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，確定其不排水抗剪強(qiáng)度對海上風(fēng)電基礎(chǔ)安裝和受荷設(shè)計(jì)十分重要[1]。

目前獲取軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度方法分試驗(yàn)室測試和現(xiàn)場試驗(yàn)測試兩類，軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)室測試存在結(jié)果離散不連續(xù)、土樣擾動(dòng)等缺陷；現(xiàn)場測試存在試驗(yàn)條件不明確、人為因素影響大等缺陷。因此，對特定地區(qū)軟黏土強(qiáng)度測試，一般選擇針對性測試方法，以保證測試結(jié)果的可靠性。年廷凱等[2]利用新型全流動(dòng)貫入儀測試了南海北部陸坡低強(qiáng)度、高含水率軟黏土，基于重塑不排水剪切強(qiáng)度與含水率/液限間的關(guān)聯(lián)性分析，提出了適用于研究區(qū)土體的不排水剪切強(qiáng)度歸一化模型。沈愷倫等[3]針對溫州軟黏土開展了三軸排水應(yīng)力路徑試驗(yàn)和三軸不排水剪切試驗(yàn)的研究，揭示典型結(jié)構(gòu)性軟黏土的屈服特性和屈服后的塑性流動(dòng)特征。詹云霞等[4]采用應(yīng)力控制的單剪試驗(yàn)對中國南海海域原狀飽和軟黏土的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究，考察了不同應(yīng)力水平下軟黏土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和強(qiáng)度特征。雷磊等[5對唐山沿海地區(qū)軟黏土地基勘察工程中扁鏟側(cè)脹、T型觸探、靜力觸探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，對比了不同測試手段結(jié)果的可靠性。賈寧等[對T型觸探進(jìn)行了改進(jìn)，提高了測試準(zhǔn)確度。盧力強(qiáng)等以天津?yàn)I海新區(qū)軟土為研究對象，進(jìn)行大量扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，通過與相鄰位置十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，確定了用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測試天津?yàn)I海新區(qū)軟土不排水抗剪強(qiáng)度時(shí)的計(jì)算公式系數(shù)取值。

然而，實(shí)際地質(zhì)勘察中仍以常見的十字板、靜力觸探、三軸試驗(yàn)等方式為主，本文以江蘇近海某風(fēng)電場所在海域軟黏土為例，采用多種現(xiàn)場和試驗(yàn)室方法測定其不排水抗剪強(qiáng)度，并分析各種測試方法的結(jié)果差異，提出了針對不同海上風(fēng)電基礎(chǔ)的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度確定方法，為海上風(fēng)電工程勘察提供參考。

1海域地質(zhì)概況

該風(fēng)電場距離岸線約 8km ，場區(qū)海域地貌類型為大陸架淺海堆積平原地貌，水深 5～11m ，場區(qū)所在海域地形總體較為平坦，海床泥面一般為水下 4.9～ 8.8m ，風(fēng)電場區(qū)地形總體特征為離岸方向海床面高程逐漸降低，呈東低西高趨勢。地層復(fù)雜，包括砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等。最上層為砂質(zhì)粉土，飽和重度為 19.3kN/m³ ，砂質(zhì)粉土層下為較厚的淤泥質(zhì)黏土層，飽和重度為 16.5kN/m³ 。

2 試驗(yàn)方案

本文以砂質(zhì)粉土層下較厚的淤泥質(zhì)黏土層為研究對象，在該風(fēng)電場F13，F(xiàn)21，F(xiàn)37三個(gè)機(jī)位開展了多種現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)，測試了淤泥質(zhì)黏土層強(qiáng)度指標(biāo)。F13，F(xiàn)21，F(xiàn)37三個(gè)機(jī)位淤泥質(zhì)黏土層分布位置分別為泥面以下 1.68～16.7m，1.42～21.14m 和 1.5～ 10m ，各地層分布如圖1所示。

現(xiàn)場試驗(yàn)為海洋巖土工程勘察中最常見的海上原位十字板和原位孔壓靜力觸探試驗(yàn)。F13和F21機(jī)位十字板試驗(yàn)初始深度為 2.5m ，F(xiàn)37機(jī)位為 2m ，試驗(yàn)深度間隔距離為 1m ，最大試驗(yàn)點(diǎn)深度和各機(jī)位淤泥質(zhì)黏土層分布深度基本保持一致?？讐红o力觸探試驗(yàn)由泥面連續(xù)貫入測試。室內(nèi)試驗(yàn)包括三軸固結(jié)不排水（CIU）剪切試驗(yàn)、三軸不固結(jié)不排水（UU）剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)土樣位置及數(shù)量如圖1所示。

3不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

十字板的工作原理是利用施加于板頭上的扭矩與土的抗剪強(qiáng)度關(guān)系，先測得扭矩，而后得到土的抗剪強(qiáng)度[8]。根據(jù)十字板試驗(yàn)初次轉(zhuǎn)動(dòng)和多次轉(zhuǎn)動(dòng)后扭矩不再變化時(shí)讀數(shù)，可計(jì)算軟黏土原狀不排水抗剪強(qiáng)度和重塑不排水抗剪強(qiáng)度，計(jì)算公式為

s_?u=2M/[πD²（H+D/3）]

式中： s_u 為軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度， kPa;M 為十字板測得扭矩， kN??m;D 和 H 分別為十字板葉片旋轉(zhuǎn)直徑和葉片高度， m 。

孔壓靜力觸探試驗(yàn)由泥面連續(xù)貫入測試，取各機(jī)位淤泥質(zhì)黏土層段的結(jié)果進(jìn)行分析?？讐红o力觸探可獲取錐端貫入阻力、探桿側(cè)阻和超孔隙水壓力，根據(jù)孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算原狀軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度q_t 方法為

式中： q_c 為錐端貫入阻力， kPa;u 為超孔隙水壓力， kPa;α 為凈面積比值，取值 0.84;s_u0 為原狀軟黏土不 排水抗剪強(qiáng)度， kPa;σ_v0 為上覆土壓力， kPa;N_c 為錐端 阻力系數(shù)，其取值范圍為 10～35 ，具體需根據(jù)地區(qū)經(jīng) 驗(yàn)確定[9-10]

根據(jù)孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算重塑軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度方法為

s_ur=βf_s

式中： s_ur 為重塑軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度， kPa;β 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其大小依據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場測試結(jié)果反算得到 ;f_s 為探桿側(cè)阻， kPa 。

孔內(nèi)進(jìn)行電動(dòng)十字板試驗(yàn)，十字板型號(hào)為AS-1型，直徑和高度分別為 75mm 和 150mm ?？讐红o力觸探試驗(yàn)使用荷蘭GEOMIL靜探儀，其探頭錐角為60^° ，錐頭面積為 10cm² ，摩擦套筒面積為 150cm² 。圖2為現(xiàn)場試驗(yàn)測得的原狀土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線。圖中散點(diǎn)為十字板試驗(yàn)結(jié)果，隨深度變化的連續(xù)線為孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果。圖中試驗(yàn)結(jié)果是以十字板試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)確定其錐端阻力系數(shù) N_c 。從圖2中可以看出，對于該區(qū)域淺層和深層軟黏土錐端阻力系數(shù) N_c 取值不同。通過分析可得，當(dāng)測試深度在8m 以內(nèi)， N_c 取值15，當(dāng)測試深度超過 8m，N_c 取值18。

圖3為現(xiàn)場試驗(yàn)測得的重塑土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線。圖中散點(diǎn)為十字板試驗(yàn)結(jié)果，隨深度變化的連續(xù)線為孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果。以十字板試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，擬合分析可得公式（4）中系數(shù) β 為0.55。

圖4為海上原位十字板試驗(yàn)測得的軟黏土靈敏度。從圖4中可以看出，各機(jī)位在 2m 左右深度處靈敏度約為 ^7，3m 及以下深度處靈敏度約為3.5，表明對于有較薄砂質(zhì)粉土上覆層時(shí)，軟黏土淺層靈敏度遠(yuǎn)大于深層，在海上風(fēng)電應(yīng)用筒、錨等淺型基礎(chǔ)時(shí)，工程設(shè)計(jì)中要著重考慮這一特點(diǎn)。造成這一現(xiàn)象的原因是：對于較薄上覆砂質(zhì)粉土層情況， 2m 左右測點(diǎn)處接近淤泥質(zhì)軟黏土表層，軟黏土表層接近硬殼層特征使其原狀強(qiáng)度偏大，同時(shí)表層上覆土壓力小，完全擾動(dòng)后成為流塑狀態(tài)，重塑強(qiáng)度非常低，導(dǎo)致軟黏土淺表處靈敏度較大。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

針對現(xiàn)場獲取的土樣，除F37機(jī)位由于高質(zhì)量土樣數(shù)量不足未開展三軸不固結(jié)不排水（UU）剪切試驗(yàn)外，各機(jī)位土樣均在室內(nèi)開展了三軸固結(jié)不排水（CIU）剪切試驗(yàn)、三軸不固結(jié)不排水（UU）剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)。

圖5中實(shí)線為CIU試驗(yàn)獲得的各機(jī)位土試樣豎向固結(jié)應(yīng)力與剪切強(qiáng)度關(guān)系。由于CIU試驗(yàn)中為等向固結(jié)，而實(shí)際海洋地基土為KO固結(jié)，需將等向固結(jié)的CIU試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為KO固結(jié)的CKOU試驗(yàn)結(jié)果。Mayne[1]通過對42種不同軟黏土的CIU和CK0U試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)對比，發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)得到的歸一化不排水抗剪強(qiáng)度存在如下關(guān)系：

式中： σ_v^′ 為豎向固結(jié)應(yīng)力。

根據(jù)公式（5）可計(jì)算出對應(yīng)CK0U試驗(yàn)結(jié)果，如圖5中虛線所示。根據(jù)各機(jī)位取土樣深度，可計(jì)算相應(yīng)深度處自重應(yīng)力和K0固結(jié)剪切強(qiáng)度，如圖5中試樣點(diǎn)所示。

圖6為各機(jī)位CKOU，UU和UCS試驗(yàn)測得的不排水抗剪強(qiáng)度。從圖6中可以看到不同試驗(yàn)方法得到的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度有差異，UCS試驗(yàn)測得的不排水抗剪強(qiáng)度較其他試驗(yàn)偏大，這與試驗(yàn)過程土樣擾動(dòng)、試驗(yàn)方法等因素有關(guān)，有學(xué)者[12-13]建議預(yù)壓固結(jié)至現(xiàn)場自重應(yīng)力 1.5～2.5 倍后，再開展三軸剪切試驗(yàn)獲取的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度更加接近真實(shí)值。根據(jù)圖6中UCS試驗(yàn)測得的原狀土和重塑土不排水抗剪強(qiáng)度，計(jì)算軟黏土靈敏度在3.3左右，與前文海上原位十字板試驗(yàn)結(jié)果相近。

4不排水抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值確定方法

樁基和筒型基礎(chǔ)是當(dāng)前海上風(fēng)電最常見的基礎(chǔ)型式，本文根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)測得的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度，提出一套適用于樁基和筒型基礎(chǔ)的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值確定方法。如前文所述，多種試驗(yàn)均可獲取土體不排水抗剪強(qiáng)度，且不同試驗(yàn)方法獲取的強(qiáng)度大小差異較大，要保證最終確定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可靠，需依據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果綜合確定。

將海上原位十字板和室內(nèi)試驗(yàn)獲取的原狀不排水抗剪強(qiáng)度繪制于同一張圖上，如圖7所示。以上2種方法獲取的結(jié)果均為離散點(diǎn)，可通過多種試驗(yàn)離散點(diǎn)結(jié)果確定海上靜力觸探試驗(yàn)中的錐端阻力系數(shù)，從而更準(zhǔn)確地獲取軟黏土地基隨深度連續(xù)變化的強(qiáng)度值。針對樁基和筒型基礎(chǔ)服役期間受荷安全性，為防止設(shè)計(jì)值過大或者過小，本文提出綜合考慮各種試驗(yàn)方法結(jié)果的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度代表值，即處于各種試驗(yàn)結(jié)果均值附近，見圖7中連續(xù)實(shí)線。針對筒型基礎(chǔ)安裝過程中，為防止由于沉貫阻力設(shè)計(jì)值太小，導(dǎo)致筒型基礎(chǔ)現(xiàn)場安裝不到位的情況出現(xiàn)，除可能由于局部硬土團(tuán)塊導(dǎo)致的少數(shù)異常偏大測量值外，本文將覆蓋各試驗(yàn)方法測得的強(qiáng)度值作為不排水抗剪強(qiáng)度最大值，以確定的最大值來進(jìn)行筒型基礎(chǔ)安裝沉貫阻力設(shè)計(jì)，見圖7中連續(xù)虛線。

綜上，針對海上風(fēng)電中常見的樁基和筒基，以多種勘察方法為依據(jù)，本文提出的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值綜合確定方法如下： ① 收集該位置所有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)測試結(jié)果； ② 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)測得離散土體不排水抗剪強(qiáng)度，確定一大一小兩個(gè)原位靜力觸探試驗(yàn)貫入阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)； ③ 利用確定的靜力觸探試驗(yàn)貫入阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算大小兩組土體不排水抗剪強(qiáng)度沿深度變化曲線； ④ 強(qiáng)度較大值可覆蓋大部分室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)測得強(qiáng)度離散值，定義為強(qiáng)度上限值，強(qiáng)度較小值可代表大部分室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)測得強(qiáng)度離散值，定義為強(qiáng)度代表值； ⑤ 確定海上風(fēng)電基礎(chǔ)土體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，樁基礎(chǔ)選取強(qiáng)度代表值，筒型基礎(chǔ)安裝過程選取強(qiáng)度上限值，承載力分析選取強(qiáng)度代表值。

海上風(fēng)電地質(zhì)勘察中軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度結(jié)果一般用靜力觸探測試結(jié)果計(jì)算，常參考《工程地質(zhì)手冊》（第五版），計(jì)算方法為

s_u=30.8Ps+4

式中：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn) Ps=1.1q_c，q_c 為錐端貫入阻力，kPa 。

江蘇省DB32/T2977-2016《孔壓靜力觸探技術(shù)規(guī)程》中的計(jì)算方法同公式（3）， N_c 建議取值為16，上海市DG/TJ08-189-03《靜力觸探技術(shù)規(guī)程》中的計(jì)算方法為

s_u=Ps/N_c

式中： N_c 為貫入阻力系數(shù)，建議取值范圍為 15～25 ，對于大多數(shù)軟黏土可取20。

圖8為本文方法與規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果對比，除公式（6）中存在常數(shù)系數(shù)導(dǎo)致 3m 深度內(nèi)淺層土存在規(guī)范法計(jì)算結(jié)果大于本文方法計(jì)算結(jié)果外，其他情況下規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果均小于本文方法計(jì)算結(jié)果。對比10m 深度附近處軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度值，對不同方法計(jì)算結(jié)果差異進(jìn)行定量說明，見表1。

對比可知，根據(jù)常用規(guī)范方法獲得的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度值，比本文方法計(jì)算出的建議值低 10% ＼～27% ，比本文方法計(jì)算出的最大值低 33%～47% 。此外，各行業(yè)和地區(qū)發(fā)布實(shí)施了多種涉及靜力觸探測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此處不再一一羅列對比[14-16]。采用本文方法計(jì)算的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度建議值和最大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力和安裝設(shè)計(jì)，可有效降低基礎(chǔ)建造成本，同時(shí)也能避免出現(xiàn)“樁基突沉”“打樁拒錘”“筒基下沉不到位\"等樁基安裝事故[17]

5結(jié)論

（1）從本文江蘇沿海某風(fēng)電場勘察測試結(jié)果可以看出，不同測試方法獲取的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度差異較大。用現(xiàn)場十字板結(jié)果擬合靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，同一風(fēng)電場區(qū)不同深度地層靜力觸探錐端阻力系數(shù) N_c 值不相同，當(dāng)軟黏土深度小于和大于 8m 時(shí)，靜力觸探錐端阻力系數(shù) N_c 值分別為15和18。

（2）對于有較薄砂質(zhì)粉土上覆層時(shí)，軟黏土淺層靈敏度遠(yuǎn)大于深層處，在海上風(fēng)電應(yīng)用筒、錨等淺型基礎(chǔ)時(shí)，工程設(shè)計(jì)中要著重考慮這一特點(diǎn)。

（3）依據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)多種試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了應(yīng)用于樁基和筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度綜合確定方法，強(qiáng)度沿深度變化代表值計(jì)算方法為靜力觸探系數(shù) N_c 取15，強(qiáng)度沿深度變化最大值計(jì)算方法為靜力觸探系數(shù) N_c 取11。進(jìn)行基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度代表值；進(jìn)行筒型基礎(chǔ)安裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度上限值。

（4）對比 10m 深度附近處軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度值，常用規(guī)范方法比本文方法計(jì)算出的建議值和最大值分別低 10%～27% 和 33%～47% 。采用本文方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力和安裝設(shè)計(jì)，可有效降低基礎(chǔ)建造成本，同時(shí)也能避免出現(xiàn)“打樁拒錘”“筒基下沉不到位”等安裝事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭小青，朱斌，劉晉超，等.珠江口海洋軟土不排水抗剪強(qiáng)度及循環(huán)弱化特性試驗(yàn)研究［J].巖土力學(xué)，2016，37（4） ：1005 -1102.

[2]年廷凱，范寧，焦厚濱，等.南海北部陸坡軟黏土全流動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（4）：602-611.

[3］沈愷倫，王立忠.天然軟黏土屈服面及流動(dòng)法則試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009（4）：119-127.

[4]詹云霞，王建華.南海飽和軟土單剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016（5）：109-114.

[5]雷磊，賈寧，賴海林，等.不同原位測試手段在軟黏土勘察中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2018（12）：6-11.

[6]賈寧，孟慶輝，王洪播.便攜式T型觸探儀研究與實(shí)踐[J].工程勘察，2018，46（6）：24-28.

[7]盧力強(qiáng)，杜東菊，楊愛武，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解天津軟土不排水抗剪強(qiáng)度[J].工程勘察，2011，39（2）：12-16

[8］劉潤，閆澍旺.軟粘土邊坡穩(wěn)定性分析中十字板強(qiáng)度取值的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（8）：1422-1426.

[9]張誠厚，施健.孔壓靜力觸探試驗(yàn)的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19（1） ：50-57.

[10]李元曦，王占華，汪華安，等.海洋巖土勘察孔壓靜力觸探巖土參數(shù)解析探討[J].中國水運(yùn)（下半月），2021，21（12） ：133 -135.

[11]MAYNE A，PAUL W. Stress anisotropy effcts on claystrength[J].Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（3） ：356-366.

[12]周松望，周楊銳，李亞，等.利用單剪 SHANSEP試驗(yàn)方法評價(jià)海洋粘性土強(qiáng)度[J].海洋通報(bào)，2014，33（3）：328-332.

[13]TANAKA H，SHIWAKOTI D R，TANAKA M .Applicabilityof SHANSEP method to six different natural clays，using tri-axial and direct shear tests[J]. Soils and Foundations，2003，43（3） ：43 -55.

[14]。王寬君，吳昊，倪衛(wèi)達(dá)，等.基于CPTU的廣東海域黏土工程特性評價(jià)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2021，29（增1）：191-202.

[15］胡越，王宇.靜力觸探識(shí)別場地土層分布的貝葉斯學(xué)習(xí)方法研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28（5）：966-972.

［16]何風(fēng)雨，馬淑芝.中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中利用靜力觸探劃分土層土類綜述[J].水利水電快報(bào)，2023，44（8）：53-59.

[17］岳全慶，周寶龍.可溶巖地區(qū)樁基施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及工程處理措施[J].水利水電快報(bào)，2023，44（5）：55-58.

（編輯：張爽）