淤泥質(zhì)軟粘土動(dòng)力學(xué)性狀的影響因素分析

馬學(xué)東

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257026)

0 引言

近海工程中，以軟粘土為地基的建筑要求在波浪等荷載作用下保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)物把波浪的往復(fù)作用傳遞到地基，在地基的靜力場(chǎng)上疊加上一個(gè)往復(fù)的動(dòng)力廠。這種往復(fù)作用會(huì)使土產(chǎn)生變形積累、超凈孔壓增長(zhǎng)，引起抗剪強(qiáng)度的降低。在穩(wěn)定分析或地基承載力分析中不能只考慮波浪在地基中引起的應(yīng)力增加，還需考慮往復(fù)作用引起的積累變形和強(qiáng)度的降低。至少需要考慮地基土在以下三個(gè)方面的特性:1)地基土的動(dòng)模量特性，以確定動(dòng)力作用下結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)放大效應(yīng)，結(jié)構(gòu)物在地基中的動(dòng)應(yīng)力;2)地基土動(dòng)力特性，確定動(dòng)力作用下地基的承載力是否滿足要求;3)動(dòng)力作用下地基土的變形積累特性，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的殘余變形。

1 動(dòng)力學(xué)特性

地基土的動(dòng)變形和動(dòng)強(qiáng)度特性是合理評(píng)價(jià)波浪作用下地基變形和穩(wěn)定的核心問題，圖與地基動(dòng)力特性測(cè)試是為工程設(shè)計(jì)提供可控動(dòng)力參數(shù)的主要途徑。動(dòng)力學(xué)參數(shù)有:動(dòng)彈性模量、泊松比、阻尼、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)孔壓以及地基剛度系數(shù)等。針對(duì)荷載的特點(diǎn)通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究某油田表層淤泥的動(dòng)力特性，給出所采用的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果。海岸和近海結(jié)構(gòu)物的地基除了受到有構(gòu)造物傳來(lái)的波浪往復(fù)作用外，還受到波浪施加在海床表面的直接作用。波浪在海床表面的直接作用引起的海床土的應(yīng)力路徑是一個(gè)主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過程。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)對(duì)于一個(gè)圍壓可能存在一個(gè)臨界動(dòng)剪應(yīng)力值，當(dāng)動(dòng)剪應(yīng)力值小于此值時(shí)，即使振次振動(dòng)，動(dòng)剪應(yīng)變也不會(huì)顯著增加，而是趨于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。臨界動(dòng)剪應(yīng)變比(σd/2σ3)約為0．17;2)土動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)在動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生弱化、衰減，衰減后的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)約為靜強(qiáng)度指標(biāo)的53%。

2 頻率對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

波浪荷載的周期性變化范圍較大，所以試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)了不同頻率對(duì)該海洋軟粘土動(dòng)力學(xué)性狀的靈敏度進(jìn)行分析，首先，對(duì)土樣在90 kPa的圍壓下進(jìn)行固結(jié)，分別采用不同頻率的動(dòng)荷載(0．05 Hz，0．2 Hz和1 Hz)進(jìn)行動(dòng)彈性和動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)。動(dòng)彈性試驗(yàn)中得出動(dòng)彈性模量衰減曲線，見圖1。

圖1 不同頻率動(dòng)荷載作用下動(dòng)彈性模量衰減曲線

從圖1可以看出動(dòng)荷載頻率為1 Hz和0．2 Hz時(shí)獲得的動(dòng)彈性模量衰減曲線基本重合，而0．05 Hz的動(dòng)荷載作用下的動(dòng)剪模量略低。

3 頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響

在動(dòng)荷載試驗(yàn)中，頻率的影響更加明顯。將圍壓90 kPa，動(dòng)荷載的幅值變?yōu)?5 kPa不同頻率的動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出不同頻率動(dòng)荷載振次—孔隙水壓關(guān)系圖，不同頻率動(dòng)荷載振次—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系圖(見圖2，圖3)。

圖2 不同頻率動(dòng)荷載振次—孔隙水壓關(guān)系

圖3 不同頻率動(dòng)荷載振次—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系

從圖2，圖3可以看出，相同條件下動(dòng)荷載的頻率越低，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變?cè)酱螅瑫r(shí)孔隙水壓力也就越大。現(xiàn)在研究的觀點(diǎn)認(rèn)為荷載頻率對(duì)粘性土的動(dòng)力學(xué)性狀的影響是通過蠕變效應(yīng)和孔隙水壓力導(dǎo)致的有效應(yīng)力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在動(dòng)彈模試驗(yàn)中頻率的影響不明顯主要是由動(dòng)彈模試驗(yàn)的方式?jīng)Q定的，在動(dòng)彈模試驗(yàn)中，每級(jí)荷載作用的周次比較少(一般為10次)，土的動(dòng)應(yīng)變非常小，同時(shí)也不存在明顯的孔壓累計(jì)，當(dāng)頻率大于0．1 Hz時(shí)，動(dòng)彈模試驗(yàn)中由于頻率造成的影響可以忽略;但是如果當(dāng)頻率低于0．1 Hz時(shí)，相同條件下，測(cè)得的模量相對(duì)比較低。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，低頻率荷載作用下，粘性土的破壞是漸進(jìn)式的，而頻率比較高的時(shí)候，在荷載作用下一定的周次以后，周向動(dòng)應(yīng)變和孔隙水壓力增加的速度會(huì)明顯加快，呈脆性破壞的趨勢(shì)。

4 振動(dòng)次數(shù)對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

目前關(guān)于振動(dòng)次數(shù)影響的研究主要集中在振次對(duì)孔隙水壓力和動(dòng)應(yīng)變的影響。而有關(guān)振次對(duì)動(dòng)彈性模量的影響研究的比較少。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，振次對(duì)于動(dòng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響是十分明顯的。

以圍壓90 kPa時(shí)候的動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比較大的時(shí)候，即使振次增加的次數(shù)不多，應(yīng)變也有明顯的增大，如圖4所示，動(dòng)彈模隨著振次的衰減是明顯的。

在粘性土的動(dòng)三軸試驗(yàn)中，動(dòng)彈模隨著循環(huán)振次衰化的機(jī)理目前沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，部分的觀點(diǎn)認(rèn)為孔隙水壓力升高使得有效應(yīng)力降低導(dǎo)致了模量衰減。但是由于粘性土的滲透性比較差，所以動(dòng)荷載作用土樣的時(shí)候，孔隙水壓力在土樣的縱向和橫向上都存在梯度，動(dòng)三軸試驗(yàn)是在試樣的端部測(cè)量孔壓，測(cè)量值可能跟實(shí)際值有較大的差別，所以用有效應(yīng)力來(lái)揭示這種行為可能缺少高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

圖4 不同循環(huán)振次下動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系曲線

Idriss(1978)引入衰化指數(shù)δ，從總應(yīng)力的角度描述振次導(dǎo)致的模量衰化行為。δ=En/E1，其中，E1和En分別為同一級(jí)動(dòng)荷載作用下第1個(gè)和第n個(gè)滯回圈對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量。如圖5所示，衰化指數(shù)隨振次的變化趨勢(shì)與動(dòng)荷載的幅值有關(guān)，當(dāng)動(dòng)荷載的幅值比較小的時(shí)候，衰化指數(shù)經(jīng)過起始的衰減之后逐漸趨向穩(wěn)定值，而當(dāng)動(dòng)荷載的幅值比較大的時(shí)候，衰化指數(shù)持續(xù)降低，直至試樣破壞。對(duì)循環(huán)振次導(dǎo)致的模量衰化的機(jī)理進(jìn)一步理解還需要繼續(xù)探索。

圖5 不同圍壓下循環(huán)振次—衰減指數(shù)關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)某油田具體的工程地質(zhì)條件，進(jìn)行了軟粘土的動(dòng)力學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)荷載的頻率及循環(huán)振次對(duì)軟粘土的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有一定影響。主要為:1)動(dòng)荷載頻率越低，動(dòng)模量越低，但影響較小;2)相同幅值的動(dòng)荷載作用下，頻率越低動(dòng)應(yīng)變?cè)酱螅瑫r(shí)孔隙水壓力隨著振次升高越快;3)當(dāng)作用土樣上的動(dòng)剪應(yīng)變大于臨界值時(shí)，隨著循環(huán)荷載作用周次的增加，動(dòng)應(yīng)變持續(xù)增大，模量越低，達(dá)到破壞時(shí)候，模量通常不及初試值的0．1倍。

［1］謝定義．土動(dòng)力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2011．

［2］孟慶山．淤泥質(zhì)粘土在沖擊荷載下固結(jié)機(jī)理研究及應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(10):32．

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