空心扭剪試驗技術在南海鈣質砂動強度測試中的應用

鄧海峰，祁 磊，許 浩，李 春

(中國石油集團工程技術研究有限公司 天津300451)

0 引 言

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

此外，波浪的周期性運動在海床表面產生了往復波壓力，引起海洋地基或者海床土體內的有效應力場和超靜孔隙水壓力場不斷發生變化，最終導致土體動強度發生顯著變化，進而對海床和海洋結構物的安全穩定性造成影響。

國內外學者已對鈣質砂的動力特性進行了一定的研究[1-6]，但由于試驗條件的限制，一般都利用常規的動三軸試驗儀和動扭剪儀進行試驗，不能考慮主應力方向連續旋轉的影響，無法很好地模擬波浪荷載作用下鈣質中的應力狀態。

基于對波浪荷載作用下鈣質砂動力特性研究的重要意義及其研究現狀，依托公司 GCTS多功能動力液壓扭轉剪切儀，形成一套復雜應力加載條件下砂土動力特性室內試驗測試技術。該項技術更加真實地模擬了波浪荷載條件，土體動力特性測試結果準確性更高。將該項試驗技術進一步應用于南海鈣質砂動力特性研究項目中，系統分析了偏應力比、平均主應力對飽和鈣質砂動強度特性和孔壓增長模式的影響。

1 空心扭剪試驗方法

空心扭剪試驗主要包括重塑試樣制備、試樣飽和、試樣固結和加載4個步驟。

1.1 空心圓柱試樣制備方法改進

1.1.1 傳統裝樣方法

針對中砂(粒徑主要分布在 0.2～0.5mm 范圍內)，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，試樣內部也會坍塌，導致制樣失敗。

1.1.2 裝樣方法改進

采用濕裝法裝樣，依據“假黏聚力”效應，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，同時滿足均勻要求，詳見表1。

1.2 飽和試驗方法改進

1.2.1 傳統飽和方式

傳統三軸試驗樣品較小(直徑 3.91cm、高 8cm，體積100cm3)，采用反壓飽和方式可直接達到飽和效果。但空心扭剪試驗樣品體積較大(650cm3)，直接反壓飽和，容易出現以下問題:①試樣內部空氣含量更高，需提供更大反壓使空氣與水融合，目標反壓可能會超出設備能力；②空氣與水融合需要一個緩慢的過程，導致飽和時間更長；③某些砂土可能存在內孔隙，水分不易進入，造成飽和度達不到使用要求。

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

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

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

1.3 復雜應力路徑加載方式實現

根據擬施加的圓形應力路徑，建立循環應力加載數學模型如下:

式中:σz、σθ、τ分別為豎向應力、環向應力、剪應力，kPa；σz0、σθ0、τ0分別為固結完成后初始豎向應力、環向應力、剪應力，kPa；σd為動循環應力幅值，kPa。

但在空心扭剪試驗儀中，需通過控制內、外圍壓pi、p0，豎向荷載W和扭矩MT來實現。

為此，建立了目標應力和荷載間轉換關系如下:

式中:σr為徑向應力，kPa；R0、Ri為試樣外徑、試樣內徑，m；A為豎向加載桿面積，m2；其他參數含義同上。

進一步編制了18參數的目標應力和荷載間轉換程序，可自動實現從固結到動力剪切過程中的荷載條件確定，見圖1。

2 空心扭剪試驗技術應用

將空心扭剪試驗技術應用于天津大學“南海鈣質砂動力特性研究”項目中，旨在研究重力錨作用下中砂在波浪荷載作用下的動力特性，用于分析重力錨承載力和海床穩定性等問題。

圖1 目標應力和荷載間轉換程序Fig.1 Transition procedure between target stress and load

2.1 初始偏應力比和平均主應力對動強度的影響

如圖 2所示，某一偏應力比條件下，動應力比由小變大時，循環破壞振次Nf顯著降低；且動應力比與破壞時的循環振次 N關系均具有顯著的冪函數相關性。

初始偏應力比對土體動強度有顯著影響，整體表現出，隨著初始偏應力的增加，土體的動強度逐漸降低，但在振次初期，這種規律并不明顯，如圖 2(a)所示。筆者究其原因認為，初始偏應力比的增加，間接提高了加載前試樣內部剪應力，即施加動荷載前，試樣剪切破壞趨勢增加。

平均主應力同樣對土體動強度影響顯著，不同平均主應力下，動應力比均隨著循環振次的增加而顯著降低；此外，隨著平均主應力的增加，動應力比逐漸增大，即土體動強度不斷提高，如圖2(b)所示。

試驗結果還表明，土體均存在臨界動應力比，即在特定初始應力狀態下，當動應力比小于某一臨界應力值，試樣不會發生破壞，因此該強度曲線多用于砂土液化判別和海床穩定性分析中。

圖2 初始偏應力比(a)和平均主應力(b)對動強度影響Fig.2 Dynamic strength curves under different partial stress ratios(a) and average principal stress(b)

2.2 初始偏應力比對孔壓增長模式影響

圖3給出了不同初始偏應力比下孔壓與振次及孔壓比與振次比間關系曲線。

不同初始偏應力比下的孔隙水壓力發展規律趨勢基本相同，即加載初期，孔壓增長速率較大，達到一定程度后，增長速率逐漸變緩，最后趨于穩定。需要注意的是土體破壞發生時，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準作為土體破壞準則。

然而不同初始偏應力比下孔壓增長速率存在差異，但歸一化孔壓發展規律較為接近，如圖 3所示。對數擬合結果如下:

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

3 結 論

基于美國 GCTS空心扭剪試驗儀，解決了中砂空心試樣制備和飽和問題，提出了一種復雜應力加載方法，形成了一套復雜應力路徑加載下砂土動力特性室內試驗測試技術，并成功應用于南海鈣質砂動力特性測試項目中，主要結論如下:

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

② 針對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間，試樣飽和效果良好，飽和度均達到 95%以上。

③ 建立了復雜循環應力加載數學模型，確定了目標應力和荷載間轉換關系，編制了目標應力和荷載間轉換程序，解決了各類復雜動循環應力加載在控制系統中的實現問題。

④ 初始偏應力比和平均主應力對土體動強度均影響顯著；土體動強度隨著平均主應力的增加而逐漸提高，隨著初始偏應力的增加而逐漸降低。

⑤ 不同初始偏應力比下的孔隙水壓力發展規律趨勢基本相同，但孔壓增長速率存在差異；歸一化孔壓發展規律較為接近，且表現出良好的對數關系。