[科普中国]-软质黏土

简介

在海洋工程建设过程中会遇到大量的软黏土，并且厚度往往很大，范围也非常广泛。众所周知，海洋软黏土地基承载力相对较低，并且在波浪荷载作用下强度会被进一步削弱，使得承载力进一步降低。海洋黏土地基在波浪荷载作用后的不排水抗剪强度弱化行为，将直接关系到上部结构，如钻井平台、海岸防护设施以及海底管线等的稳定与安全。因波浪荷载持续作用造成黏土地基强度降低或丧失，致使上部结构失稳或破坏的事件时有发生。

到目前为止，波浪等循环荷载作用下软黏土性状的研究已取得较多成果：一些学者在对不同区域软黏土进行了广泛而深入的研究后发现，在循环荷载作用下，伴随孔压上升，有效应力减小，软黏土的不排水抗剪强度会发生不同程度的弱化。也有部分学者得出前期循环荷载历史对后期静强度没有显著影响的结论。因此，有必要对此进行更深入的研究。并且，绝大多数试验都是基于重塑土，不具有原状土的天然结构，使得试验结果与实际土体的力学性质差别较大，难以指导实际工程。此外，试验一般都是在共振柱、动三轴仪或动扭剪仪上进行，土体只是处于单向循环剪切状态。然而，波浪荷载作用下实际土体处于竖向与扭剪向双向耦合循环剪切状态，并随着二者相位差的不同，形成45°、135°倾斜直线与圆形等复杂应力路径。

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪，对取自于长江口原状淤泥质软黏土，在不固结不排水条件下，分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验。结果表明，随着循环次数的增加，3种不同模式循环荷载作用产生的应变、孔压增量以及循环荷载作用后土的静强度衰减程度差异均变得越来越明显。对应相同循环剪切次数，双向耦合循环剪切要大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量，双向耦合循环剪切后静强度衰减更加明显；而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量，并且圆耦合循环剪切后静强度衰减更加显著。由此表明，主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形与孔压增量，并且使静强度显著降低。分别定义了广义综合剪应变及综合孔压增量比，并建议了循环荷载作用后静强度与广义综合剪应变、综合孔压增量比的关系1。

试验条件与试验内容1 试验装置试验装置由大连理工大学与日本诚研舍株式会社联合设计与研制，由诚研舍制造的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪。整个试验装置由三轴室主机系统、气水转换系统（含空压机与真空泵）、伺服控制系统、计算机采集系统以及液压伺服控制加载系统（包括液压源、伺服阀控制的液压作动器）等5部分组成。

2 试验土样试验所用土样为取自上海地区长江口原状淤泥质软黏土。为了进行对比分析，所有试验（包括静力与动力试验）的所用试样均为空心圆柱状试样，试样内、外径与高度分别为30、70与100mm。

3 试样饱和与试验内容首先将试样置于抽气缸内抽真空2h，徐徐注入蒸馏水并没过试样，解除真空后再静置12h，土样经此方法饱和后， 测其饱和度均大于98%。

试样饱和后，首先在不固结不排水条件下，进行静三轴试验，确定土的静强度；然后，在不固结不排水条件下，分别进行动三轴、45°线耦合、圆耦合循环剪切以及循环荷载作用后静三轴试验，并与未经历循环荷载的静三轴试验结果进行对比分析来揭示饱和软黏土经历各种复杂循环荷载作用后强度的弱化特性。循环荷载的施加采用应力控制方式，频率采用0.1Hz，轴向荷载W 和扭矩MT均采用简谐荷载。静三轴试验统一以轴向应变达到10%作为破坏标准。

4 循环荷载模式引入大主应力方向角与振动初始主应力方向角的定义，分别为大主应力方向与竖向之间的夹角，以及单元体上大主应力方向循环交替变化过程中振动开始时刻的大主应力方向与竖直方向的夹角2。

循环荷载幅值范围的确定由不固结不排水分级加载的动三轴试验得到应变时程曲线，结合孔压时程曲线，确定循环荷载幅值范围。试验过程中每级荷载幅值增量为1.3kPa，每级荷载循环15次，直至试样破坏。前5级荷载作用下，轴向应变均非常小，从第6级开始，轴向应变较前5级明显增大，而从第13级开始，累积效应变得十分明显，并且增长速度较快。前6级荷载作用下，孔压变化非常小，不足以使土体原始结构的排列与连接遭到破坏；从第7级开始，在循环荷载作用下产生了较为明显的循环孔压，在此孔压下土体内部结构开始遭到局部破坏；而当荷载增加到第14级时，累积效应与循环效应均变得十分明显，并且增长速度较快，土体很快遭到破坏。轴向应变从第6级循环荷载作用下开始明显增大，而从第7级循环荷载作用下

孔压增长才开始变得较为明显，这是由于孔压的量测要较位移的量测滞后的原因。而对于使得轴向应变与孔压开始迅速增长的循环荷载则分别从第13级和第14级开始，之所以存在差异也同样是由于孔压的量测要较位移的量测滞后。

一方面要考虑在此循环荷载作用下土的内部结构已经遭到局部破坏，使其产生有限的变形与孔压，另一方面又要保证不使其在循环荷载作用下短时间内完全破坏，故最终确定循环荷载施加范围为7~13级，对应循环荷载幅值为9.1~16.9kPa 。

试验结果及对比分析循环荷载在不固结不排水条件下分级施加，每级荷载循环15 次，第一级荷载幅值大小为

9.1kPa，之后每级荷载幅值增量，进行了不同循环次数的动三轴、45°线耦合以及圆耦合循环剪切试验，并待土样内部孔压平衡后，进行静三轴试验。

1 循环荷载作用下应变特性对比分析

分别绘制了60次、90次以及150次不同循环荷载模式作用下应变时程曲线，分别对循环荷载作用下产生的轴向应变与剪应变进行了汇总。其

中，累积应变为每组试验循环剪切产生的累积应变的最大值；循环应变为每组试验最后一次循环剪切产生的应变最大值与最小值之差。

对比分析发现，3种剪切模式下产生的应变都以循环应变为主，在循环剪切的过程中伴随着累积应变的产生；无论单向循环剪切还是双向耦合剪切，对应于相同的循环剪切次数，产生的剪应变明显小于竖向应变；在循环次数较少情况下，45°线耦合循环剪切产生的应变小于圆耦合循环剪切产生的应变，但二者差异并不显著，而动三轴循环剪切条件下产生的应变要明显小于二者；随着循环次数的增加，3种不同循环剪切条件下产生的应变差异变得越来越明显，双向耦合循环剪切产生的应变要大于单向循环剪切产生的应变，而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切要大于45°线耦合循环剪切产生的应变，圆耦合循环剪切过程中大主应力方向角α 在0°和180°之间连续旋转，而45°线耦合循环剪切过程中大主应力方向角α 在22.5°和-67.5°之间交替突变，这说明主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形。

2 循环荷载作用下孔压特性对比

分别用累积孔压增量比和循环孔压增量比分别绘制了60次、90次以及150次不同循环荷载模式作用下孔压增量比时程曲线，其结果汇总。其中，累积孔压增量比为每组试验循环剪切产生的累积孔压增量比的最大值；循环孔压增量比为每组试验最后一次循环剪切产生的孔压增量比最大值与最小值之差。

对比分析表明，3种不同循环剪切模式下产生的累积孔压增量均十分有限，150次循环剪切后最大值只达到了围压的6.0%；随着循环次数的增加，3种不同循环剪切模式下产生的累积孔压增量与循环孔压增量差异均变得越来越明显：双向耦合循环剪切产生的孔压增量要大于单向循环剪切产生的孔压增量，而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切要大于45°线耦合循环剪切产生的孔压增量，这说明主应力轴连续旋转会对孔压产生更为显著的影响。

3 循环荷载作用后静强度弱化特性

分别绘制了未经历循环荷载与经历不同模式循环荷载作用后由不排水静三轴试验得到的关系曲线，循环荷载作用后静强度弱化情况，其中静强度取为轴向应变达到10%时对应的大、小主应力差值的一半。

通过对比发现，循环荷载作用后土的静强度均有不同程度的衰减；循环次数较少时强度衰减并不十分明显，而且45°线耦合循环剪切与圆耦合循环剪切后静强度衰减程度相近，但都比动三轴循环剪切后静强度衰减程度大；随着循环次数的增加，循环荷载作用后土的静强度衰减加剧，而且针对3种不同循环剪切方式，循环荷载作用后土的静强度衰减程度的差异变得越来越显著，经历150次圆耦合循环剪切荷载作用后，土的静强度衰减了75.37%，明显较另外两种剪切方式作用后衰减程度大。

造成这种差异的主要原因可以从孔压的发展变化得以合理解释：由上述关于孔压特性的研究可以看出，双向耦合循环剪切产生的孔压增量大于单向循环剪切产生的孔压增量，而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的孔压增量。累积孔压增量越大，由饱和土有效应力原理可知，作用于土骨架的有效应力越小，这使得土体抵抗外荷载的能力得以减弱。此外，循环孔压增量变化越大，土颗粒之间孔隙体积变化越大，从而使得土颗粒之间的联结遭到更大程度的破坏。

目前，绝大多数学者在研究波浪等循环荷载作用后土的静强度衰减特性时都是基于动三轴试验，而波浪荷载作用下实际土体处于竖向与扭剪向双向耦合循环剪切状态，由以上对比分析可知，他们得到的结果要高于实际值，在工程设计时应引起足够的重视3。

总结针对取自于长江口的海洋原状淤泥质软黏土，进行了多种复杂循环剪切及循环荷载作用后静三轴试验。对比试验结果与分析表明：

（1）随着循环次数的增加，不同循环剪切方式产生的应变与孔压增量差异变得越来越明显，双向耦合循环剪切大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量，而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切产生的应变与孔压增量大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量，说明主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形与孔压增量；

（2）随着循环次数的增加，循环荷载作用后土的静强度衰减加剧，而且针对3种不同循环剪切模式，循环荷载作用后土的静强度衰减程度的差异变得越来越显著，经历圆耦合循环荷载作用后，土的静强度衰减程度较动三轴、45°线耦合循环荷载作用后更加明显。由此说明目前绝大多数学者基于动三轴试验在研究波浪等循环荷载作用后土的静强度时得到的结果要高于实际值，需进行必要的修正；

（3）在分别定义广义综合剪应变及综合孔压增量比的基础上，建立了静强度与广义综合剪应变以及静强度与综合孔压增量比的拟合关系，由此可以由不同循环荷载模式下应变与孔压增量来判断循环荷载作用后软黏土静强度弱化情况1。