周松望，周楊銳，李亞，張煒，董明明，劉雙雙

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451； 2.中海油研究總院，北京 100027）

海洋粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度可以通過室內(nèi)微型電動(dòng)十字版 （MV）、原位十字板 （in-situ Vane）、三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）和單剪試驗(yàn)（DSS-DirectSimple Shear）等方法獲得。目前國內(nèi)外常采用UU和MV結(jié)果來確定粘性土的設(shè)計(jì)不排水抗剪強(qiáng)度。由于室內(nèi)UU、MV和DSS試驗(yàn)所需的樣品，在取樣器貫入、取樣后上覆應(yīng)力釋放、樣品處理和包裝運(yùn)輸?shù)冗^程中都會(huì)引起土的擾動(dòng)，而土的力學(xué)參數(shù)對(duì)試樣的擾動(dòng)又十分敏感，因此試驗(yàn)結(jié)果往往不能準(zhǔn)確反映粘性土的原位真實(shí)強(qiáng)度。原位十字板和靜力觸探（CPT）是目前國內(nèi)外比較推崇原位測試方法，但由于受作業(yè)水深淺、作業(yè)效率低、測試設(shè)備技術(shù)要求高和費(fèi)用高昂的限制，并沒有在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。而SHANSEP試驗(yàn)（Stress History and Normalized Soil Engineering Properties）是室內(nèi)試驗(yàn)克服土樣擾動(dòng)性的一種正確評(píng)價(jià)粘土固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度的方法，該方法首先由Ladd等（1974）提出。SHANSEP試驗(yàn)通過K0條件下固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，只有固結(jié)壓力為土樣原位前期固結(jié)壓力1.5～2.5倍，才能克服土樣擾動(dòng)的影響，測得的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度才更能反映土的原位強(qiáng)度特征。

SHANSEP試驗(yàn)過程提供了一個(gè)合理的歸一化模式，適用于結(jié)構(gòu)性不強(qiáng)的土，因此對(duì)于高靈敏度的土不推薦采用此方法（Le etal，2008）。王淑云等（2003）對(duì)連云港粘土用靜三軸設(shè)備進(jìn)行了SHANSEP試驗(yàn)，采用三軸等壓固結(jié)剪切試驗(yàn)（CIU）代替三軸不等向固結(jié)剪切試驗(yàn)（Ck0U），再對(duì)CIU試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正得到Ck0U條件下的歸一化不排水強(qiáng)度與超固結(jié)比之間的關(guān)系式，試驗(yàn)結(jié)果與世界其他地區(qū)粘土的試驗(yàn)結(jié)果具有很好的可比性。胡海軍等（2007）認(rèn)為SHANSEP試驗(yàn)方法能合理考慮分期施工過程地基土的強(qiáng)度增長。

中國南海淺水區(qū)域（水深小于300m）的粘性土主要為粉質(zhì)粘土，塑性指數(shù)（IP）平均值12.7左右。目前而以單剪設(shè)備對(duì)中國南海粘性土進(jìn)行SHANSEP試驗(yàn)尚未見報(bào)道。本文以靜單剪設(shè)備，在k0固結(jié)不排水條件下，進(jìn)行SHANSEP試驗(yàn)，再結(jié)合原位靜力觸探（CPT）測試結(jié)果，評(píng)價(jià)南海某石油平臺(tái)場址粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度以及SHANSEP試驗(yàn)方法對(duì)南海粘性土的適用性。

1 樣品的獲取和物理性質(zhì)

以南海某平臺(tái)場址的鉆孔取樣，進(jìn)行SHANSEP試驗(yàn)。取樣方法為液壓薄壁取樣，取樣器外徑為75mm，內(nèi)徑為72mm，面積比8.5%，取樣管長1m，取樣連續(xù)貫入速率為2 cm/s。平臺(tái)場址水深93.7 m，鉆孔終孔深度為海底泥面下140.9m，鉆遇地層主要為粘性土，約占87.8%，在粘性土中粉質(zhì)粘土（IP≤17）約占83%，粘土（IP＞17）約占17%。本文選取兩個(gè)有代表性的粘土樣品進(jìn)行SHANSEP試驗(yàn)。土的基本參數(shù)見表1。

根據(jù)一維固結(jié)試驗(yàn)的Δe/e0結(jié)果，按照Lunne等（2002）方法（表2）評(píng)價(jià)樣品質(zhì)量。其中9.5m土樣OCR=3.1，Δe/e0=0.071，質(zhì)量等級(jí)為差；73.7m土樣，OCR=1，Δe/e0=0.23，質(zhì)量等級(jí)為非常差，說明試驗(yàn)樣品擾動(dòng)嚴(yán)重。同時(shí)也表明采用SHANSEP試驗(yàn)很有必要，可以用來消除由于土樣擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。由于土樣擾動(dòng)，計(jì)算土的原位超固結(jié)比時(shí)，沒有采用逐級(jí)加荷一維固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，而是采用CPT計(jì)算結(jié)果。

表1 土的基本參數(shù)

表2 土樣品質(zhì)量評(píng)價(jià)

2 基于靜單剪設(shè)備的SHANSEP試驗(yàn)方法

SHANSEP試驗(yàn)方法如下：

（1）首先計(jì)算土的原位超固結(jié)比（OCR），可以采用逐級(jí)加荷一維固結(jié)試驗(yàn)、等應(yīng)變固結(jié)試驗(yàn)（CRS）或CPT測試數(shù)據(jù)計(jì)算出，本文采用CPT數(shù)據(jù)計(jì)算出土樣的原位OCR。

（2）根據(jù)土的原位超固結(jié)比和上覆有效應(yīng)力（σv0），計(jì)算出靜單剪試驗(yàn)的初始固結(jié)壓力，一般初始固結(jié)壓力為2倍的前期固結(jié)壓力（Pc）。

（3）在2Pc固結(jié)壓力下，固結(jié)穩(wěn)定后，然后再分別卸載至OCR=1、2、4等，不同OCR下的試驗(yàn)再固結(jié)壓力見表3，回彈穩(wěn)定后，進(jìn)行等體積不排水剪切試驗(yàn)，剪切至到剪切應(yīng)變達(dá)到20%。

（5）根據(jù)歸一化的剪切強(qiáng)度與OCR的關(guān)系式，對(duì)任意超固結(jié)比和上覆有效應(yīng)力，就可求出土的原位抗剪強(qiáng)度。

本次靜單剪試驗(yàn)設(shè)備為GCTS-100，試驗(yàn)過程按照 ASTM（D6528-00）和 Norsok Standard G-001，該過程為k0狀態(tài)下的固結(jié)不排水剪切。固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為軸向應(yīng)變每小時(shí)小于0.05%。剪切過程中剪切速率為5%/h，剪切過程中始終保持常體積，即軸向位移小于±0.002 5mm。剪切試樣直徑5 cm，高度2 cm。

表3 SHANSEP試驗(yàn)固結(jié)壓力

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 歸一化的剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變之間的關(guān)系

圖1 歸一化剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變的關(guān)系

歸一化剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變增大而增大，最后趨于平緩。在相同的剪應(yīng)變情況下，OCR越大，歸一化剪應(yīng)力也越大。

3.2 歸一化的孔隙水壓力與剪切應(yīng)變之間的關(guān)系

由于剪切試驗(yàn)過程中，始終保持常體積，剪切引起的孔隙水壓力等于法向有效應(yīng)力的變化，即剪切開始時(shí)的法向有效應(yīng)力減去剪切過程中的法向有效應(yīng)力9.5m和73.7m歸一化孔隙水壓與剪切應(yīng)變的關(guān)系分別見圖 2（a）和圖2（b），其中為剪切過程中法向應(yīng)力。

圖2 歸一化的孔隙水壓力與剪切應(yīng)變的關(guān)系

從圖2中可以看出：

（1）OCR=1時(shí)，隨剪應(yīng)變的逐漸增大，歸一化孔壓逐漸增大，法向應(yīng)力逐漸減小，說明土一直有剪縮的趨勢，原因在于為保持剪切過程的常體積，只有法向應(yīng)力逐漸減小才能抵御土樣剪縮趨勢。OCR=2和4時(shí)，歸一化孔壓開始隨剪應(yīng)變增大先減小然后增大，剪切過程法向應(yīng)力先增大再減小，樣品先是有剪脹趨勢，達(dá)到一定剪切應(yīng)變后再呈現(xiàn)剪縮趨勢，主要原因在于土的超固結(jié)狀態(tài)。

（2）在相同的剪應(yīng)變下，OCR越大，歸一化孔隙水壓力越小。

3.3 歸一化剪應(yīng)力與歸一化的法向有效應(yīng)力之間的關(guān)系

圖 3（a）和圖 3（b）分別為 9.5m和 73.7m樣品歸一化剪應(yīng)力與歸一化的法向有效應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。從圖上可以看出：

（1）OCR=1，隨歸一化的剪應(yīng)力增大歸一化的法向有效應(yīng)力逐漸減??；OCR=2和4時(shí)，隨歸一化的剪應(yīng)力變化歸一化的法向有效應(yīng)力先增大后減小。

（2）相同的歸一化剪應(yīng)力下，歸一化的法向應(yīng)力隨OCR增大而增大。

（3）歸一化的剪應(yīng)力與歸一化的法向應(yīng)力的關(guān)系曲線與 Koutsoftas等 （1985）的試驗(yàn)曲線趨勢一致。

圖3 歸一化的剪應(yīng)力與歸一化的法向有效應(yīng)力之間的關(guān)系

圖4 歸一化的不排水抗剪強(qiáng)度與超固結(jié)比OCR之間的關(guān)系

3.4 歸一化不排水抗剪強(qiáng)度與OCR之間的關(guān)系

9.5 m深度的樣品，歸一化的不排水抗剪強(qiáng)度與 OCR之間關(guān)系見圖 4（a），即（OCR）0.77。73.7m深度的樣品歸一化的不排水抗剪強(qiáng)度與OCR之間關(guān)系見圖4（b），即（OCR）0.6966。根據(jù)土的原位固結(jié)比和上覆有效應(yīng)力，進(jìn)而求得SHANSEP試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

3.5 討論

表4給出了根據(jù)SHANSEP試驗(yàn)、三軸UU試驗(yàn)、室內(nèi)微型電動(dòng)十字板和原位CPT測試資料解釋的土的強(qiáng)度。

在利用原位CPT資料解釋粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度Su值，采用Wroth（1984）建議的方法確定。

（1）粘性土SHANSEP試驗(yàn)比UU和MV結(jié)果要大。對(duì)9.5m處OCR大的土，與UU值比，強(qiáng)度提高幅度達(dá)到38.1%；73.7m正常固結(jié)的土，強(qiáng)度提高幅度較小，約為1.5%。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

（2）SHANSEP試驗(yàn)結(jié)果與CPT解釋結(jié)果更趨于一致。由于原位CPT為直接測試的結(jié)果，克服了土樣擾動(dòng)因素的影響，其解釋成果更能反映土的原位強(qiáng)度，比較真實(shí)準(zhǔn)確，因此也說明了SHANSEP試驗(yàn)?zāi)軌驕p少土樣擾動(dòng)的影響。同時(shí)也說明了SHANSEP試驗(yàn)方法適用于中國南海粘性土強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

基于單剪設(shè)備，對(duì)兩組粘性土進(jìn)行了K0固結(jié)條件下的SHANSEP試驗(yàn)。得出如下結(jié)論：

（1）在相同的剪應(yīng)變情況下，隨OCR的增大，歸一化剪應(yīng)力也增大，但歸一化孔隙水壓力卻減小。

（2）OCR=1時(shí)，隨剪應(yīng)變的逐漸增大，歸一化孔壓逐漸增大，法向有效應(yīng)力逐漸減小，土一直呈剪縮的趨勢。超固結(jié)時(shí)，歸一化孔壓開始隨剪應(yīng)變增大先減小然后增大，剪切過程法向有效應(yīng)力先增大后減小，樣品先是有剪脹趨勢，達(dá)到一定剪切應(yīng)變后再呈現(xiàn)剪縮趨勢，主要原因?yàn)樵谟谕恋某探Y(jié)狀態(tài)。

（3）SHANSEP試驗(yàn)方法適用于中國南海粘性土強(qiáng)度評(píng)價(jià)，該方法得到的粘土強(qiáng)度，能夠減少土樣的擾動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響，與原位CPT測試數(shù)據(jù)解釋的結(jié)果更接近。建議在缺少原位CPT和原位十字板的情況下，可通過SHANSEP試驗(yàn)來精確評(píng)價(jià)粘性土的強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)。

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