鄧海峰，劉振紋，祁 磊，許 浩，田 偉，李 春

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院， 天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300451)

波浪作用下飽和砂土孔壓發(fā)展規(guī)律試驗(yàn)研究

鄧海峰1，2，劉振紋1，2，祁 磊1，2，許 浩1，2，田 偉1，2，李 春1，2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院， 天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300451)

利用空心圓柱扭剪儀和動(dòng)單剪試驗(yàn)儀分別對(duì)飽和砂土進(jìn)行了循環(huán)耦合剪切和動(dòng)單剪試驗(yàn)，研究比較兩種不同方法下，飽和砂土內(nèi)部孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律及其差異。結(jié)果表明，兩種孔壓發(fā)展規(guī)律具有顯著差異，且分別可以采用傳統(tǒng)孔壓增長(zhǎng)模型和冪函數(shù)關(guān)系加以描述；空心扭剪試驗(yàn)中，雙向動(dòng)荷載的幅值比值λ對(duì)孔壓增長(zhǎng)具有顯著影響，但對(duì)歸一化孔隙水壓力發(fā)展模式?jīng)]有顯著的影響；動(dòng)單剪試驗(yàn)中，存在循環(huán)振次臨界轉(zhuǎn)換值，該值決定了孔壓增加隨動(dòng)剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

空心扭剪試驗(yàn)；動(dòng)單剪試驗(yàn)；孔隙水壓力；波浪荷載；砂土

我國(guó)渤海灣淺灘海域表層存在大量砂質(zhì)土，同時(shí)經(jīng)常受波浪荷載作用，波浪荷載作用下，砂土內(nèi)部產(chǎn)生累積孔隙水壓力，土體內(nèi)部有效應(yīng)力降低，最終導(dǎo)致強(qiáng)度下降，影響海床及結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，因此有必要對(duì)孔壓發(fā)展模式進(jìn)行研究。目前，對(duì)于波浪荷載下砂土內(nèi)部孔壓發(fā)展已有大量研究[1-8]，同時(shí)，關(guān)于飽和砂土的孔壓發(fā)展模式已提出多種不同形式的理論模型[9-15]，這些理論大多建立在室內(nèi)動(dòng)力特性試驗(yàn)之上。

早期研究成果表明，波浪荷載作用下，土體單元內(nèi)部應(yīng)力特點(diǎn)為動(dòng)應(yīng)力幅值恒定，主應(yīng)力軸發(fā)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)，可采用圓形應(yīng)力路徑加以描述。但國(guó)內(nèi)外最新研究成果表明，橢圓形應(yīng)力路徑更能準(zhǔn)確地反映出土體單元的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，因此有必要對(duì)橢圓形應(yīng)力路徑條件下飽和砂土內(nèi)部孔壓發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究。此外，孔壓發(fā)展模式的主要室內(nèi)試驗(yàn)手段包括：動(dòng)單剪、動(dòng)三軸和空心扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)三軸，不同試驗(yàn)手段獲得的孔壓發(fā)展模式存在差異。因此，針對(duì)Dr為30%的砂質(zhì)土做了：(1)k0固結(jié)條件下不排水剪切的動(dòng)單剪試驗(yàn)；(2) 各向同性固結(jié)條件下橢圓形應(yīng)力路徑加載方式的雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)。探討了豎向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)中不同動(dòng)應(yīng)力幅值比對(duì)孔壓發(fā)展規(guī)律的影響；對(duì)比分析了不同試驗(yàn)方法下孔壓發(fā)展規(guī)律異同，并給出了孔壓發(fā)展規(guī)律的具體描述形式。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 土料及其制備

試樣采用渤海灣某海域的細(xì)砂，主要物性指標(biāo)：比重Gs=2.66，最大與最小干密度分別為ρdmax=1.944 g/cm3，ρdmin=1.225 g/cm3，粒組成分列于表1。

表1 粒徑分布

按照目標(biāo)Dr、ρdmax和ρdmin計(jì)算得到試樣密度，進(jìn)而根據(jù)試樣體積控制試樣質(zhì)量，各試樣的制作均采用分層干裝法(空心試樣和單剪試樣分別分為4層和2層)。聯(lián)合利用通CO2和無氣水以及反壓飽和方式對(duì)試樣進(jìn)行飽和，直至試樣飽和度超過0.98。

1.2 試驗(yàn)方法與方案

(1) 空心扭剪試驗(yàn)。采用初始各向同性固結(jié)方式對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行雙向循環(huán)加載，荷載均采用應(yīng)力控制，振動(dòng)頻率為0.1 Hz，同時(shí)控制雙向振動(dòng)相位差為90°，并調(diào)整雙向振動(dòng)應(yīng)力幅值，以滿足主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的橢圓形應(yīng)力加載形式。

同時(shí)為了研究不同循環(huán)軸向應(yīng)力幅值σd和剪應(yīng)力幅值τd比值λ對(duì)孔壓增長(zhǎng)的影響，分別控制該比值為3、2、0.8和0.4，同時(shí)調(diào)整初始固結(jié)應(yīng)力，研究初始有效固結(jié)應(yīng)力對(duì)孔壓增長(zhǎng)規(guī)律的影響。詳細(xì)試驗(yàn)方案列于表2。

表2 空心扭剪試驗(yàn)加載方案

(2) 動(dòng)單剪試驗(yàn)。利用銅制疊環(huán)對(duì)試樣進(jìn)行K0固結(jié)，固結(jié)結(jié)束后，采用應(yīng)力控制進(jìn)行不排水水平動(dòng)力循環(huán)加載，頻率設(shè)定為0.1 Hz。詳細(xì)試驗(yàn)方案列于表3。

表3 動(dòng)單剪試驗(yàn)加載方案

2 試驗(yàn)儀器

采用兩套美國(guó)GCTS動(dòng)力循環(huán)加載系統(tǒng)完成全部試驗(yàn)內(nèi)容，利用GCTS循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)完成動(dòng)單剪試驗(yàn)，該系統(tǒng)采用銅制疊環(huán)實(shí)現(xiàn)K0固結(jié)和純剪破壞。動(dòng)單剪試樣尺寸為φ50 mm×20 mm；利用GCTS空心扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)，完成主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力剪切試驗(yàn)，試樣尺寸為外徑100 mm，內(nèi)徑50 mm，高度200 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 空心扭剪試驗(yàn)中砂土的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖1為不同空心扭剪試驗(yàn)條件下，孔隙水壓力u隨循環(huán)振次Nf的關(guān)系曲線。由圖1可看出，不同試驗(yàn)條件下，孔壓增長(zhǎng)規(guī)律相近，即在試驗(yàn)開始階段，試樣有緊縮趨勢(shì)，孔隙水壓力迅速增長(zhǎng)；然后顆粒發(fā)生重新排列，增長(zhǎng)速率放緩，由疏松逐步趨于密實(shí)，但試樣一直處于壓縮狀態(tài)；最后，達(dá)到一臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，試樣內(nèi)部孔壓迅速增加，直至達(dá)到初始固結(jié)應(yīng)力，最終發(fā)生液化。

圖1 空心扭剪試驗(yàn)中孔壓發(fā)展規(guī)律

對(duì)比分析同一固結(jié)應(yīng)力，不同應(yīng)力比λ條件下的孔壓增長(zhǎng)趨勢(shì)，可發(fā)現(xiàn)，孔壓增長(zhǎng)速率具有顯著差異。當(dāng)應(yīng)力比λ較大時(shí)，孔壓增長(zhǎng)速率較快，即如圖1(a)所示，當(dāng)λ=3.0時(shí)，循環(huán)破壞振次為36次，當(dāng)λ=0.4時(shí)，循環(huán)破壞振次接近90次。結(jié)果表明，土體的動(dòng)強(qiáng)度與軸向動(dòng)荷載和扭轉(zhuǎn)動(dòng)荷載幅值的比值λ具有顯著的依賴關(guān)系，即隨著λ的增加，土體的動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低。

圖2為u/uf—N/Nf歸一化結(jié)果曲線。由圖2可以看出，雖然λ對(duì)孔壓增長(zhǎng)有顯著增長(zhǎng)，但歸一化的u/uf—N/Nf關(guān)系與λ不存在依賴關(guān)系。將試驗(yàn)得到的孔壓發(fā)展規(guī)律與既有孔壓增長(zhǎng)模型p=(2σ3/π)·arcsin(N/N1)1/2θ進(jìn)行比較，如圖2(b)所示，結(jié)果表明，既有孔壓增長(zhǎng)模型可以很好地反映雙向耦合振動(dòng)中的孔壓增長(zhǎng)模式。

3.2 動(dòng)單剪試驗(yàn)中砂土的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖3給出了不同試驗(yàn)動(dòng)剪切強(qiáng)度條件下，砂土孔壓發(fā)展時(shí)程曲線，并按照平均孔壓對(duì)動(dòng)單剪試驗(yàn)中的孔壓發(fā)展規(guī)律進(jìn)行擬合。由圖3可看出，不同動(dòng)應(yīng)力幅值條件下，超孔壓積累規(guī)律相近，即在加載初期，孔壓迅速積累，然后隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加積累速度放緩，直至達(dá)到初始固結(jié)應(yīng)力，試樣液化。此外，還可以看出，當(dāng)動(dòng)剪應(yīng)力幅值較小時(shí)，超孔壓積累速度相對(duì)較慢，隨著動(dòng)剪應(yīng)力幅值的增加，超孔壓積累速度顯著增加，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加，達(dá)到液化所需振次顯著降低，即隨著循環(huán)破壞振次的增加，土體的動(dòng)強(qiáng)度顯著下降。

圖2 空心扭剪試驗(yàn)中歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律

圖3 動(dòng)單剪試驗(yàn)中的孔壓發(fā)展規(guī)律

圖4給出了平均孔壓和循環(huán)振次之間的關(guān)系，由圖4可以看出，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，孔壓和振次之間具有良好的線性關(guān)系，與黏性土中的規(guī)律相近。此外，參數(shù)u對(duì)振次的變化規(guī)律與動(dòng)剪應(yīng)力幅值大小有關(guān)，且存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，當(dāng)振次小于該轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，孔壓的增加隨動(dòng)剪應(yīng)力的增加而減小，當(dāng)超過該臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，孔壓的增加隨動(dòng)剪應(yīng)力的增加而增加，本次試驗(yàn)中臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)在振次N=8左右。當(dāng)然該現(xiàn)象僅在少數(shù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，受試驗(yàn)數(shù)量和土體單一性影響，還有待進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

圖4 孔壓和循環(huán)振次的關(guān)系

3.3 空心扭剪和動(dòng)單剪試驗(yàn)孔壓發(fā)展規(guī)律對(duì)比分析

對(duì)比分析空心扭剪和動(dòng)單剪試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，孔壓在加載初期均顯著增加，但在繼續(xù)加載過程中，增長(zhǎng)速率出現(xiàn)顯著差異。空心扭剪試驗(yàn)中的孔壓隨即持續(xù)增加，后突然上升，直至達(dá)到初始固結(jié)應(yīng)力；動(dòng)單剪試驗(yàn)中的孔壓則持續(xù)緩慢上升，直至接近初始固結(jié)應(yīng)力。同時(shí)可以看出，動(dòng)單剪試驗(yàn)中的最終孔壓值與初始固結(jié)應(yīng)力存在一定距離，但空心扭剪試驗(yàn)中的孔壓可以完全達(dá)到。究其原因，可能是由于單剪試驗(yàn)在加載過程中，試樣中的水甚至土體在壓力作用下容易擠進(jìn)頂帽和橡皮膜之間的間隙，土樣不能保證完全常體積。

在空心扭剪試驗(yàn)中，歸一化的u/uf—N/Nf關(guān)系可用孔壓增長(zhǎng)模型p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ，在動(dòng)單剪試驗(yàn)中，對(duì)平均孔壓時(shí)程進(jìn)行非線性擬合后發(fā)現(xiàn)，孔壓增長(zhǎng)隨加載時(shí)間呈現(xiàn)以冪函數(shù)緩慢增加的規(guī)律(如圖3所示)，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，孔壓增長(zhǎng)隨循環(huán)振次呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律(如圖4所示)。

4 結(jié) 論

本文利用空心扭剪儀和動(dòng)單剪試驗(yàn)儀分別進(jìn)行了均等和K0固結(jié)條件下的不排水動(dòng)力剪切試驗(yàn)，得到了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 雙向耦合剪切試樣中，土體的動(dòng)強(qiáng)度與軸向動(dòng)荷載和扭轉(zhuǎn)動(dòng)荷載幅值的比值λ具有顯著的依賴關(guān)系，土體的動(dòng)強(qiáng)度隨λ的增加而降低，因此，必要時(shí)應(yīng)對(duì)λ進(jìn)行充分考慮。但λ對(duì)歸一化的孔隙水壓力發(fā)展模式?jīng)]有顯著影響。

(2) 動(dòng)單剪試驗(yàn)中，平均孔壓和循環(huán)振次之間在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈現(xiàn)線性關(guān)系，與黏性土中的規(guī)律相近；且存在一臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，當(dāng)振次小于該臨界值時(shí)，孔壓的增加隨動(dòng)剪應(yīng)力的增加而減小，當(dāng)超過該臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，孔壓的增加隨動(dòng)剪應(yīng)力的增加而增加，該規(guī)律還有待進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

(3) 對(duì)比分析空心扭剪和動(dòng)單剪試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔壓增長(zhǎng)規(guī)律在加載初期相近，后由于單剪試驗(yàn)的局限性出現(xiàn)顯著差異。同時(shí)前者的孔壓增長(zhǎng)規(guī)律可用p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ加以描述；在動(dòng)單剪試驗(yàn)中，孔壓增長(zhǎng)隨加載時(shí)間呈現(xiàn)以冪函數(shù)緩慢增加的規(guī)律，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，孔壓增長(zhǎng)隨循環(huán)振次呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。

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Experimental Research on Development Pattern of Pore-Water Pressure of Saturated Sand Under Wave Loads

DENG Haifeng1，2, LIU Zhenwen1，2, QI Lei1，2, XU Hao1，2, TIAN Wei1，2, LI Chun1，2

(1.CNPCResearchInstituteofEngineeringTechnology,Tianjin300451,Chin;2.KeyLaboratoryofOffshoreEngineering,CNPC,Tianjin300451,China)

Using the torsional shear hollow cylinder apparatus and dynamic simple shear test apparatus, a set of bi-directional cyclic loading and dynamic simple shear tests on saturated sand are conducted respectively in this paper. The development patterns of pore water pressure under two methods are analyzed and compared. The test results show that the development patterns which can be described by traditional pore water pressure development model and power function relationship are in significant difference. In bi-directional cyclic loading test, the ratio of bi-directional dynamic load amplitude (λ) has remarkable effect on pore-water pressure growth, while the normalized pore-water pressure is not. In dynamic simple shear test, the increasing trend of pore water pressure along with dynamic shear stress depended on existing critical conversion value of cycle.

dynamic hollow torsional test; dynamic simple shear test; pore-water pressure; wave loading; sand

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.009

2017-02-24

2017-03-17

鄧海峰(1989—)，男，吉林舒蘭人，碩士，助理工程師，主要從事海洋勘察和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail: denghaifeng@cnpc.com.cn

TU411

A

1672—1144(2017)03—0045—04