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        空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)在南海鈣質(zhì)砂動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試中的應(yīng)用

        2018-09-29 02:59:00鄧海峰
        天津科技 2018年9期
        關(guān)鍵詞:孔壓鈣質(zhì)主應(yīng)力

        鄧海峰,祁 磊,許 浩,李 春

        (中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司 天津300451)

        0 引 言

        作為我國(guó)重要的海上領(lǐng)土,中國(guó)南沙、西沙群島廣泛分布著鈣質(zhì)砂。作為一種特殊巖土介質(zhì),鈣質(zhì)砂以珊瑚碎屑為主,并由石灰藻、有孔蟲、棘皮動(dòng)物碎片組成,與普通的陸源砂有明顯區(qū)別,具體特性表現(xiàn)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(yùn)動(dòng)在海床表面產(chǎn)生了往復(fù)波壓力,引起海洋地基或者海床土體內(nèi)的有效應(yīng)力場(chǎng)和超靜孔隙水壓力場(chǎng)不斷發(fā)生變化,最終導(dǎo)致土體動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生顯著變化,進(jìn)而對(duì)海床和海洋結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定性造成影響。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性進(jìn)行了一定的研究[1-6],但由于試驗(yàn)條件的限制,一般都利用常規(guī)的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀和動(dòng)扭剪儀進(jìn)行試驗(yàn),不能考慮主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的影響,無(wú)法很好地模擬波浪荷載作用下鈣質(zhì)中的應(yīng)力狀態(tài)。

        基于對(duì)波浪荷載作用下鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究的重要意義及其研究現(xiàn)狀,依托公司 GCTS多功能動(dòng)力液壓扭轉(zhuǎn)剪切儀,形成一套復(fù)雜應(yīng)力加載條件下砂土動(dòng)力特性室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)更加真實(shí)地模擬了波浪荷載條件,土體動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性更高。將該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究項(xiàng)目中,系統(tǒng)分析了偏應(yīng)力比、平均主應(yīng)力對(duì)飽和鈣質(zhì)砂動(dòng)強(qiáng)度特性和孔壓增長(zhǎng)模式的影響。

        1 空心扭剪試驗(yàn)方法

        空心扭剪試驗(yàn)主要包括重塑試樣制備、試樣飽和、試樣固結(jié)和加載4個(gè)步驟。

        1.1 空心圓柱試樣制備方法改進(jìn)

        1.1.1 傳統(tǒng)裝樣方法

        針對(duì)中砂(粒徑主要分布在 0.2~0.5mm 范圍內(nèi)),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(nèi)部也會(huì)坍塌,導(dǎo)致制樣失敗。

        1.1.2 裝樣方法改進(jìn)

        采用濕裝法裝樣,依據(jù)“假黏聚力”效應(yīng),通過(guò)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(shí)滿足均勻要求,詳見(jiàn)表1。

        1.2 飽和試驗(yàn)方法改進(jìn)

        1.2.1 傳統(tǒng)飽和方式

        傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)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(dá)到飽和效果。但空心扭剪試驗(yàn)樣品體積較大(650cm3),直接反壓飽和,容易出現(xiàn)以下問(wèn)題:①試樣內(nèi)部空氣含量更高,需提供更大反壓使空氣與水融合,目標(biāo)反壓可能會(huì)超出設(shè)備能力;②空氣與水融合需要一個(gè)緩慢的過(guò)程,導(dǎo)致飽和時(shí)間更長(zhǎng);③某些砂土可能存在內(nèi)孔隙,水分不易進(jìn)入,造成飽和度達(dá)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(jìn)

        結(jié)合通 CO2法、水頭飽和法和反壓飽和法 3種試驗(yàn)方法,摸索高效且滿足試驗(yàn)要求的飽和方式,詳見(jiàn)表2。

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

        1.3 復(fù)雜應(yīng)力路徑加載方式實(shí)現(xiàn)

        根據(jù)擬施加的圓形應(yīng)力路徑,建立循環(huán)應(yīng)力加載數(shù)學(xué)模型如下:

        式中:σz、σθ、τ分別為豎向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、剪應(yīng)力,kPa;σz0、σθ0、τ0分別為固結(jié)完成后初始豎向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、剪應(yīng)力,kPa;σd為動(dòng)循環(huán)應(yīng)力幅值,kPa。

        但在空心扭剪試驗(yàn)儀中,需通過(guò)控制內(nèi)、外圍壓pi、p0,豎向荷載W和扭矩MT來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        為此,建立了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

        式中:σr為徑向應(yīng)力,kPa;R0、Ri為試樣外徑、試樣內(nèi)徑,m;A為豎向加載桿面積,m2;其他參數(shù)含義同上。

        進(jìn)一步編制了18參數(shù)的目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序,可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)從固結(jié)到動(dòng)力剪切過(guò)程中的荷載條件確定,見(jiàn)圖1。

        2 空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

        將空心扭剪試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于天津大學(xué)“南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性研究”項(xiàng)目中,旨在研究重力錨作用下中砂在波浪荷載作用下的動(dòng)力特性,用于分析重力錨承載力和海床穩(wěn)定性等問(wèn)題。

        圖1 目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序Fig.1 Transition procedure between target stress and load

        2.1 初始偏應(yīng)力比和平均主應(yīng)力對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響

        如圖 2所示,某一偏應(yīng)力比條件下,動(dòng)應(yīng)力比由小變大時(shí),循環(huán)破壞振次Nf顯著降低;且動(dòng)應(yīng)力比與破壞時(shí)的循環(huán)振次 N關(guān)系均具有顯著的冪函數(shù)相關(guān)性。

        初始偏應(yīng)力比對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度有顯著影響,整體表現(xiàn)出,隨著初始偏應(yīng)力的增加,土體的動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低,但在振次初期,這種規(guī)律并不明顯,如圖 2(a)所示。筆者究其原因認(rèn)為,初始偏應(yīng)力比的增加,間接提高了加載前試樣內(nèi)部剪應(yīng)力,即施加動(dòng)荷載前,試樣剪切破壞趨勢(shì)增加。

        平均主應(yīng)力同樣對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度影響顯著,不同平均主應(yīng)力下,動(dòng)應(yīng)力比均隨著循環(huán)振次的增加而顯著降低;此外,隨著平均主應(yīng)力的增加,動(dòng)應(yīng)力比逐漸增大,即土體動(dòng)強(qiáng)度不斷提高,如圖2(b)所示。

        試驗(yàn)結(jié)果還表明,土體均存在臨界動(dòng)應(yīng)力比,即在特定初始應(yīng)力狀態(tài)下,當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比小于某一臨界應(yīng)力值,試樣不會(huì)發(fā)生破壞,因此該強(qiáng)度曲線多用于砂土液化判別和海床穩(wěn)定性分析中。

        圖2 初始偏應(yīng)力比(a)和平均主應(yīng)力(b)對(duì)動(dòng)強(qiáng)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(yīng)力比對(duì)孔壓增長(zhǎng)模式影響

        圖3給出了不同初始偏應(yīng)力比下孔壓與振次及孔壓比與振次比間關(guān)系曲線。

        不同初始偏應(yīng)力比下的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律趨勢(shì)基本相同,即加載初期,孔壓增長(zhǎng)速率較大,達(dá)到一定程度后,增長(zhǎng)速率逐漸變緩,最后趨于穩(wěn)定。需要注意的是土體破壞發(fā)生時(shí),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(biāo)準(zhǔn)作為土體破壞準(zhǔn)則。

        然而不同初始偏應(yīng)力比下孔壓增長(zhǎng)速率存在差異,但歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律較為接近,如圖 3所示。對(duì)數(shù)擬合結(jié)果如下:

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

        3 結(jié) 論

        基于美國(guó) GCTS空心扭剪試驗(yàn)儀,解決了中砂空心試樣制備和飽和問(wèn)題,提出了一種復(fù)雜應(yīng)力加載方法,形成了一套復(fù)雜應(yīng)力路徑加載下砂土動(dòng)力特性室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù),并成功應(yīng)用于南海鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性測(cè)試項(xiàng)目中,主要結(jié)論如下:

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

        ② 針對(duì)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(shí)間,試樣飽和效果良好,飽和度均達(dá)到 95%以上。

        ③ 建立了復(fù)雜循環(huán)應(yīng)力加載數(shù)學(xué)模型,確定了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換關(guān)系,編制了目標(biāo)應(yīng)力和荷載間轉(zhuǎn)換程序,解決了各類復(fù)雜動(dòng)循環(huán)應(yīng)力加載在控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

        ④ 初始偏應(yīng)力比和平均主應(yīng)力對(duì)土體動(dòng)強(qiáng)度均影響顯著;土體動(dòng)強(qiáng)度隨著平均主應(yīng)力的增加而逐漸提高,隨著初始偏應(yīng)力的增加而逐漸降低。

        ⑤ 不同初始偏應(yīng)力比下的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律趨勢(shì)基本相同,但孔壓增長(zhǎng)速率存在差異;歸一化孔壓發(fā)展規(guī)律較為接近,且表現(xiàn)出良好的對(duì)數(shù)關(guān)系。

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