空心扭剪试验技术在南海钙质砂动强度测试中的应用

邓海峰，祁 磊，许 浩，李 春

(中国石油集团工程技术研究有限公司 天津300451)

0 引 言

作为我国重要的海上领土，中国南沙、西沙群岛广泛分布着钙质砂。作为一种特殊岩土介质，钙质砂以珊瑚碎屑为主，并由石灰藻、有孔虫、棘皮动物碎片组成，与普通的陆源砂有明显区别，具体特性表现在:碳酸钙含量高；棱角度大；孔隙比高；易破碎。

此外，波浪的周期性运动在海床表面产生了往复波压力，引起海洋地基或者海床土体内的有效应力场和超静孔隙水压力场不断发生变化，最终导致土体动强度发生显著变化，进而对海床和海洋结构物的安全稳定性造成影响。

国内外学者已对钙质砂的动力特性进行了一定的研究[1-6]，但由于试验条件的限制，一般都利用常规的动三轴试验仪和动扭剪仪进行试验，不能考虑主应力方向连续旋转的影响，无法很好地模拟波浪荷载作用下钙质中的应力状态。

基于对波浪荷载作用下钙质砂动力特性研究的重要意义及其研究现状，依托公司 GCTS多功能动力液压扭转剪切仪，形成一套复杂应力加载条件下砂土动力特性室内试验测试技术。该项技术更加真实地模拟了波浪荷载条件，土体动力特性测试结果准确性更高。将该项试验技术进一步应用于南海钙质砂动力特性研究项目中，系统分析了偏应力比、平均主应力对饱和钙质砂动强度特性和孔压增长模式的影响。

1 空心扭剪试验方法

空心扭剪试验主要包括重塑试样制备、试样饱和、试样固结和加载4个步骤。

1.1 空心圆柱试样制备方法改进

1.1.1 传统装样方法

针对中砂(粒径主要分布在 0.2～0.5mm 范围内)，采用干装法(试样制备前不添加任何水分)，即便在较大真空压力下，试样内部也会坍塌，导致制样失败。

1.1.2 装样方法改进

采用湿装法装样，依据“假黏聚力”效应，通过配制不同含水率的样品，配合一定真空压力，使试样自立，同时满足均匀要求，详见表1。

1.2 饱和试验方法改进

1.2.1 传统饱和方式

传统三轴试验样品较小(直径 3.91cm、高 8cm，体积100cm3)，采用反压饱和方式可直接达到饱和效果。但空心扭剪试验样品体积较大(650cm3)，直接反压饱和，容易出现以下问题:①试样内部空气含量更高，需提供更大反压使空气与水融合，目标反压可能会超出设备能力；②空气与水融合需要一个缓慢的过程，导致饱和时间更长；③某些砂土可能存在内孔隙，水分不易进入，造成饱和度达不到使用要求。

表1 空心试样制备方法Tab.1 Hollow specimen preparation method

1.2.2 饱和方式改进

结合通 CO2法、水头饱和法和反压饱和法 3种试验方法，摸索高效且满足试验要求的饱和方式，详见表2。

表2 试样饱和方式Tab.2 Specimen saturation method

1.3 复杂应力路径加载方式实现

根据拟施加的圆形应力路径，建立循环应力加载数学模型如下:

式中:σz、σθ、τ分别为竖向应力、环向应力、剪应力，kPa；σz0、σθ0、τ0分别为固结完成后初始竖向应力、环向应力、剪应力，kPa；σd为动循环应力幅值，kPa。

但在空心扭剪试验仪中，需通过控制内、外围压pi、p0，竖向荷载W和扭矩MT来实现。

为此，建立了目标应力和荷载间转换关系如下:

式中:σr为径向应力，kPa；R0、Ri为试样外径、试样内径，m；A为竖向加载杆面积，m2；其他参数含义同上。

进一步编制了18参数的目标应力和荷载间转换程序，可自动实现从固结到动力剪切过程中的荷载条件确定，见图1。

2 空心扭剪试验技术应用

将空心扭剪试验技术应用于天津大学“南海钙质砂动力特性研究”项目中，旨在研究重力锚作用下中砂在波浪荷载作用下的动力特性，用于分析重力锚承载力和海床稳定性等问题。

图1 目标应力和荷载间转换程序Fig.1 Transition procedure between target stress and load

2.1 初始偏应力比和平均主应力对动强度的影响

如图 2所示，某一偏应力比条件下，动应力比由小变大时，循环破坏振次Nf显著降低；且动应力比与破坏时的循环振次 N关系均具有显著的幂函数相关性。

初始偏应力比对土体动强度有显著影响，整体表现出，随着初始偏应力的增加，土体的动强度逐渐降低，但在振次初期，这种规律并不明显，如图 2(a)所示。笔者究其原因认为，初始偏应力比的增加，间接提高了加载前试样内部剪应力，即施加动荷载前，试样剪切破坏趋势增加。

平均主应力同样对土体动强度影响显著，不同平均主应力下，动应力比均随着循环振次的增加而显著降低；此外，随着平均主应力的增加，动应力比逐渐增大，即土体动强度不断提高，如图2(b)所示。

试验结果还表明，土体均存在临界动应力比，即在特定初始应力状态下，当动应力比小于某一临界应力值，试样不会发生破坏，因此该强度曲线多用于砂土液化判别和海床稳定性分析中。

图2 初始偏应力比(a)和平均主应力(b)对动强度影响Fig.2 Dynamic strength curves under different partial stress ratios(a) and average principal stress(b)

2.2 初始偏应力比对孔压增长模式影响

图3给出了不同初始偏应力比下孔压与振次及孔压比与振次比间关系曲线。

不同初始偏应力比下的孔隙水压力发展规律趋势基本相同，即加载初期，孔压增长速率较大，达到一定程度后，增长速率逐渐变缓，最后趋于稳定。需要注意的是土体破坏发生时，孔压很难接近围压，孔压与围压比值一般在 0.7左右，因此通常采用变形标准作为土体破坏准则。

然而不同初始偏应力比下孔压增长速率存在差异，但归一化孔压发展规律较为接近，如图 3所示。对数拟合结果如下:

图3 不同初始偏应力比下孔压与振次及孔压比与振次比间关系曲线Fig.3 Pore water pressure and vibration countrelation curves

3 结 论

基于美国 GCTS空心扭剪试验仪，解决了中砂空心试样制备和饱和问题，提出了一种复杂应力加载方法，形成了一套复杂应力路径加载下砂土动力特性室内试验测试技术，并成功应用于南海钙质砂动力特性测试项目中，主要结论如下:

① 针对中砂空心试样制备，提出采用 7%含水率和20kPa真空联合制样，效果良好。

② 针对大体积空心圆柱试样饱和，提出综合采用通 CO2、水头饱和及反压饱和方式，并明确了各阶段维持时间，试样饱和效果良好，饱和度均达到 95%以上。

③ 建立了复杂循环应力加载数学模型，确定了目标应力和荷载间转换关系，编制了目标应力和荷载间转换程序，解决了各类复杂动循环应力加载在控制系统中的实现问题。

④ 初始偏应力比和平均主应力对土体动强度均影响显著；土体动强度随着平均主应力的增加而逐渐提高，随着初始偏应力的增加而逐渐降低。

⑤ 不同初始偏应力比下的孔隙水压力发展规律趋势基本相同，但孔压增长速率存在差异；归一化孔压发展规律较为接近，且表现出良好的对数关系。