波浪作用下饱和砂土孔压发展规律试验研究

邓海峰，刘振纹，祁 磊，许 浩，田 伟，李 春

(1.中国石油集团工程技术研究院， 天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室， 天津 300451)

波浪作用下饱和砂土孔压发展规律试验研究

邓海峰1，2，刘振纹1，2，祁 磊1，2，许 浩1，2，田 伟1，2，李 春1，2

(1.中国石油集团工程技术研究院， 天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室， 天津 300451)

利用空心圆柱扭剪仪和动单剪试验仪分别对饱和砂土进行了循环耦合剪切和动单剪试验，研究比较两种不同方法下，饱和砂土内部孔隙水压力发展规律及其差异。结果表明，两种孔压发展规律具有显著差异，且分别可以采用传统孔压增长模型和幂函数关系加以描述；空心扭剪试验中，双向动荷载的幅值比值λ对孔压增长具有显著影响，但对归一化孔隙水压力发展模式没有显著的影响；动单剪试验中，存在循环振次临界转换值，该值决定了孔压增加随动剪应力的变化趋势。

空心扭剪试验；动单剪试验；孔隙水压力；波浪荷载；砂土

我国渤海湾浅滩海域表层存在大量砂质土，同时经常受波浪荷载作用，波浪荷载作用下，砂土内部产生累积孔隙水压力，土体内部有效应力降低，最终导致强度下降，影响海床及结构物的稳定性，因此有必要对孔压发展模式进行研究。目前，对于波浪荷载下砂土内部孔压发展已有大量研究[1-8]，同时，关于饱和砂土的孔压发展模式已提出多种不同形式的理论模型[9-15]，这些理论大多建立在室内动力特性试验之上。

早期研究成果表明，波浪荷载作用下，土体单元内部应力特点为动应力幅值恒定，主应力轴发生连续旋转，可采用圆形应力路径加以描述。但国内外最新研究成果表明，椭圆形应力路径更能准确地反映出土体单元的真实应力状态，因此有必要对椭圆形应力路径条件下饱和砂土内部孔压发展规律进行研究。此外，孔压发展模式的主要室内试验手段包括：动单剪、动三轴和空心扭剪试验系统三轴，不同试验手段获得的孔压发展模式存在差异。因此，针对Dr为30%的砂质土做了：(1)k0固结条件下不排水剪切的动单剪试验；(2) 各向同性固结条件下椭圆形应力路径加载方式的双向耦合循环剪切试验。探讨了竖向与扭转双向耦合循环剪切试验中不同动应力幅值比对孔压发展规律的影响；对比分析了不同试验方法下孔压发展规律异同，并给出了孔压发展规律的具体描述形式。

1 试验材料及方法

1.1 土料及其制备

试样采用渤海湾某海域的细砂，主要物性指标：比重Gs=2.66，最大与最小干密度分别为ρdmax=1.944 g/cm3，ρdmin=1.225 g/cm3，粒组成分列于表1。

表1 粒径分布

按照目标Dr、ρdmax和ρdmin计算得到试样密度，进而根据试样体积控制试样质量，各试样的制作均采用分层干装法(空心试样和单剪试样分别分为4层和2层)。联合利用通CO2和无气水以及反压饱和方式对试样进行饱和，直至试样饱和度超过0.98。

1.2 试验方法与方案

(1) 空心扭剪试验。采用初始各向同性固结方式对试样进行固结，固结结束后，对试样进行双向循环加载，荷载均采用应力控制，振动频率为0.1 Hz，同时控制双向振动相位差为90°，并调整双向振动应力幅值，以满足主应力轴连续旋转的椭圆形应力加载形式。

同时为了研究不同循环轴向应力幅值σd和剪应力幅值τd比值λ对孔压增长的影响，分别控制该比值为3、2、0.8和0.4，同时调整初始固结应力，研究初始有效固结应力对孔压增长规律的影响。详细试验方案列于表2。

表2 空心扭剪试验加载方案

(2) 动单剪试验。利用铜制叠环对试样进行K0固结，固结结束后，采用应力控制进行不排水水平动力循环加载，频率设定为0.1 Hz。详细试验方案列于表3。

表3 动单剪试验加载方案

2 试验仪器

采用两套美国GCTS动力循环加载系统完成全部试验内容，利用GCTS循环单剪试验系统完成动单剪试验，该系统采用铜制叠环实现K0固结和纯剪破坏。动单剪试样尺寸为φ50 mm×20 mm；利用GCTS空心扭剪试验系统，完成主应力轴连续旋转动力剪切试验，试样尺寸为外径100 mm，内径50 mm，高度200 mm。

3 结果与讨论

3.1 空心扭剪试验中砂土的孔压发展规律

图1为不同空心扭剪试验条件下，孔隙水压力u随循环振次Nf的关系曲线。由图1可看出，不同试验条件下，孔压增长规律相近，即在试验开始阶段，试样有紧缩趋势，孔隙水压力迅速增长；然后颗粒发生重新排列，增长速率放缓，由疏松逐步趋于密实，但试样一直处于压缩状态；最后，达到一临界转换点，试样内部孔压迅速增加，直至达到初始固结应力，最终发生液化。

图1 空心扭剪试验中孔压发展规律

对比分析同一固结应力，不同应力比λ条件下的孔压增长趋势，可发现，孔压增长速率具有显著差异。当应力比λ较大时，孔压增长速率较快，即如图1(a)所示，当λ=3.0时，循环破坏振次为36次，当λ=0.4时，循环破坏振次接近90次。结果表明，土体的动强度与轴向动荷载和扭转动荷载幅值的比值λ具有显著的依赖关系，即随着λ的增加，土体的动强度逐渐降低。

图2为u/uf—N/Nf归一化结果曲线。由图2可以看出，虽然λ对孔压增长有显著增长，但归一化的u/uf—N/Nf关系与λ不存在依赖关系。将试验得到的孔压发展规律与既有孔压增长模型p=(2σ3/π)·arcsin(N/N1)1/2θ进行比较，如图2(b)所示，结果表明，既有孔压增长模型可以很好地反映双向耦合振动中的孔压增长模式。

3.2 动单剪试验中砂土的孔压发展规律

图3给出了不同试验动剪切强度条件下，砂土孔压发展时程曲线，并按照平均孔压对动单剪试验中的孔压发展规律进行拟合。由图3可看出，不同动应力幅值条件下，超孔压积累规律相近，即在加载初期，孔压迅速积累，然后随着动应力幅值的增加积累速度放缓，直至达到初始固结应力，试样液化。此外，还可以看出，当动剪应力幅值较小时，超孔压积累速度相对较慢，随着动剪应力幅值的增加，超孔压积累速度显著增加，随着动应力幅值的增加，达到液化所需振次显著降低，即随着循环破坏振次的增加，土体的动强度显著下降。

图2 空心扭剪试验中归一化孔压发展规律

图3 动单剪试验中的孔压发展规律

图4给出了平均孔压和循环振次之间的关系，由图4可以看出，在半对数坐标中，孔压和振次之间具有良好的线性关系，与黏性土中的规律相近。此外，参数u对振次的变化规律与动剪应力幅值大小有关，且存在一个临界转换点，当振次小于该转换点时，孔压的增加随动剪应力的增加而减小，当超过该临界转换点时，孔压的增加随动剪应力的增加而增加，本次试验中临界转换点在振次N=8左右。当然该现象仅在少数试验中发现，受试验数量和土体单一性影响，还有待进一步加以验证。

图4 孔压和循环振次的关系

3.3 空心扭剪和动单剪试验孔压发展规律对比分析

对比分析空心扭剪和动单剪试验结果，可以发现，孔压在加载初期均显著增加，但在继续加载过程中，增长速率出现显著差异。空心扭剪试验中的孔压随即持续增加，后突然上升，直至达到初始固结应力；动单剪试验中的孔压则持续缓慢上升，直至接近初始固结应力。同时可以看出，动单剪试验中的最终孔压值与初始固结应力存在一定距离，但空心扭剪试验中的孔压可以完全达到。究其原因，可能是由于单剪试验在加载过程中，试样中的水甚至土体在压力作用下容易挤进顶帽和橡皮膜之间的间隙，土样不能保证完全常体积。

在空心扭剪试验中，归一化的u/uf—N/Nf关系可用孔压增长模型p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ，在动单剪试验中，对平均孔压时程进行非线性拟合后发现，孔压增长随加载时间呈现以幂函数缓慢增加的规律(如图3所示)，在半对数坐标中，孔压增长随循环振次呈现线性增加的规律(如图4所示)。

4 结 论

本文利用空心扭剪仪和动单剪试验仪分别进行了均等和K0固结条件下的不排水动力剪切试验，得到了如下几点结论：

(1) 双向耦合剪切试样中，土体的动强度与轴向动荷载和扭转动荷载幅值的比值λ具有显著的依赖关系，土体的动强度随λ的增加而降低，因此，必要时应对λ进行充分考虑。但λ对归一化的孔隙水压力发展模式没有显著影响。

(2) 动单剪试验中，平均孔压和循环振次之间在半对数坐标中呈现线性关系，与黏性土中的规律相近；且存在一临界转换点，当振次小于该临界值时，孔压的增加随动剪应力的增加而减小，当超过该临界转换点时，孔压的增加随动剪应力的增加而增加，该规律还有待进一步加以验证。

(3) 对比分析空心扭剪和动单剪试验结果发现，孔压增长规律在加载初期相近，后由于单剪试验的局限性出现显著差异。同时前者的孔压增长规律可用p=(2σ3/π)arcsin(N/N1)1/2θ加以描述；在动单剪试验中，孔压增长随加载时间呈现以幂函数缓慢增加的规律，在半对数坐标中，孔压增长随循环振次呈现线性增加的规律。

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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

邓海峰(1989—)，男，吉林舒兰人，硕士，助理工程师，主要从事海洋勘察和结构设计工作。E-mail: denghaifeng@cnpc.com.cn

TU411

A

1672—1144(2017)03—0045—04