基于流變儀測試海底淺表層軟黏土不排水強度研究

2022-12-15 07:13:02繆棟杰宋丙輝宋玉鵬孫永福蘇志明劉紹文

海洋工程 2022年6期

繆棟杰，宋丙輝，宋玉鵬，孫永福, 3，蘇志明，劉紹文

(1. 南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210023; 2. 自然資源部第一海洋研究所，山東青島 266061; 3. 國家深海基地管理中心，山東青島 266237)

軟黏土在我國近海廣泛分布，具有含水率高、壓縮性大、抗剪強度低以及滲透性差等特點[1]。隨著海洋強國戰略的持續實施，與海底軟黏土相關的近海海洋開發活動蓬勃發展，如海洋牧場、人工魚礁、海底光纜及近海油氣資源開采等[2-4]，因此，評估海底軟黏土的工程特性，尤其是強度性質具有重要的科學意義和應用價值。

當前軟黏土的強度測試方法主要分為兩大類，一類是原位測試，主要包括原位十字板剪切和靜力觸探等；另一類是室內試驗，分為直接剪切試驗、三軸剪切試驗和無側限抗壓強度試驗等。由于海底軟黏土的強度極低[1]，常規的室內試驗方法常常無法滿足測試精度的要求，因此，新的軟黏土不排水抗剪強度測試方法近年來逐漸興起。Inoue等[5]研制出了薄板貫入試驗裝置，利用該裝置測試了高含水率淤泥的不排水強度；后期Tan等[6]對比了薄板貫入試驗結果與旋轉黏度計試驗和落錐試驗等測試結果，進一步驗證了該方法的有效性；國內吉峰等[7]通過引進薄板貫入試驗對比研究了我國不同地區的3種疏浚淤泥的不排水強度，指出以含水率與液限之比作為參考變量可對3種淤泥的不排水強度進行歸一化；王亮等[8]采用自研的室內高精度微型十字板剪切儀研究了含水率對重塑淤泥不排水強度的影響，發現不同區域淤泥的不排水強度與含水率/液限之間存在冪函數相關關系；魯雙等[9]基于多組超軟土強度和流變特性試驗提出了使用流變儀進行超軟土強度測試的有效方法；年廷凱等[1]研制出一種適用于低強度、高含水率土體強度測試的新型全流動貫入儀，通過測試南海北部陸坡區軟黏土的不排水抗剪強度，建立了該區域軟黏土不排水剪切強度歸一化模型。

作為海底管纜、人工魚礁等海工設施的潛在持力層，以往關于海底軟黏土不排水抗剪強度的研究較多，但囿于測試手段和測試精度的限制，在海底淺表層軟黏土不排水抗剪強度精細化測試方面成果比較有限。尤其是對于海上原位測試技術如原位十字板等，通常只能測試海底土的峰值和重塑強度，無法獲知海底土剪切破壞的全過程特征，且限于測試環境和設備自身原因某些情況下對于海底超軟土強度的測試精度也無法令人滿意[7]。本次采用RST-SST型軟固體流變儀研究了青島海域海底淺表層軟黏土的不排水剪切強度特性，揭示了原狀和重塑海底軟黏土不排水剪切破壞過程，探討了海底軟黏土靈敏度與埋深及液性指數間的關系，建立了研究區海底軟黏土不排水剪切強度歸一化模型，為精細評估海底淺表層軟黏土不排水強度特性提供了新的借鑒。

1 試驗土樣和方法

1.1 試驗土樣

研究區位于南黃海青島周邊海域，水深小于50 m，海底發育有水下淺灘、現代水下三角洲及海沖蝕平原等海底地貌，海相地層形成于全新世海侵，其下為晚更新世的河流/沼澤相沉積或中生代地層[10]。試驗土樣分別取自石門巖和千里巖附近海域，取樣站點信息如表1所示，取樣之前先進行孔壓靜力觸探(CPTU)原位測試，后利用重力取樣器采集海底沉積物，經現場分樣密封后運回室內實驗室開展土體物理力學性質測試。由于所取柱狀樣來自海底4 m以淺土層，根據有關工程經驗可知屬于淺表層海底沉積物[11-12]。

柱狀樣土質較均一，呈灰—灰褐色，流—軟塑狀，局部夾雜少量生物貝殼碎屑(圖1)。

圖1 重力柱02土樣(埋深1.2～1.4 m)Fig. 1 02# soil sample (burial depth 1.2～1.4 m)

為全面評估海底淺表層軟黏土的工程性質，將柱狀樣按照長約20 cm進行分段截取，每段均開展一組基本物理指標試驗。試驗步驟按照《土工試驗方法標準》(GB/T 5012—2019)[13]執行，其中塑限和液限采用WX-2光電液塑限聯合測定儀進行測定，試驗結果如表2所示。由表2可知，相比起重力柱03，重力柱02土樣的含水率更高，密度更小，液限指數更大，強度也更低，而二者的液塑限則比較接近。按照《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)[14]，重力柱02土樣可歸類為黏土，重力柱03除前20 cm以淺屬粉質黏土外，其余土樣也可歸類為黏土。

表2 土樣物理性質指標Tab. 2 Physical property indexes of soil

1.2 試驗方法

使用美國Brookfield公司的RST-SST型軟固體流變儀(圖2)測試海底淺表層軟黏土的不排水剪切強度，該儀器操作簡便，測試精度高，可獲得土體全過程剪切破壞特征，近年來在高含水率、低強度的海底流態土強度測試中得到了越來越多的應用[15-16]。

圖2 RST-SST流變儀Fig. 2 RST-SST rheometer

該流變儀的強度測試原理與十字板剪切試驗相同，均為剪切柱體假設理論[17]。將轉子插入土體中至目標深度，短暫靜置一段時間消除轉子插入的擾動影響后，轉動轉子在土層中產生接近一個圓柱體的破壞狀態，如圖3所示。

圖3 圓柱形破壞面強度分布示意Fig. 3 Distribution of shear strength on cylindrical failure surface

根據外力施加于轉子上的最大力矩Mmax來推求土體的抗剪強度：

(1)

對于飽和軟黏土τf等于其不排水剪切強度su，則有：

(2)

式中：τf為轉子在土體中產生的剪切應力，kPa；su為土體不排水剪切強度，kPa；Mmax為最大力矩，N·m；D為轉子十字板直徑，mm；H為轉子十字板高度，mm。

本次選用的轉子直徑D=20 mm，高度H=40 mm，最大量程約3.5 kPa，測試采用剪切速率控制模式，前人利用十字板剪切儀測試軟黏土不排水剪切強度時多設定轉子旋轉速度為0.1°/s[18]，參照《土工試驗方法標準》(GB/T 5012—2019)的要求[13]，也設定轉子轉動速率為0.1°/s，對應的轉子圓周剪切速率約為1.05 mm/min，接近于常規直剪快剪的剪切速率(0.8 mm/min)。測試開始前利用Brookfield黏度標準液對流變儀進行了校準檢驗，以保證測試數據的準確性，校準結果表明相同轉子和扭矩值下測得的黏度讀數在標準液真實值的±3%之內，符合校準要求。通過調節操作手柄使轉子垂直貫入軟黏土中1倍轉子高度[9, 14]，由于貫入深度有限，鉆桿直徑較小(5 mm)，故忽略了鉆桿的摩擦阻力效應[9]，間隔5 min后開始測試原狀軟黏土的不排水剪切強度(初始強度)，而后快速轉動轉子六圈使土樣充分擾動，進而測試重塑土樣的不排水剪切強度(重塑強度)。

2 試驗結果與分析

2.1 測試結果可靠性分析

對于原位靜力觸探測試，Kjekstad等[19]總結多種試驗及理論方法提出估算黏性土不排水剪切強度的公式：

(3)

式中：su為黏性土不排水剪切強度，kPa；qt為經孔壓修正后的錐尖阻力，kPa；σv0為上覆土體的總應力，kPa；Nkt為經驗圓錐系數，多根據原位和室內強度試驗結果反算得來。

本次將流變儀、微型十字板[20]測試結果與現場靜力觸探估算得到的軟黏土不排水抗剪強度進行了匯總分析，如圖4所示，其中限于轉子測試量程，重力柱03僅對埋深65 cm以淺樣品開展了流變儀強度測試。

從圖4可知，不同測試手段得到的海底淺表層軟黏土不排水剪切強度彼此吻合較好，說明采用流變儀測試軟黏土不排水剪切強度是可行的[9]。值得注意的是根據靜力觸探錐尖阻力反算黏性土不排水剪切強度時采用的經驗圓錐系數Nkt=30，符合室內三軸不固結不排水剪切(Nkt=18～35)和無側限抗壓強度(Nkt=22～42)試驗對應的經驗圓錐系數范圍值[21]。

圖4 軟黏土強度測試結果對比Fig. 4 Comparison between different strength test results for soft clay

2.2 軟黏土的不排水剪切強度

基于重力柱02不同埋深處土樣流變強度測試結果，圖5描繪了海底淺表層軟黏土不排水剪切強度隨剪切位移的發展演變特征，其中剪切位移為轉子的圓周旋轉位移。從圖5可以看出，在一定的剪切變形范圍內，埋深較淺海底軟黏土(d=5、50、100、130 cm)的初始不排水剪切強度—剪切位移關系呈現比較明顯的應變軟化破壞特征，而隨著軟黏土埋深增大(d=170、190 cm)，剪切逐漸轉變為弱應變硬化破壞。與初始強度不同，重塑后海底軟黏土不排水剪切強度隨剪切位移均表現出良好的塑性破壞特征。不同的剪切破壞模式與軟黏土本身性質、固結狀態、施加的剪切速率以及應力路徑等有關[13]，這種現象對于以海底淺表層軟黏土作為持力層的海工設施科學設計具有一定指導意義[3-4]。

圖5 海底軟黏土不排水剪切強度—剪切位移相關關系(重力柱02)Fig. 5 Relationships between undrained shear strength and shear displacement for soft clay (02# soil sample)

圖6給出了兩個重力柱土樣流變儀初始強度和重塑強度對比結果。從圖6可知，青島海域海底淺表層軟黏土初始不排水剪切強度介于0.523～3.461 kPa之間，重塑不排水剪切強度介于0.068～1.158 kPa之間。埋深0～45 cm范圍內重力柱02和重力柱03土樣的初始強度彼此接近，均隨埋深的增加而逐漸增大，但隨著埋深進一步增加，重力柱03土樣的初始強度增大明顯，幾乎達到了流變儀的最大量程，這主要與此埋深處重力柱03土樣含水率降低而密實度有所增大有關，而埋深70 cm以下重力柱02土樣的初始強度呈先減小后增大的波動變化趨勢。兩個重力柱土樣的重塑強度隨埋深波動變化趨勢類似于其初始強度，但幅值較初始強度明顯減小。有學者在我國南海北部陸坡區開展了眾多海底淺表層沉積物不排水剪切強度測試研究，在測試手段相近(微型十字板)和沉積物土性相同(軟黏土)的基礎上將南海北部陸坡某B2站位淺表層軟黏土的初始強度[22]繪于圖6中，可以看出此次重力柱02土樣的初始強度隨埋深變化規律與之比較吻合，然而限于缺乏該站位軟黏土的基本物理性質，潛在機理有待進一步的研究。

圖6 海底淺表層軟黏土不排水剪切強度隨埋深的變化情況Fig. 6 Relationships between undrained shear strength and buried depth for shallow marine soft clay

2.3 軟黏土的靈敏度

土體由原位狀態到重塑狀態后強度會降低，即表現出了土體的結構性和靈敏性。Terzaghi[23]提出了一個評價土體靈敏性的指標，即靈敏度St，用來衡量黏性土結構性對其強度的影響，通常定義為原位不排水剪切強度su,0與重塑后強度su,rem的比值：

(4)

圖7描繪了青島海域兩個重力柱樣品的靈敏度隨埋深的變化情況，為了相互比較，前人利用全流動儀循環測試獲得的南海軟黏土靈敏度也一同繪于圖中[1]。從圖7可以看出青島海域海底淺表層軟黏土的靈敏度介于2～10之間，屬中—高靈敏性黏土，靈敏度平均值為5.00，接近于江蘇連云港海相軟土的平均靈敏度(St=4.47)[24]，但明顯小于南海北部陸坡海底軟黏土的靈敏度。另外，海底淺表層軟黏土靈敏度隨埋深增加呈遞減的趨勢，表明表層軟黏土的靈敏度一般大于淺層土的靈敏度。相比較而言，重力柱02軟黏土的靈敏度一般稍大于重力柱03土樣的靈敏度，說明重力柱02軟黏土的結構性要相對更強一些。Bjerrum[25]通過研究Norwegian海積軟黏土發現土體靈敏度隨液性指數增大而有所增高，本文重力柱02軟黏土的液性指數比重力柱03土樣的大(表2)，因此液性指數高應是重力柱02軟黏土靈敏度相對更高的原因之一[26]。

圖7 土樣靈敏度測試結果匯總Fig. 7 Test results of the sensitivity of soft soil

基于前人[25, 27]研究成果，圖8匯總了不同區域黏性土靈敏度隨液性指數的變化情況。整體來看，在單對數坐標系中黏性土的靈敏度隨液性指數的增大大致呈線性增長趨勢，只不過相同液性指數下青島和上海軟黏土的靈敏度相對偏小一些。考慮到黏性土靈敏度受物質組成、取樣擾動、重塑方式、測試手段、原位有效應力等多種因素的綜合影響[27]，后續采用統一的標準來重新評估黏性土靈敏度與液性指數間相關關系是有必要的。

圖8 液性指數和靈敏度的關系Fig. 8 Relationships between liquidity index and sensitivity

2.4 軟黏土的歸一化強度模型

影響軟黏土不排水剪切強度的因素有很多，但對于海底淺表層軟黏土來說，含水率是主要的影響因素之一，不排水強度通常隨含水率的增加而快速降低[5-6]。吉鋒等[7]基于室內平板貫入試驗發現不同種類淤泥的不排水剪切強度隨含水率增大表現出相似的衰減特征，引入w/wL(含水率和液限之比)對不同軟黏土的不排水強度與含水率的關系進行歸一化，如式(5)所示：

(5)

式中：su為軟黏土不排水剪切強度，kPa；w為土樣含水率，%；wL為土的液限，%；a，b為擬合參數，隨不同土樣的性質而變化。

圖9描繪了青島海域海底軟黏土不排水剪切強度與w/wL間相關關系。

圖9 軟黏土不排水剪切強度與w/wL相關關系Fig. 9 Relationships between undrained shear strength and w/wL for soft clay

如圖9所示，青島海域海底軟黏土的初始和重塑不排水強度均隨w/wL的增大呈冪律形式減小，符合前人提出的軟黏土歸一化強度模型。另外，隨著w/wL逐漸增大，海底淺表層軟黏土的初始與重塑不排水剪切強度之間的差距逐漸縮小，表明軟黏土的結構性隨w/wL的增加而有所減弱。

為了更全面地對比不同類別軟黏土的歸一化強度特性，將本文成果與前人有關發現[7-8, 11, 28]進行了匯總分析，結果如圖10和表3所示。

圖10 軟黏土歸一化強度特性對比Fig. 10 Comparison of different normalized strength models for soft clay

表3 a和b取值情況Tab. 3 Values of a and b

由圖10可以看出本文采用流變儀測得的海底軟黏土重塑不排水剪切強度隨w/wL變化趨勢與前人所得結果基本一致，只是強度模型擬合參數存在不同。相較而言，本文結果與Hong等[28]和吉峰等[7]的結果比較接近，小于王亮等[8]和年廷凱等[1]的試驗結果。有關研究發現軟黏土不排水剪切強度會隨剪切速率的增大而增大[9]，本文采用的剪切速率為6°/min，而王亮等[8]采用的剪切速率為60°/min，除了土的固有性質不同之外，剪切速率低可能是本文結果低于王亮等[8]試驗結果的一個重要原因。