振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及分析

佘穩(wěn)

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津 300451)

振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及分析

佘穩(wěn)

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津 300451)

介紹了采用DDS-70電氣伺服振動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置測(cè)定海底淺層飽和砂性土液化動(dòng)力特性參數(shù)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的若干問(wèn)題，如土樣制備過(guò)程中問(wèn)題、土樣成分及包含物對(duì)試驗(yàn)影響、試驗(yàn)中軸向振動(dòng)應(yīng)力施加常見(jiàn)問(wèn)題、土樣重塑試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性進(jìn)行分析。

動(dòng)三軸液化 軸向振動(dòng)應(yīng)力 液化阻力比 破壞次數(shù)

1 引言

海洋平臺(tái)及海底管道路由地基土的動(dòng)力特性參數(shù)是地震、波浪和風(fēng)等動(dòng)荷載作用下平臺(tái)和管道設(shè)計(jì)及計(jì)算分析的基本數(shù)據(jù)。在達(dá)到某一持續(xù)動(dòng)荷作用下，海底淺層飽和砂性土往往會(huì)大幅度、驟然地喪失其原有的強(qiáng)度而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類(lèi)似液體的狀態(tài)即液化，從而造成嚴(yán)重的破壞后果。因此，對(duì)海底飽和砂性土的液化分析就成了研究地基穩(wěn)定性的重要問(wèn)題之一。動(dòng)三軸液化試驗(yàn)是獲得土層液化動(dòng)力特性參數(shù)重要方法之一，近年來(lái)我在中海油服物探事業(yè)部工程勘察中心土工試驗(yàn)室進(jìn)行了較多組的動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，獲取了相關(guān)海域的淺層砂性土土層的液化動(dòng)力特性參數(shù)，但在試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，且這些問(wèn)題具有一定的代表性。

圖1 動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置

圖2 振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)結(jié)果

表1 應(yīng)力控制振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)安排及結(jié)果

表2 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

2 測(cè)定抗液化強(qiáng)度的應(yīng)力控制振動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置與方法

采用DDS-70電氣伺服振動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)定土樣抗液化強(qiáng)度，應(yīng)力控制振動(dòng)三軸試驗(yàn)裝置如圖1。

試驗(yàn)參考ASTM規(guī)范(D3999-91)[1]與《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-032-1999)[2]。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)將制備好的原狀土樣套上橡皮膜后安裝在三軸壓力室內(nèi)。試驗(yàn)土樣的尺寸為：直徑3.91cm、高8.0cm。

(2)按照該土樣所代表土層受到的上覆有效壓力，給土樣施加等向固結(jié)壓力，并使土樣排水固結(jié)。

(3)土樣固結(jié)后，在不排水條件下，沿土樣軸向施加振動(dòng)應(yīng)力，測(cè)量土樣的軸向振動(dòng)應(yīng)變與累積孔壓，直到土樣達(dá)到液化破壞標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)應(yīng)力的頻率為1.0Hz。

(4)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照土樣軸向峰到峰振動(dòng)應(yīng)變達(dá)到5%確定振動(dòng)液化破壞次數(shù)，進(jìn)而確定抗液化剪應(yīng)力比曲線。

3 振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題

通常情況下，我們對(duì)海底泥面以下15m深度范圍內(nèi)的砂性土進(jìn)行動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，在一層砂性土中我們會(huì)選取4個(gè)具有代表性的原狀土樣組成一組來(lái)進(jìn)行分析。而海底淺層砂性土一般都較松散，取樣難度較大，所能取得的原狀土非常有限，所以用來(lái)做液化試驗(yàn)的原狀土土非常珍貴，這就要求我們?cè)囼?yàn)過(guò)程中不能因?yàn)椴僮鲉?wèn)題而導(dǎo)致原狀土樣浪費(fèi)，從而增加試驗(yàn)的難度。

3.1 土樣制備

土樣制備是振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)中非常重要的一部，因?yàn)橥翗又苽涞暮脡?，以及是否擾動(dòng)將直接影響試驗(yàn)結(jié)果。通常情況下，我們將同一組試驗(yàn)的4個(gè)原狀土樣同時(shí)制備，分別做天然含水量和天然容重試驗(yàn)，肉眼鑒別，接著將制備好的第一個(gè)原狀土樣套上橡皮膜后安裝在三軸壓力室內(nèi)，另外三個(gè)土樣放在保濕罐中，待第一個(gè)土樣試驗(yàn)結(jié)束后，依次進(jìn)行。然而在實(shí)際土樣制備過(guò)程中，土樣有時(shí)候會(huì)比較復(fù)雜，有的存在包含物(如含粘土包、粘土微細(xì)層、粘土細(xì)層、貝殼、貝殼碎屑包、粗礫石等)，這些包含物會(huì)增加土樣制備的難度，而且它們對(duì)試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響。

3.2 土樣飽和、固結(jié)

參照規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行土樣的飽和以及固結(jié)，但在飽和過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)如果制備的土樣中存在貫穿截面的粘土微細(xì)層，由于粘土表現(xiàn)為不排水性，將會(huì)阻緩?fù)翗拥娘柡鸵约敖酉聛?lái)的固結(jié)排水，從而導(dǎo)致試驗(yàn)土樣的飽和和固結(jié)不徹底，直接影響了試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

3.3 土樣振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)

參照規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行，需要在電腦客戶(hù)端輸入固結(jié)排水體積以及沿軸向施加的振動(dòng)應(yīng)力，固結(jié)排水的體積根據(jù)試驗(yàn)記錄得出，而沿軸向施加的振動(dòng)應(yīng)力則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)給出，每組第一個(gè)試樣的軸向振動(dòng)應(yīng)力比較關(guān)鍵，一般加圍壓左右的力，然后根據(jù)土樣的顆粒大小、密實(shí)度、包含物等情況來(lái)調(diào)整軸向振動(dòng)應(yīng)力。施加的軸向振動(dòng)應(yīng)力的偏大或偏小都將導(dǎo)致本次試驗(yàn)的失敗，軸向振動(dòng)應(yīng)力偏大將導(dǎo)致試驗(yàn)開(kāi)始后土樣即刻液化破壞；而軸向振動(dòng)應(yīng)力偏小，將導(dǎo)致試驗(yàn)開(kāi)始后土樣軸向峰到峰振動(dòng)應(yīng)變一直很小，無(wú)法使土樣液化破壞，雖然看上去該土樣沒(méi)有什么變形破壞，但剛才的較小振動(dòng)已經(jīng)使土樣變得比之前密實(shí)，如果繼續(xù)試驗(yàn)，則需要施加比正常情況下大的多的力才能使土樣液化，這樣得出的抗液化強(qiáng)度會(huì)比實(shí)際偏大。

理想情況下，我們進(jìn)行一組試驗(yàn)的4個(gè)原狀土樣的振動(dòng)液化破壞次數(shù)要分別落在四個(gè)區(qū)間里(0-10次、10-20次、20-40次、40次以后)；而實(shí)際情況下，4個(gè)原狀土樣的振動(dòng)破壞次數(shù)可能在某個(gè)區(qū)間重復(fù)了，而在有的區(qū)間里沒(méi)有出現(xiàn)，那么就需要我們對(duì)原狀土進(jìn)行重塑，重塑土樣的物理性質(zhì)盡量保持跟原狀土樣一致，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)得出所需區(qū)間的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)多次重塑試驗(yàn)我發(fā)現(xiàn)，重塑的土樣比原狀土樣的抗液化能力稍微弱一些。

4 振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)實(shí)例分析

下面選取中國(guó)南海西部區(qū)域某鉆孔來(lái)舉例說(shuō)明，對(duì)該鉆孔海底泥面以下10m范圍的砂性土層進(jìn)行了應(yīng)力控制振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，確定了土層的抗液化強(qiáng)度隨振動(dòng)液化破壞次數(shù)的變化關(guān)系。表1和圖2是振動(dòng)三軸液化試驗(yàn)結(jié)果。表2是顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果。

由于振動(dòng)液化三軸試驗(yàn)顯示出土樣在液化破壞過(guò)程中有明顯的循環(huán)活動(dòng)特征，故按照5%的峰到峰振動(dòng)應(yīng)變確定破壞次數(shù)。通常，利用液化阻力比隨振動(dòng)液化破壞次數(shù)的變化關(guān)系表示土層的抗液化特性，通過(guò)振動(dòng)三軸試驗(yàn)確定一定振動(dòng)液化破壞次數(shù)下的液化阻力比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。圖2是按照5%應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)確定振動(dòng)液化破壞次數(shù)及相應(yīng)的液化阻力比，結(jié)果見(jiàn)圖2中的標(biāo)記。進(jìn)一步，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合以確定隨振動(dòng)液化破壞次數(shù)的變化關(guān)系曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2中實(shí)線(未修正)。

從圖2中我們可以看出，試驗(yàn)得出的5組數(shù)據(jù)點(diǎn)具有一定離散型，但是擬合的曲線也基本符合變化關(guān)系趨勢(shì)。下面我們來(lái)分析一下某些點(diǎn)偏離擬合曲線較遠(yuǎn)的原因：S-7和S-9原狀樣試驗(yàn)結(jié)果比較可靠，他們分別在擬合的曲線上(即圖2上左1和右1點(diǎn))；S-6(即圖2上右2點(diǎn))土樣抗液化強(qiáng)度偏大，這是由于試驗(yàn)時(shí)第一次施加的軸向振動(dòng)應(yīng)力偏小，導(dǎo)致試驗(yàn)開(kāi)始后土樣軸向峰到峰振動(dòng)應(yīng)變無(wú)變化，但較小振動(dòng)已經(jīng)使土樣變得比之前稍密實(shí)，所以再次試驗(yàn)得出的抗液化強(qiáng)度會(huì)比實(shí)際偏大；S-8(即圖2上左2點(diǎn))土樣抗液化強(qiáng)度偏小，這是由于土樣制備時(shí)，該土樣含貝殼碎屑包和微細(xì)層，且土樣制備時(shí)無(wú)法避免，這就導(dǎo)致了該土樣的試驗(yàn)抗液化強(qiáng)度比本組其余土樣抗液化強(qiáng)度偏小；S-9r(即圖2上左3點(diǎn))土樣抗液化強(qiáng)度偏小，由于本次試驗(yàn)是重塑試驗(yàn)，重塑的土樣比原狀土樣的抗液化能力稍微弱一些。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)三軸液化試驗(yàn)是獲得土層液化動(dòng)力特性參數(shù)重要方法之一，經(jīng)過(guò)大量的動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題總結(jié)如下：

(1)土樣制備是非常重要和關(guān)鍵的一步，我們要珍惜每一個(gè)原裝土樣，土樣制備時(shí)要詳細(xì)描述每一個(gè)試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比一下同一組樣中各自差別，做到心中有數(shù)。土樣制備時(shí)，要盡量避免存在貫穿截面的粘土細(xì)層或微細(xì)層，因?yàn)檫@些會(huì)導(dǎo)致飽和固結(jié)的不徹底，直接導(dǎo)致該試樣的試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

(2)土樣中包含物的存在，將導(dǎo)致其試驗(yàn)抗液化強(qiáng)度比其沒(méi)有包含物的偏小，而且包含物越多，影響越大。

(3)試驗(yàn)時(shí)施加的軸向振動(dòng)應(yīng)力的偏大或偏小都將導(dǎo)致本次試驗(yàn)的失敗，軸向振動(dòng)應(yīng)力偏大將導(dǎo)致試驗(yàn)開(kāi)始后土樣即刻液化破壞；而軸向振動(dòng)應(yīng)力偏小，將導(dǎo)致試驗(yàn)土樣軸向位移很小無(wú)法液化破壞，如果繼續(xù)用該樣試驗(yàn)，則需要施加比正常情況下大得多的軸向振動(dòng)應(yīng)力才能使土樣液化，這樣得出的抗液化強(qiáng)度會(huì)比實(shí)際偏大。

(4)每組試驗(yàn)至少要保證2個(gè)及以上的原狀樣土樣試驗(yàn)結(jié)果比較可靠，如果無(wú)法滿(mǎn)足則需要額外增加原狀樣進(jìn)行試驗(yàn)。在土樣重塑過(guò)程中，要盡量使其物理性質(zhì)與原狀樣保持一致，通過(guò)多次重塑試驗(yàn)結(jié)果表明：重塑土樣比原狀土樣的抗液化能力稍小一些。

在能取到原狀土的情況下，利用動(dòng)三軸液化試驗(yàn)對(duì)海底淺層飽和砂性土液化勢(shì)分析還是比較準(zhǔn)確，隨著利用原位CPT數(shù)據(jù)來(lái)分析判斷土層液化勢(shì)在工程上的應(yīng)用，綜合考慮動(dòng)三軸液化試驗(yàn)和原位CPT數(shù)據(jù)來(lái)分析判斷海底淺層飽和砂性土液化勢(shì)是非常有工程意義的。

[1]Annual Book of ASTM Standard, Section 4,Volume 04.08(2000).

[2]中華人民共和國(guó)水利部.《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999).北京：中國(guó)水利水電出版社,1999.

This article introduces some problems you may encounter when you measure the liquefaction dynamic parameters of saturated sands in the shallow stratum beneath seabed with DDS-70 test device. These problems may include the troubles during preparation of soil samples, the troubles resulted from axial vibration stress, the influence of composition and inclusion of soil sample on test results, the influence of remolding of soil samples on test results and the reliability of analysis of test results。

Cyclic triaxial liquefaction Axial vibration stress Liquefaction resistance ratio Failure times

佘穩(wěn)(1 98 6—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，本科，工程師，主要從事海洋巖土工作。