軟質黏土

在海洋工程建設過程中會遇到大量的軟黏土，並且厚度往往很大，範圍也非常廣泛。眾所周知，海洋軟黏土地基承載力相對較低，並且在波浪荷載作用下強度會被進一步削弱，使得承載力進一步降低。海洋黏土地基在波浪荷載作用後的不排水抗剪強度弱化行為，將直接關係到上部結構，如鑽井平台、海岸防護設施以及海底管線等的穩定與安全。因波浪荷載持續作用造成黏土地基強度降低或喪失，致使上部結構失穩或破壞的事件時有發生。

到目前為止，波浪等循環荷載作用下軟黏土性狀的研究已取得較多成果：一些學者在對不同區域軟黏土進行了廣泛而深入的研究後發現，在循環荷載作用下，伴隨孔壓上升，有效應力減小，軟黏土的不排水抗剪強度會發生不同程度的弱化。也有部分學者得出前期循環荷載歷史對後期靜強度沒有顯著影響的結論。因此，有必要對此進行更深入的研究。並且，絕大多數試驗都是基於重塑土，不具有原狀土的天然結構，使得試驗結果與實際土體的力學性質差別較大，難以指導實際工程。此外，試驗一般都是在共振柱、動三軸儀或動扭剪儀上進行，土體只是處於單向循環剪切狀態。然而，波浪荷載作用下實際土體處於豎向與扭剪向雙向耦合循環剪切狀態，並隨着二者相位差的不同，形成45°、135°傾斜直線與圓形等複雜應力路徑。

利用土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀，對取自於長江口原狀淤泥質軟黏土，在不固結不排水條件下，分別進行了動三軸、45°線耦合以及圓耦合等多種複雜循環剪切試驗及循環荷載作用後靜三軸試驗。結果表明，隨着循環次數的增加，3種不同模式循環荷載作用產生的應變、孔壓增量以及循環荷載作用后土的靜強度衰減程度差異均變得越來越明顯。對應相同循環剪切次數，雙向耦合循環剪切要大於單向循環剪切產生的應變與孔壓增量，雙向耦合循環剪切後靜強度衰減更加明顯；而對於雙向耦合循環剪切，圓耦合循環剪切大於45°線耦合循環剪切產生的應變與孔壓增量，並且圓耦合循環剪切後靜強度衰減更加顯著。由此表明，主應力軸連續旋轉會使土體產生更大的變形與孔壓增量，並且使靜強度顯著降低。分別定義了廣義綜合剪應變及綜合孔壓增量比，並建議了循環荷載作用後靜強度與廣義綜合剪應變、綜合孔壓增量比的關係 ^[1]  。

1 試驗裝置試驗裝置由大連理工大學與日本誠研舍株式會社聯合設計與研製，由誠研舍製造的土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀。整個試驗裝置由三軸室主機系統、氣水轉換系統（含空壓機與真空泵）、伺服控制系統、計算機採集系統以及液壓伺服控制加載系統（包括液壓源、伺服閥控制的液壓作動器）等5部分組成。

2 試驗土樣試驗所用土樣為取自上海地區長江口原狀淤泥質軟黏土。為了進行對比分析，所有試驗（包括靜力與動力試驗）的所用試樣均為空心圓柱狀試樣，試樣內、外徑與高度分別為30、70與100mm。

3 試樣飽和與試驗內容首先將試樣置於抽氣缸內抽真空2h，徐徐注入蒸餾水並沒過試樣，解除真空後再靜置12h，土樣經此方法飽和後， 測其飽和度均大於98%。

試樣飽和後，首先在不固結不排水條件下，進行靜三軸試驗，確定土的靜強度；然後，在不固結不排水條件下，分別進行動三軸、45°線耦合、圓耦合循環剪切以及循環荷載作用後靜三軸試驗，並與未經歷循環荷載的靜三軸試驗結果進行對比分析來揭示飽和軟黏土經歷各種複雜循環荷載作用後強度的弱化特性。循環荷載的施加採用應力控制方式，頻率採用0.1Hz，軸向荷載W 和扭矩MT均採用簡諧荷載。靜三軸試驗統一以軸嚮應變達到10%作為破壞標準。

4 循環荷載模式引入大主應力方向角與振動初始主應力方向角的定義，分別為大主應力方向與豎向之間的夾角，以及單元體上大主應力方向循環交替變化過程中振動開始時刻的大主應力方向與豎直方向的夾角 ^[2]  。

由不固結不排水分級加載的動三軸試驗得到應變時程曲線，結合孔壓時程曲線，確定循環荷載幅值範圍。試驗過程中每級荷載幅值增量為1.3kPa，每級荷載循環15次，直至試樣破壞。前5級荷載作用下，軸嚮應變均非常小，從第6級開始，軸嚮應變較前5級明顯增大，而從第13級開始，累積效應變得十分明顯，並且增長速度較快。前6級荷載作用下，孔壓變化非常小，不足以使土體原始結構的排列與連接遭到破壞；從第7級開始，在循環荷載作用下產生了較為明顯的循環孔壓，在此孔壓下土體內部結構開始遭到局部破壞；而當荷載增加到第14級時，累積效應與循環效應均變得十分明顯，並且增長速度較快，土體很快遭到破壞。軸嚮應變從第6級循環荷載作用下開始明顯增大，而從第7級循環荷載作用下

孔壓增長才開始變得較為明顯，這是由於孔壓的量測要較位移的量測滯後的原因。而對於使得軸嚮應變與孔壓開始迅速增長的循環荷載則分別從第13級和第14級開始，之所以存在差異也同樣是由於孔壓的量測要較位移的量測滯後。

一方面要考慮在此循環荷載作用下土的內部結構已經遭到局部破壞，使其產生有限的變形與孔壓，另一方面又要保證不使其在循環荷載作用下短時間內完全破壞，故最終確定循環荷載施加範圍為7~13級，對應循環荷載幅值為9.1~16.9kPa 。

循環荷載在不固結不排水條件下分級施加，每級荷載循環15 次，第一級荷載幅值大小為

9.1kPa，之後每級荷載幅值增量，進行了不同循環次數的動三軸、45°線耦合以及圓耦合循環剪切試驗，並待土樣內部孔壓平衡後，進行靜三軸試驗。

1 循環荷載作用下應變特性對比分析

分別繪製了60次、90次以及150次不同循環荷載模式作用下應變時程曲線，分別對循環荷載作用下產生的軸嚮應變與剪應變進行了彙總。其

中，累積應變為每組試驗循環剪切產生的累積應變的最大值；循環應變為每組試驗最後一次循環剪切產生的應變最大值與最小值之差。

對比分析發現，3種剪切模式下產生的應變都以循環應變為主，在循環剪切的過程中伴隨着累積應變的產生；無論單向循環剪切還是雙向耦合剪切，對應於相同的循環剪切次數，產生的剪應變明顯小於豎嚮應變；在循環次數較少情況下，45°線耦合循環剪切產生的應變小於圓耦合循環剪切產生的應變，但二者差異並不顯著，而動三軸循環剪切條件下產生的應變要明顯小於二者；隨着循環次數的增加，3種不同循環剪切條件下產生的應變差異變得越來越明顯，雙向耦合循環剪切產生的應變要大於單向循環剪切產生的應變，而對於雙向耦合循環剪切，圓耦合循環剪切要大於45°線耦合循環剪切產生的應變，圓耦合循環剪切過程中大主應力方向角α 在0°和180°之間連續旋轉，而45°線耦合循環剪切過程中大主應力方向角α 在22.5°和-67.5°之間交替突變，這説明主應力軸連續旋轉會使土體產生更大的變形。

2 循環荷載作用下孔壓特性對比

分別用累積孔壓增量比和循環孔壓增量比分別繪製了60次、90次以及150次不同循環荷載模式作用下孔壓增量比時程曲線，其結果彙總。其中，累積孔壓增量比為每組試驗循環剪切產生的累積孔壓增量比的最大值；循環孔壓增量比為每組試驗最後一次循環剪切產生的孔壓增量比最大值與最小值之差。

對比分析表明，3種不同循環剪切模式下產生的累積孔壓增量均十分有限，150次循環剪切後最大值只達到了圍壓的6.0%；隨着循環次數的增加，3種不同循環剪切模式下產生的累積孔壓增量與循環孔壓增量差異均變得越來越明顯：雙向耦合循環剪切產生的孔壓增量要大於單向循環剪切產生的孔壓增量，而對於雙向耦合循環剪切，圓耦合循環剪切要大於45°線耦合循環剪切產生的孔壓增量，這説明主應力軸連續旋轉會對孔壓產生更為顯著的影響。

3 循環荷載作用後靜強度弱化特性

分別繪製了未經歷循環荷載與經歷不同模式循環荷載作用後由不排水靜三軸試驗得到的關係曲線，循環荷載作用後靜強度弱化情況，其中靜強度取為軸嚮應變達到10%時對應的大、小主應力差值的一半。

通過對比發現，循環荷載作用后土的靜強度均有不同程度的衰減；循環次數較少時強度衰減並不十分明顯，而且45°線耦合循環剪切與圓耦合循環剪切後靜強度衰減程度相近，但都比動三軸循環剪切後靜強度衰減程度大；隨着循環次數的增加，循環荷載作用后土的靜強度衰減加劇，而且針對3種不同循環剪切方式，循環荷載作用后土的靜強度衰減程度的差異變得越來越顯著，經歷150次圓耦合循環剪切荷載作用後，土的靜強度衰減了75.37%，明顯較另外兩種剪切方式作用後衰減程度大。

造成這種差異的主要原因可以從孔壓的發展變化得以合理解釋：由上述關於孔壓特性的研究可以看出，雙向耦合循環剪切產生的孔壓增量大於單向循環剪切產生的孔壓增量，而對於雙向耦合循環剪切，圓耦合循環剪切大於45°線耦合循環剪切產生的孔壓增量。累積孔壓增量越大，由飽和土有效應力原理可知，作用於土骨架的有效應力越小，這使得土體抵抗外荷載的能力得以減弱。此外，循環孔壓增量變化越大，土顆粒之間孔隙體積變化越大，從而使得土顆粒之間的聯結遭到更大程度的破壞。

目前，絕大多數學者在研究波浪等循環荷載作用后土的靜強度衰減特性時都是基於動三軸試驗，而波浪荷載作用下實際土體處於豎向與扭剪向雙向耦合循環剪切狀態，由以上對比分析可知，他們得到的結果要高於實際值，在工程設計時應引起足夠的重視 ^[3]  。

針對取自於長江口的海洋原狀淤泥質軟黏土，進行了多種複雜循環剪切及循環荷載作用後靜三軸試驗。對比試驗結果與分析表明：

（1）隨着循環次數的增加，不同循環剪切方式產生的應變與孔壓增量差異變得越來越明顯，雙向耦合循環剪切大於單向循環剪切產生的應變與孔壓增量，而對於雙向耦合循環剪切，圓耦合循環剪切產生的應變與孔壓增量大於45°線耦合循環剪切產生的應變與孔壓增量，説明主應力軸連續旋轉會使土體產生更大的變形與孔壓增量；

（2）隨着循環次數的增加，循環荷載作用后土的靜強度衰減加劇，而且針對3種不同循環剪切模式，循環荷載作用后土的靜強度衰減程度的差異變得越來越顯著，經歷圓耦合循環荷載作用後，土的靜強度衰減程度較動三軸、45°線耦合循環荷載作用後更加明顯。由此説明目前絕大多數學者基於動三軸試驗在研究波浪等循環荷載作用后土的靜強度時得到的結果要高於實際值，需進行必要的修正；

（3）在分別定義廣義綜合剪應變及綜合孔壓增量比的基礎上，建立了靜強度與廣義綜合剪應變以及靜強度與綜合孔壓增量比的擬合關係，由此可以由不同循環荷載模式下應變與孔壓增量來判斷循環荷載作用後軟黏土靜強度弱化情況 ^[1]  。