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海上原位十字板剪切試驗方法介紹*

姚首龍，鄭喜耀

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 塘沽 300451)

摘要：在海洋工程地質(zhì)勘察中，海上原位十字板剪切試驗?zāi)軌颢@得海底原位土體的剪切強度，其測試成果已成功應(yīng)用于工程實踐，本文主要從原位十字板剪切的試驗原理、設(shè)備種類、測試機理、進行剪切試驗所具備的若干技術(shù)要求、影響剪切試驗的幾個因素、測試數(shù)據(jù)進行室內(nèi)處理的原理及工程實際應(yīng)用等方面做簡要的介紹，最后總結(jié)得出進行原位十字板剪切試驗時若嚴(yán)格按照試驗的技術(shù)要求進行試驗，并掌握影響試驗結(jié)果的的若干因素，得到的黏性土的不排水抗剪強度值，可應(yīng)用于實際工程設(shè)計并提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)。

關(guān)鍵詞：海上原位十字板；剪切試驗；試驗原理；不排水抗剪強度

海上原位十字板剪切試驗(Offshore in-situ Vane Shear Test, VST)[1]是針對飽和黏土進行的一項現(xiàn)場原位不排水抗剪強度的測試試驗，是海洋工程地質(zhì)勘察中非常重要的原位測試方法之一。這種方法最初是由瑞典人在1919年提出來的，一直到40年代得到了巨大發(fā)展。在此期間，英國Skempton等人結(jié)合φ=0原理的概念及其應(yīng)用上作了很大的貢獻[2]。此后，這種方法在國外的海洋工程地質(zhì)勘察中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是，在我國受技術(shù)、設(shè)備的限制等原因，在50年代才由南京水利科學(xué)院引進，至60年代在沿海諸省及多條河流的沖積平原軟黏土地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。歷時十余年的工作奠定了原位十字板剪切試驗在我國應(yīng)用的基礎(chǔ)。此后，我國很多陸地勘察院所在設(shè)備的改進和應(yīng)用實驗方面做了大量工作，該項技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在海洋工程地質(zhì)勘察中，此種試驗由于受海上風(fēng)浪、潮流等多種客觀因素的影響，其應(yīng)用還是很少。近年來，中國海洋石油勘探開發(fā)項目部與國外公司合作，在南海進行了幾個場址的鉆孔內(nèi)原位十字板剪切試驗，獲得了寶貴的海底飽和黏土原位抗剪強度的測試資料，開辟了我國海上應(yīng)用原位十字板剪切試驗的歷史。本文主要介紹海上原位十字板剪切試驗的方法及在海洋工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。

1原位十字板剪切試驗的原理、設(shè)備及機理

1.1　試驗原理

海上原位十字板剪切試驗是一種通過在海底鉆孔內(nèi)對插入孔底黏土中的規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭施加扭矩，使十字板頭在土體中勻速扭轉(zhuǎn)形成圓柱狀破壞面，通過換算、評價黏土不排水抗剪強度及其靈敏度等指標(biāo)的現(xiàn)場原位測試方法[1]。這種原位試驗方法所獲得的抗剪強度值，等同于目的測試深度處天然黏土在原位壓力下的不排水抗剪強度，而且它不需要從海底取土樣，避免了取樣對土的擾動及天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，是一種有效的原位測試方法。

1.2　試驗設(shè)備

原位十字板剪切試驗所需設(shè)備包括試驗所用的軸桿、驅(qū)動裝置、測力與記錄單元和十字板等試驗設(shè)備。

通常使用的軸桿材質(zhì)一般為不銹鋼型，直徑約為20 mm。十字板頭由兩塊相互垂直相交的高強度薄金屬板構(gòu)成(圖1)，圖中D為十字板的直徑，L為扭力桿的長度，一般為10倍的十字板直徑，H為十字板的高度，一般為2倍的十字板直徑。十字板厚一般為2 mm，常見的有矩形十字板和錐形十字板兩種[2]，其高徑比通常為2.0~2.5。軸桿與十字板頭之間通過焊接的方式連接。驅(qū)動裝置是通過給軸桿施加扭矩，讓軸桿帶動十字板頭以一定速度往同一方向旋轉(zhuǎn)，測力與記錄單元是通過扭力傳感器將十字板頭與軸桿相連接，測出十字板旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力矩，并實時記錄所測力矩值和旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。

1.3　試驗機理

使用時將十字板插入土中，通過驅(qū)動裝置施加扭力于軸桿上，使十字板在土中轉(zhuǎn)動，形成圓柱剪切面，如圖2所示，D為十字板的直徑，H為十字板的高度，T為扭矩。通過測力與記錄單元測出最大扭轉(zhuǎn)力矩，由此得出土的抗剪強度。

圖1　十字板截面和俯視圖Fig.1　Vane section and top view chart ofrectangular vane and tapered vane

圖2　十字板轉(zhuǎn)動形成的圓柱剪切面Fig.2　Cylindrical shear surface formed by rotation of vane

設(shè)剪切破壞時所施加的扭矩為T，則其等于剪切破壞圓柱面(包括側(cè)面和上下面)上土的抗剪強度所產(chǎn)生的抗扭力矩，即

(1)

式中，Su為現(xiàn)場測定的十字板強度，單位為kN/m2；T為剪切破壞時的扭矩，單位為kN·m；K為常數(shù)，取決于十字板的尺寸和形狀，單位為m3，計算K值的公式如下：

(2)

式中，H為十字板的高度(m)；D為十字板的直徑(m)。若H/D=2，則公式(2)可簡化為

(3)

由上可知，推算十字板強度過程中有兩個假定：①剪破面為一圓柱面，圓柱的直徑和高度等于十字板的寬度和高度；②圓柱側(cè)面和上、下底面的強度相等，且在圓柱側(cè)面和上、下底面同時響應(yīng)[1]。

2原位十字板剪切試驗的技術(shù)要求

1)鉆孔原位十字板剪切試驗時，十字板頭插入孔底以下的深度不應(yīng)小于5倍鉆孔直徑[5]，以保證十字板能在未擾動土中進行剪切試驗，且在插入十字板時不應(yīng)在十字板鉆桿上施加扭力，盡量避免鉆桿擺動等對十字板剪切時的影響[1]。

2)一般情況下，在同一孔內(nèi)進行不同深度點的剪切試驗時，十字板試驗深度間距不小于0.5～1.0 m[1]。

3)為保證十字板頭旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生擺動，試驗所用探桿必須平直，十字板與探桿之間通常連接有固定作用的限位十字葉片。

4)十字板頭插入土中試驗深度后，應(yīng)靜置2～5 min[1]，方可開始剪切試驗。因為插入時在十字板頭四周產(chǎn)生超孔隙水壓力，靜置時間過長，孔隙壓力消散會使有效應(yīng)力增長，使不排水抗剪強度增大；若靜置時間過短，土稍稍被擾動還來不及恢復(fù)，測出的強度值可能偏低。

5)扭剪速率需均勻，并控制在一定值。剪切速率過慢，由于排水導(dǎo)致強度增長。剪切速率過快，對于飽和軟黏土，由于黏滯效應(yīng)，也使強度增長。扭剪速率宜采用(0.1°～0.3°)/s，以此作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)速率，以便能在不排水條件下進行剪切試驗，峰值強度應(yīng)在2～5 min時間內(nèi)測得?？擅棵胗涗浺粋€扭矩值，當(dāng)扭矩出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值后要繼續(xù)測讀1 min，以便確認(rèn)峰值或穩(wěn)定扭矩[1]。

6)在峰值強度或穩(wěn)定值強度出現(xiàn)后，將十字板順剪切扭轉(zhuǎn)方向快速連續(xù)轉(zhuǎn)動10圈[1]，使十字板頭周圍土體充分?jǐn)_動，然后在原深度位置處按上述方法測定重塑土的不排水強度。

7)對于原位十字板剪切儀的標(biāo)定，主要是扭力傳感器的標(biāo)定，應(yīng)定期標(biāo)定，一般應(yīng)3個月標(biāo)定一次，如使用過程中出現(xiàn)異常，也應(yīng)重新標(biāo)定。值得注意的是標(biāo)定時所用的傳感器、導(dǎo)線和測量儀器應(yīng)與試驗時相同。

3原位十字板剪切試驗的影響因素

1)十字板頭規(guī)格的影響。十字板頭的規(guī)格是指十字板的高度(H)、直徑(D)、板厚及軸桿直徑。這些尺寸對總扭矩值、對周圍土體擾動程度都有直接影響。目前，國內(nèi)外已有較統(tǒng)一的規(guī)格。一般H/D為2.0～2.5，板厚約為2～3 mm[1]。此外，十字板及軸桿都采用高強度鋼，以保證十字板頭具有足夠的剛度。

2)十字板旋轉(zhuǎn)速率的影響。旋轉(zhuǎn)速率對剪切試驗結(jié)果影響很大。一般對于高塑性黏土，抗剪強度隨剪切速率的增大而增大，而且增長得很快；對于低塑性黏土，抗剪強度值隨剪切速率變化的幅度不大。目前，國內(nèi)外大多采用(0.1°～0.3°)/s的旋轉(zhuǎn)速率，此時黏性土基本屬于不排水狀態(tài)。

3)土的各向異性的影響。所謂土的各向異性是指土在不同方向上的力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的不同，即抗剪強度和變形規(guī)律在不同方向上的不同[2]。產(chǎn)生各向異性的原因在于土的成層性和土中應(yīng)力狀態(tài)的不同。對各向異性的影響應(yīng)如何考慮，曾有不少學(xué)者進行過研究，其中最具代表性的測試技術(shù)為英國發(fā)展的鉆石型十字板頭(或稱三角形十字板)[2]，使用時，可求出不同方向上土的抗剪強度[3]。

4)十字板插入時對土層擾動的影響。十字板厚度愈大、軸桿愈粗，則插入時對土引起的擾動愈大。一般用十字板面積比RA來衡量這種擾動的大小。

式中，AV為十字板頭(包括軸桿)的橫截面積；AC為受剪土圓柱體的橫截面積。所以在實際應(yīng)用中，應(yīng)在不影響十字板的剛度和強度的前提下，盡可能取RA的較小值。

5)十字板測試過程中對土層破壞機理的影響。當(dāng)十字板在土中旋轉(zhuǎn)時，不但板頭上下兩端面上應(yīng)力和位移不均勻，而且圓柱體側(cè)向剪切力和剪應(yīng)變也不均勻。所以，在剪切面上各點土的峰值強度不可能在向同一旋轉(zhuǎn)方向時發(fā)揮出來，會首先在板緣土體薄弱位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)局部破壞。隨著扭矩增大，剪切面逐漸向前方擴展，最終在整個圓柱體側(cè)面形成完整的圓柱形剪切面。因此，試驗所得的扭矩峰值并不能反映土的真正峰值強度，僅僅是一種平均抗剪強度。

總之，影響十字板剪切試驗的因素很多，所有這些因素的影響程度都與土類、土的塑性指數(shù)和靈敏度有密切關(guān)系。

在實際應(yīng)用十字板剪切試驗過程中，我們能做的就是盡量減少或降低上述提到的各種因素的影響程度，具體的措施包括選擇合適的十字板頭參數(shù)、操作過程要嚴(yán)格遵循規(guī)范以及測試土層的選擇要合理。一般來說，我們需要從上述各個方面來降低這些因素對十字板剪切試驗結(jié)果的影響，從而獲得更為合理的不排水強度值。

4原位十字板剪切試驗的室內(nèi)處理及應(yīng)用

4.1　原位十字板測試結(jié)果實例

根據(jù)南海某孔原位十字板測試結(jié)果，可分別繪制出剪切試驗深度的不排水抗剪強度與旋轉(zhuǎn)角度曲線，見圖3和圖4，圖中所示測試結(jié)果水深均為1 021 m,所用的十字板類型為I-VANE75,十字板的直徑為75 mm,高為150 mm,其中圖3中測試深度為泥面下15 m處，圖4中測試深度為泥面下5 m處。從圖中可以很直觀地讀出不同深度處黏土的抗剪強度值，進而推算出黏土的靈敏度。

圖3　南海某A孔泥面下15.0 m試驗記錄結(jié)果Fig.3　Result from the vane test at 15.0 m belowthe seabed in Borehole A in South China Sea

圖4　南海某B孔泥面下5.0 m試驗記錄結(jié)果Fig.4　Result from the vane test at 5.0 m belowthe seabed in Borehole B in South China Sea

4.2　原位十字板測試結(jié)果的室內(nèi)處理

原位十字板測試結(jié)果的室內(nèi)處理主要是對十字板試驗測得的不排水抗剪強度的修正。

(5)

式中，Su′為修正后的不排水抗剪強度；μ為修正系數(shù)。

Bjerrum[6]在1972年發(fā)現(xiàn)土的十字板抗剪強度受土的稠度的影響，需要進行修正，提出了修正系數(shù)μ[6]。后來，Azzouz認(rèn)為此修正系數(shù)μ偏大，重新分析了Bjerrum提出的μ-IP線，并提出了新的修正系數(shù)μ[7]，μ可依據(jù)圖5取值。

圖5　修正系數(shù)μ[6-7]Fig.5　Correction factor μ[6-7]

Johnson根據(jù)墨西哥海灣的深水軟土十字板剪切試驗得出的經(jīng)驗[2]，取μ值如下:

(6)

或

(7)

式中，IP為塑性指數(shù)；IL為液性指數(shù)。

從上述圖5和公式(6)和(7)可知，修正系數(shù)μ需根據(jù)土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)來確定。

4.3　原位十字板測試結(jié)果的應(yīng)用

用原位十字板測試結(jié)果得到的黏性土不排水抗剪強度，經(jīng)修正后，可以得到更為合理的黏性土不排水抗剪強度值，能更好地反映黏性土的原位不排水抗剪強度，可以為樁基礎(chǔ)設(shè)計、管線路由、水下基礎(chǔ)等海上工程提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)。

5結(jié)語

1)海上原位十字板剪切試驗原理成熟，是一種有效的原位測試方法，設(shè)備相對簡單，一般有矩形十字板和錐形十字板兩種，機理易于理解和掌握；

2)在進行原位十字板剪切試驗時，嚴(yán)格按照試驗的技術(shù)要求進行試驗，保證測試結(jié)果的可靠性；

3)原位十字板剪切試驗時，充分了解并掌握影響試驗結(jié)果的的若干因素，盡量減少或降低各種因素的影響程度，使所測數(shù)據(jù)客觀反映海底土體的力學(xué)性質(zhì)；

4)對獲得的原位十字板剪切試驗結(jié)果，在后期經(jīng)過室內(nèi)試驗處理時，會得到相對合理的黏性土的不排水抗剪強度值，可為海上實際工程設(shè)計提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)；

5)對我國南海軟土中現(xiàn)場實測的原位十字板強度，文中修正系數(shù)的適用性及其合理值的選取，還需要積累大量實踐經(jīng)驗，作進一步的研究。

參考文獻：

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Introduction of Offshore In-situ Vane Shear Test

YAO Shou-long, ZHENG Xi-yao

(ChinaOilfieldServicesLimited, Tanggu 300451,China)

Abstract:Offshore in-situ vane shear test can obtain the in-situ soil shear strength of seabed and the results from the test have been successfully applied in the engineering practice. Herein, principle of in-situ vane shear test, types of equipment used, testing mechanism, technical requirements for the test, factors influencing the test, principle of data processing in the laboratory and actual engineering applications are introduced. It can be summarized that to do the offshore in-situ vane shear test should be strictly in accordance with the technical requirements and know well the factors influencing the tested results. The undrained shear strength of cohesive soils thus obtained can be used for the actual engineering design and provide reliably geotechnical design parameters.

Key words:offshore in-situ vane; shear test; test principle; undrained shear strength

中圖分類號：P642

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：姚首龍(1983-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事海洋工程地質(zhì)方面研究.E-mail:yaoshl3@cosl.com.cn(王燕編輯)

收稿日期：*2015-01-22

文章編號：1002-3682(2015)02-0067-07