王虎剛，周松望

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 塘沽 300451)

?

利用落錐試驗確定深水軟黏土的不排水抗剪強度*

王虎剛，周松望

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 塘沽 300451)

摘要：不排水抗剪強度是黏性土的重要力學(xué)指標，在邊坡穩(wěn)定性分析、地基和樁基承載力的計算中都有廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)海洋勘察工程中，通常軟黏土不排水抗剪強度的確定方法有不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗、手動十字板試驗、電動十字板試驗和無側(cè)限壓縮試驗等。中國南海北部陸陂深水海域，海底淺層沉積物多為飽和軟土，這種軟土土質(zhì)比較均一，具有高含水量、高液限和塑性指數(shù)、容重小、抗剪強度低等特點，從而使這種沉積物與常規(guī)意義上的飽和軟土特性相比可能存在差異，利用落錐試驗方法確定其黏性土不排水抗剪強度，具有很強的適用性。本文介紹了落錐試驗的試驗方法和試驗關(guān)鍵技術(shù)點，通過該深水海域兩個孔位的部分土質(zhì)資料對比，說明落錐試驗確定的黏性土不排水抗剪強度與海上工程設(shè)計、分析中使用的不排水抗剪強度具有很好的相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：落錐試驗；深水軟黏土；均質(zhì)土；不排水抗剪強度

目前，在國內(nèi)海洋勘察工程中，土體的不排水抗剪強度一直是工程設(shè)計計算當中最重要的參數(shù)之一，準確確定土的不排水抗剪強度，一直是各國研究者和工程技術(shù)人員重點關(guān)注的內(nèi)容[1]。土的不排水抗剪強度受多方面因素的影響，如試驗方法、加荷速率、初始應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑等[2]。有很多種方法可以用來確定土的不排水抗剪強度，常規(guī)的試驗方法有不排水不固結(jié)三軸壓縮試驗(Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test，UU)，手動十字板試驗，袖珍貫入試驗，電動十字板試驗(Miniature Vane Test,MV)等。

落錐試驗作為一種測試黏性土液限的方法，已被許多國家采用并列入相應(yīng)的土工試驗規(guī)程。其實，落錐試驗本質(zhì)上是一種確定黏性土不排水抗剪強度的方法，Hansbo早在1957年就通過大量的試驗研究就提出了利用落錐試驗預(yù)測不排水抗剪強度的經(jīng)驗公式[3]，靠落錐的自重貫入土中并記錄錐頭貫入的深度，根據(jù)錐重量、貫入深度和經(jīng)驗系數(shù)可以計算黏性土不排水抗剪強度。

以往，我國海洋能源的開發(fā)均限于淺水區(qū)域，落錐試驗確定黏性土不排水抗剪強度的方法在海洋淺海勘察工程中由于受到土質(zhì)復(fù)雜、缺乏經(jīng)驗數(shù)據(jù)等因素的影響，應(yīng)用還是很少見的。近年來，隨著我國油氣勘探開發(fā)邁向深海，獲得了大量寶貴的海底土質(zhì)資料，對于深水海底沉積物的特性有了一定的科學(xué)認識。深水環(huán)境中，海底淺層沉積物多為飽和軟土，這種軟土土質(zhì)比較均一，具有高含水量、高塑性指數(shù)、容重小、不排水抗剪強度低等特點，從而使這種沉積物與常規(guī)意義上的飽和軟土特性相比可能存在差異[4]，落錐試驗確定黏性土不排水抗剪強度的方法也得到了實際應(yīng)用。本文介紹了落錐試驗的試驗方法和試驗中關(guān)鍵技術(shù)點，并通過對中國南海北部陸陂深水海域兩個孔位的部分土質(zhì)資料做以統(tǒng)計分析，將UU試驗、MV試驗、實際海洋工程中使用的不排水抗剪強度值與落錐試驗測得不排水抗剪強度做以對比，充分說明了利用落錐試驗確定的不排水抗剪強度值在該區(qū)域的可靠性和適用性。

1　試驗方法

1.1落錐試驗方法

落錐試驗設(shè)備有一個機械裝置，允許錐上升或下降，在釋放錐之前調(diào)整錐尖接觸樣品表面，落錐自由下落，5 s后，通過刻度尺讀取錐頭貫入深度。不排水抗剪強度(Su)與錐頭的重量(Q)成正比，與貫入土中深度(h)的平方成反比：

(1)

圖1　落錐錐尖示意圖Fig.1　Sketch of the fall cone tip

式中，k是錐角β和系數(shù)X函數(shù)[5]，X是衡量圓錐和土之間的摩擦作用的參數(shù)，Houlsby將X用錐土間的黏著力αu和土的不排水抗剪強度Su的比值αu/Su表示，0≤αu/Su≤1，αu/Su值越大，圓錐表面越粗糙[6]，落錐錐尖如圖1所示。例如當錐頭重量為60 g，β為60°時，系數(shù)k取2.5，表1中給出了k推薦的取值。表中的k值也可根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗調(diào)整。

表1　落錐儀的技術(shù)參數(shù)

1.2落錐試驗技術(shù)要求

1)落錐試驗中的原狀樣品是由取樣管中推出并切割成約40 mm厚的柱狀樣。將圓柱狀樣品放置在落錐裝置的平臺上，選擇3個位置(測試點的分布要遵循各結(jié)果之間互不影響、測試點不受邊緣影響。錐尖插入土的部分與樣品邊緣的距離不能小于7 mm，兩個測試點的距離不能小于14 mm)進行貫入試驗[7]，3個貫入深度的讀數(shù)一般不超過平均值的10%，最后取3個強度的平均值。

2)對于重塑土的落錐試驗，將做完原狀試驗的樣品拿在手上揉搓至土均勻，一般為5 min，然后將揉搓均勻的土填滿落錐試驗專用的杯中(至少有60 mm的直徑和30 mm的深度)，利用平口刀將土樣與杯口平面刮平。然后進行與原狀落錐試驗相同步驟測試擾動土的強度。重塑土抗剪強度的測定應(yīng)當在重塑完成后直接進行。

3)落錐試驗中貫入深度的讀數(shù)應(yīng)該在表1中所列的深度范圍內(nèi)。當貫入深度超過20 mm時，需要另選一個更輕更鈍的錐。貫入深度小于5 mm時，需要另選一個更重更尖的錐。

4)落錐由防銹的材料制成，并且粗糙度小于0.8 μm的光滑表面。每次試驗前還得涂以薄層潤滑脂，使αu/Su值維持在某一較低值，同時大大消減了試驗過程中αu/Su前后不一致造成的圓錐貫入阻力前后不一致的影響。

5)落錐連同桿的質(zhì)量誤差應(yīng)控制在額定質(zhì)量的1%，錐尖角度誤差應(yīng)控制在額定角度的0.2°范圍內(nèi)。

6)錐尖的最大的損耗應(yīng)小于0.3 mm。

7)錐必須鎖定到位。要檢查零值設(shè)定，如果儀器有特殊要求，初始零值讀數(shù)到最近0.1 mm讀數(shù)均需要記錄。

8)樣品與錐尖的接觸面必須光滑并保持水平。

9)對于未擾動的樣品，至少要做3次試驗。如果任何一個測試值與平均值相差10%，那么必須要加試一次，且在計算平均值時偏差較大的值要剔除。

2　應(yīng)用實例

本文選取了2014年在中國南海北部陸坡深水區(qū)域兩個(分別為A和B)孔位的鉆孔資料共40組數(shù)據(jù)進行對比。部分土質(zhì)參數(shù)(含水量、液限、塑限、電動十字板試驗值、落錐試驗值、UU試驗值和海洋工程上使用的不排水抗剪強度值)如圖2和圖3所示，其中液限采用卡氏蝶式儀法測得，塑限通過搓條法確定。

該陸陂區(qū)域平面呈北東-南西向展布，陸陂東西兩端稍窄而中段寬廣，海底地形起伏較大，總體上為北西向南東傾斜。A和B孔水深在500～1 000 m，在該深水環(huán)境中，海底淺層沉積物多為飽和軟土，這種軟土具有高含水量、高液限和塑性指數(shù)、容重小、抗剪強度低等特點。圖2和圖3中，土層的含水量在60%～80%，容重變化范圍為15～16 kN/m3，塑性指數(shù)變化范圍為25～50，液限含水率變化范圍為55%～80%，不排水抗剪強度在10～40 kPa，根據(jù)美國試驗及材料協(xié)會規(guī)范2000版中對土類的判別該土屬于軟到稍硬的高液限彈性粉土。

圖2　A孔部分土質(zhì)參數(shù)試驗結(jié)果Fig.2　Data of soil material from Borehole A

圖3　B孔部分土質(zhì)參數(shù)試驗結(jié)果Fig.3　Data of soil material from Borehole B

由圖2和圖3可見，在該深水區(qū)域落錐試驗結(jié)果確定的不排水抗剪強度基本分布于所設(shè)計抗剪強度剖面(樁基礎(chǔ)設(shè)計、管線路由、水下基礎(chǔ)等海上工程實際設(shè)計中使用的巖土設(shè)計參數(shù))的兩側(cè)附近，即二者的相關(guān)性最好。重塑土的電動十字板試驗值和落錐試驗值吻合度也比較高。

圖4　A孔落錐試驗與試驗抗剪強度值線性回歸曲線Fig.4　Linear regression curves between the fall-cone-tested and the tested shear strengths at Borehole A

圖5　A孔落錐試驗與設(shè)計抗剪強度值線性回歸曲線Fig.5　Linear regression curves between the fall-cone-tested and the designed shear strengths at Borehole A

圖6　B孔落錐試驗與試驗抗剪強度值線性回歸曲線Fig.6　Linear regression curves between the fall-cone-tested and the tested shear strengths at Borehole B

圖7　B孔落錐試驗與設(shè)計抗剪強度值線性回歸曲線Fig.7　Linear regression curves between the fall-cone-tested and the designed shear strengths at Borehole B

試驗類型相關(guān)關(guān)系相關(guān)系數(shù)MV試驗y=0.8813x-1.16950.7279UU試驗y=0.7420x+10.1080.5153設(shè)計抗剪強度y=0.7156x+7.37010.8327

表3　B孔落錐試驗(FC)與試驗/設(shè)計抗剪強度值相關(guān)關(guān)系

從圖4、圖5、圖6、圖7和表2、表3可以看到，落錐試驗與電動十字板以及設(shè)計抗剪強度間均具有很好的相關(guān)關(guān)系，與UU試驗相關(guān)性稍差，相關(guān)系數(shù)基本上都大于0.70，落錐試驗與設(shè)計抗剪強度剖面相關(guān)系數(shù)達0.8以上，在B孔區(qū)域甚至達0.85以上。因此，在該區(qū)域利用落錐試驗確定黏性土不排水抗剪強度的適用性得到了證實。

盡管需要更多的試驗和數(shù)據(jù)去驗證其它地方的落錐試驗是否可靠，但通過以上分析證明在中國南海北部陸陂深水區(qū)域，對于均質(zhì)土樣，落錐試驗值能更好的反應(yīng)黏性土的不排水抗剪強度，可為樁基礎(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)。

3　結(jié)　論

基于落錐試驗的方法和技術(shù)關(guān)鍵點，通過對中國南海北部陸陂區(qū)域均質(zhì)沉積物的土質(zhì)特性和不排水抗剪強度進行對比研究，主要得到以下結(jié)論：

1)中國南海北部陸陂深水海域，海底淺層沉積物多為飽和軟土，這種軟土土質(zhì)比較均一，具有高含水量、高液限和塑性指數(shù)、容重小、抗剪強度低等特點。

2)在中國南海北部陸陂區(qū)域沉積的均質(zhì)土樣，利用落錐試驗確定的黏性土不排水抗剪強度可為海上工程提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)。

3)對于非均質(zhì)土樣(夾有砂土，粉土薄層或含有貝殼，粗砂粒，裂隙等)，落錐試驗方法所得的不排水抗剪強度比其他試驗有較少的代表性。

4)在進行落錐試驗時，嚴格按照試驗的技術(shù)要求進行試驗，保證測試結(jié)果的可靠性。本文各種測試方法所得到土的試驗強度值有所差別，主要是由于應(yīng)變速率、土的各向異性和土層的破壞機理不同引起的。

5)本文中推薦的k值較好地預(yù)測了該區(qū)域的不排水抗剪強度值。系數(shù)k值也可根據(jù)不同區(qū)域的土質(zhì)資料進行調(diào)整，在缺少經(jīng)驗的區(qū)域，落錐試驗的可靠性有待實際驗證。

參考文獻

[1]劉劍濤．超固結(jié)黏性土不排水抗剪強度的研究[J]．港工技術(shù)，2013，50(6)：47-50．

[2]龔曉南．軟黏土地基土體抗剪強度若干問題[J]．巖土工程學(xué)報，2011，33(10)：1596-1600．

[3]HANSBO S．A new approach to the determination of the shear strength of clay by the fall cone test[J]．Swedish Geotech Institute Proc，Stockholm，1957，14：1-48．

[4]周楊銳，王建華，李書兆．南海荔灣深水重塑沉積物的靜、動特性[J]．海洋通報，2013，32(5)：521-526．

[5]HOULSBY G T．Theoretical analysis of the fall cone test[J]．Geotechnique，1982，32(2)：111-118．

[6]Geotechnical investigation and testing-laboratory testing of soil-Fall cone test:CEN ISO/T S17892-6[S].Genvese:ISO international,2004.

[7]TANAKA H, HIRABAYASHI H, MATSUOKA T, et al. Use of fall cone test as measurement of shear strength for soft clay materials[J].Soils and Foundations，2012，52(4)：590-599．

文章編號：1002-3682(2016)02-0025-08

*收稿日期：2015-11-24

作者簡介：王虎剛(1986-)，男，工程師，主要從事海洋工程地質(zhì)方面研究.E-mail:wanghg6@cosl.com.cn

中圖分類號：TU411.7

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.02.004

Determination of Undrained Shear Strength of Deepwater Soft Clays Through Fall Cone Test

WANG Hu-gang, ZHOU Song-wang

(ChinaOilfieldServicesLimited, Tanggu 300451, China)

Abstract:Undrained shear strength is an important mechanical property of clayey soils and is widely applied for analyzing the slope stability and calculating the bearing capacities of the foundation and the pile foundation. In the domestic marine engineering investigation, the methods for determining the undrained shear strength of soft clays are usually the unconsolidated-undrained triaxial compression test, the torvan test, the miniature vane test and the unconfined compression test. In the deepwater area of the northern South China Sea, the shallow sediment is mostly saturated soft clay, which is relatively homogeneous, high in water content and liquid limit and plasticity index, small in volume weight and low in shear strength. This type of sediment may differ in its property from the commonly saturated soft clays. It may be, therefore, suitable to use the fall cone test for determining the undrained shear strength of such clay. The methods and key techniques for the fall cone test are introduced. By comparing with the data of soil material from two boreholes drilled in the study area, the undrained shear strength of the clay determined through the fall cone test is well correlated to those designed for the marine engineering and used for the analysis.

Key words:fall cone test; deepwater soft clay; homogeneous soil; undrained shear strength

(王佳實編輯)