深海沉积物-结构界面仪试验装置研发及其验证试验
发布时间：2022-04-29
摘要：深海沉积物-结构界面特性是海洋平台结构设计与计算的关键之一;然而，目前针对深海沉积物-结构界面特性的试验装置与测试方法尚比较缺乏。基于大连理工大学“土工静-动力液压三轴剪切仪”，改造三轴压力室，研制一套深海沉积物-结构界面仪;首先系统介绍了试验装置的研发思路、技术优势以及使用方法，通过开展静/动载作用下不排水深海沉积物-结构界面特性试验，验证所研制界面仪的可靠性和准确性;续而初步探讨粗糙度、动载 ICSR 等因素对界面的力学性能和孔压发展的影响规律。研究结果表明：静载作用下界面应力曲线随着粗糙度的增加由折线型转变为双曲线型，剪切过程中近界面土体经历了先剪缩后剪胀的发展趋势，界面破坏形式随粗糙度增大呈现由深海沉积物-结构表面向土体内的迁移现象;动力循环荷载作用下粗糙度Ⅱ结构物随循环周次增加呈上拔滑移状，伴随着动孔压的累积界面呈现刚度弱化现象，界面累积塑性应变在循环周次为 300 时趋于稳定，最终归一化界面动孔压 u/σ3为 0.22;该界面仪为深海沉积物-结构界面特性和机理研究、以及界面本构模型的建立提供有利支撑。
关键词：界面仪;深海沉积物;动荷载;界面孔压;三轴试验
0 引 言
我国油气资源开采，逐渐由近浅海走向深远海，对开采平台锚固系统也提出了更高的挑战。深海油气开发时，大量使用鱼雷锚、平板锚等海底锚固结构;锚固结构作为海洋平台的“根”，一旦失稳破坏，将造成重大经济损失乃至海洋环境灾难。深海沉积物锚固结构界面特性，是锚固结构承载性能与设计计算的关键;因此，非常有必要展开系统研究。
围绕土体-结构界面特性，国内外相关学者展开了系列研究，并取得一些有益成果。在相关传统界面仪器的应用中，大多是采用改进的直剪仪[1-6]、扭剪仪[7] 和单剪仪[8-10]等，部分学者近年来通过改进三轴仪[11-13] 实现界面力学特性试验。楼晓明等[11]为模拟土体加卸荷对桩基摩阻力的影响，通过施加气压于土体上方进而研制了土体在加卸荷下桩基影响试验装置;邬俊杰等[12]利用围压室顶部的双套活塞实现对顺接触面向土体应力状态和桩土接触面剪切加载的分别控制，研制了一套可控制复杂应力状态变化的桩土接触面三轴模拟试验仪;Hebeler 等[13]通过改变桩体表面 CPT (Cone Penetration Test)摩擦套筒颗粒大小和形状对桩土界面粗糙度进行量化，进而得出不同粗糙度下界面静载力学发展特性;李春红等[14]基于静三轴装置展开温度对桩−土接触面力学性质的影响研究，自主研制了一套温控桩-土接触面三轴试验仪，实现非等温条件下桩−土接触面热力耦合特性测试。这些基于三轴仪改进的界面装置不仅具有三轴装置自身的优势，用途相对广泛，控制方法便捷，而且相比于其他界面装置，能严格控制不排水试验条件，对界面的研究有较高的应用价值。
然而，既有研究多以砂土或陆地黏土为主，尚鲜有关于深海软黏土与结构界面的试验研究成果[15, 16]，究其原因，除了受深海土取样困难、保存试样手段繁琐、研究条件有限等因素影响，最重要的是传统界面仪器尚存不足致使无法对深海土界面破坏机制展开探究，主要原因在于：一是排水状态难以准确标定;二是剪切引起的超孔压难以测定;三是应力应变控制兼容性较差。综上可知，考虑到三轴界面仪的技术优势，可借此开展深海沉积物-结构界面探究，但既有三轴界面仪都是基于静三轴改进，仍无法实现循环应力加载。因此，依托大连理工大学“土工静-动力液压三轴剪切仪”，研发一套深海沉积物-结构界面仪，以解决深海锚固结构与土体相互作用问题，实现对结构物不排水剪切引起的孔隙水压和界面剪切强度 Sui 等有效参数的精确测量。通过对界面不排水工况的静、动剪切试验测试，验证改进界面仪的可靠性和准确性。
1 试验设备的研制
1.1 设备构成
大连理工大学“土工静力-动力液压三轴剪切仪”，包括三轴加荷系统①、数据采集系统②、模拟控制系统③、气水转化系统④和伺服液压动力系统⑤ 等部分(图 1)。本文基于该设备，对三轴压力室进行改造，以满足海洋土-结构界面特性研究需求。改装后的三轴压力室实物图和示意图如图 2 所示。与既有常规三轴压力室装置相比，设备构造的改造主要有以下几点：
(1)改制土样顶、底元件。土样顶盖和底座的中心位置预留直径为 20 mm 的孔洞，结构物的顶端和底端分别穿进顶盖和底座的孔隙中，且该直径为 20 mm 的孔洞深度能满足结构物在轴向剪切过程中有足够的活动范围。
(2)增设顶盖上方密封装置和光轴连接杆。光轴穿过顶盖密封装置做到与外界完全隔离，并在光轴下端连接结构物，在结构物受力运动过程中，有效地防止气体或者液体沿缝隙进入土体内。
(3)调整底座孔压管位置。在靠近结构物 3mm 处布设孔压孔，外接孔压传感器、孔压阀门和进/出水阀门，在界面剪切过程中，关闭土体外界排水阀门，土颗粒与结构物表面相互作用产生的超孔隙水压由孔压传感器直接读取。
(4)增设底部密封橡皮活塞。底座打孔并在结构物下端连接橡皮活塞，可有效地维持土体的密闭状态，以构造理想的不排水试验条件。
1.2 设备技术特点
该深海沉积物-结构界面仪设备在研究深海沉积物界面方面具有诸多优势：
(1)精准控制不排水状态。传统界面剪切装置在试验中往往通过改变不同的剪切速率以限定排水或不排水状态，在严格意义上来讲试验处于部分排水的状态，剪切过程产生的超孔压必然随时间有一定程度的消散，显然这一试验过程会高估深海沉积物与结构界面的抗拔承载性。
(2)控制系统和加载方式多元。可根据实际界面受力状态自主地选择应力控制或应变控制系统，选择单次剪切或循环加载方式。这一功能不仅更为贴切地表征深海沉积物界面受波浪荷载下的应力(半)正弦的受力状态，而且为复杂应力状态的力学特性分析提供了试验可操作前提。
(3)界面孔压的标定。该功能可有效地弥补传统界面装置的不足，尤其抗拔结构短时间内突然失稳的实际工况，不排水状态下界面研究对海洋工程设计安全十分重要，因此对于界面剪切产生超孔压的监测极具实用价值的。
综上所述，针对深海沉积物-结构界面研究现状的不足，该设备可有效地实现对 CU(Consolidation Undrained)状态下静、动界面剪切试验研究。另外，考虑到对海底抗拔结构的承载性分析，仪器改进阶段在土体上方设计应力边界，可更为贴切地得到深海抗拔结构物在风浪等动力荷载作用下的循环上拔失稳机制。
1.3 界面受力分析
含结构物的土体在固结、静力或动力作用下的受力简图如图 3 所示。
1.4 试样制备方法
采用改进泥浆法进行制样并加工定制配套模具和结构物，以保证试样制备的可重复性和均一性;模具实物图如图 4 所示。其中，模具筒为内径 61.8mm、外径 70mm、高度 210mm 的有机玻璃筒，底座为外径 61.8mm、内径 20mm、高度 30mm 的有机玻璃体，其作用为排水和限位功能，模具压头的作用为承压和排水功能，压头的连接杆为 60mm 深度的中空铝制杆体，在底座和模具压头上均打有均匀分布的圆孔(孔径 2mm)，以便于排水。结构物尺寸为直径 20mm、高度 210mm，其表面粗糙度是通过控制桩体表面不同 Ra(Roughness average)得以实现，选用 Ra 为 0.8μm、 3.2μm 和 50μm 三种粗糙结构物进行研究，按 Ra由小到大分别记录为粗糙度Ⅰ、粗糙度Ⅱ和粗糙度Ⅲ。
2 深海沉积物-结构界面试验概况
2.1 土性参数及制备
试验采用重塑南海沉积物，其颗粒级配曲线如图 5 所示，粒径范围分布在 0.0004~0.6mm，且大多集中在 0.01mm 左右[19];主要物理参数指标见表 1 所示。
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依据南海土参数配备含水率为 100%的泥浆，经预压固结后得到的含结构物土体表面无气泡且均一性良好，经计算土体实际密度与设计计算值误差在 0.01g/cm3 以内，最终预压应力大小为 75kPa，配制的泥浆和得到的土体参数见表 2 所示：
2.2 试验方法及方案设计
在装样前先对各个管路进行排气并对传感器调零，装样后始终保持有效围压为 30kPa，每 20kPa 一级对土体进行反压饱和直至饱和结束，依据《土工试验规范》[20]，B 值达到 0.95 以上方可停止饱和，在对该重塑南海沉积物试样的饱和过程中发现，当反压增大到 100kPa 时最终满足 B 值要求，为减少反压对试验结果的影响，设置所有试验的饱和反压同一值[21]。固结过程采用等向固结的方式，设定所有参照组的固结有效围压均为 100kPa，并依据孔压消散程度达到 0.95 以上判断得出固结完成时间[20]。
加载过程主要从静载和动载两方面开展，试验设计方案与工况见表 3 所示;其中，静载试验，试样有效围压为 100kPa、正常固结土、剪切速率为 0.1mm/min的不排水剪切。考虑粗糙度对侧壁摩阻力的影响，设计三种粗糙度以模拟结构物表面凹凸程度对不排水状态下界面的力学行为。
3 试验结果与分析
3.1 试验结果可靠性验证
施加在结构物上某一恒定剪切速率，得出结构物物位移与界面摩擦力曲线，通过将此摩擦力除以固结后结构-土体实际接触面积，进而换算出界面不排水强度 Sui，绘制的不排水界面应力-应变曲线如图 6 所示;取三种粗糙度下界面不排水剪切强度峰值为 Sui，结合相关研究数据建立粗糙度 Ra 与归一化界面强度 Sui/σ3 图 7。因前人研究中大多是以某一较快速率作为不排水速率，但严格意义上将，这通常还会伴随着超孔压的消散过程，所得的界面剪切强度会高于真实不排水强度，且受土体密实度、含水率及土体取材不同，归一化强度会略有差异，但整体上前人研究中随粗糙度增大，归一化界面强度 Sui/σ3 基本呈现双曲线型，也即越接近于土体真实强度[22, 23]，本文研究也同样得到了类似规律，很好地验证了该改进仪器的科学性和准确度。
3.2 静载作用下界面特性
由图 6 可见，界面不排水强度随结构物粗糙度的增大而逐渐增大，在粗糙度Ⅰ和Ⅱ的界面破坏应力曲线中，应变在约 2%处界面应力达到峰值，随后应力曲线缓慢降低，整体呈现折线型，粗糙度Ⅲ的界面应力呈现先在应变的 0~3%范围内快速升高随后缓慢增高的发展趋势，整体呈现双曲线型。这种现象主要是因为高粗糙度影响下，破坏大多发生在土-结构物表面，界面不排水强度 Sui呈现出的应力软化效应并不明显，这与 Hisham[22, 23]的结果相近。粗糙度Ⅲ结构物与土体相互作用中，由于表面凹槽深度增高致使破坏过程时会调动更多的土颗粒参与剪切过程，破坏形式也由界面破坏逐渐向土体内部转移，界面破坏强度持续升高且逐渐靠近土体真实强度。
孔压与应变发展规律如图 8 所示。由图 8 可见，不同粗糙度影响下，界面超孔隙水压力整体呈现先增大后减小的趋势，这是因为在剪切开始前，相比土颗粒而言，结构物认为是不可压缩的，固结阶段使界面土体紧紧贴合在结构物表面，剪切初始阶段界面土体先是产生剪缩趋势，后随结构物剪切位移的增大，土颗粒翻滚产生轻微剪胀趋势，故孔压呈现先增高后降低的现象，同样可以分析得出在粗糙度Ⅲ结构物剪切中，剪胀趋势基本消失是由于破坏面以由土-结构表面向土体内迁移。另外，孔压峰值随粗糙度增大呈现先增大后减小的趋势，初步认为由于粗糙度下发生界面滑动破坏，随着凹槽深度增大，调动的土体增多，因此增大粗糙度剪缩趋势明显，然而继续增大粗糙度，土体破坏逐渐由界面转移至土体内部，因土颗粒之间错动产生的剪缩趋势要小于土-结构表面剪缩程度，故呈现了孔压峰值降低的现象。
3.3 动载作用下界面特性
循 环 加 载 作 用 下 ( σ3=100kPa ， N=300 圈 ， ICSR=0.2)应力-应变滞回圈如图 9 所示;由图 9 可见，在此界面循环加载条件下随着加载圈数的增加，伴随着结构物的不断上拔直至达到稳定，主要原因是结构物在某一向下应力的加载过程中，界面土体受摩阻力影响相互挤压，最终在粗糙度Ⅱ结构物表面产生滑移破坏。当结构物受同样大小且方向向上的应力加载作用下，界面土体受到方向向下摩阻力的反作用力，依据能量原理破坏必然发生在最薄弱的部位，当土体抗拉强度低于真实界面强度时，土体最终必然发生拉伸破坏，这一现象类似于陆地抗拔桩研究中桩周土的三轴拉伸破坏形式，因此结构物在受此正弦荷载的加载中，更容易呈现累积应变向上的拉拔破坏，这也更为贴切地模拟了海底锚固结构受海上风浪荷载的失稳破坏形式。另外，从滞回圈的位置清晰地看出结构物土体界面的累积塑性应变 ε a p随循环圈数 N 逐渐增大，且在 N=300 圈时基本稳定，整体呈现刚度渐进弱化的现象。
4 结 论
(1)本文基于“土工静力-动力液压三轴剪切仪”，研发了一套深海沉积物-结构物测试界面仪;可实现界面剪切引起的孔压测定，严格控制界面不排水剪切应力路径，实现深海结构的沉贯和动力失稳拉拔试验等。该界面仪的研发辅以改进泥浆的成样方法，实现成套的界面试验设备及方法，依据界面不排水静载测试结果对比前人研究结果初步验证了所研制界面仪及其使用方法的准确性和可靠性，这为深海沉积物结构物界面特性与机理研究提供技术支撑。
(2)静载作用下，粗糙度Ⅰ、Ⅱ结构物界面应力发展整体呈折线型，粗糙度Ⅲ结构物界面应力呈应变硬化型，界面承载性随粗糙度增大而逐渐增强;剪切过程中不同粗糙度下界面土体孔压经历了先剪缩后剪胀发展趋势;剪胀趋势逐渐消失意味着破坏面由土与结构物表面向土体内部产生迁移。
(3)动载作用下，通过在粗糙度Ⅱ结构物上施加 ICSR=0.2，f=0.1Hz 的正弦荷载，结构物-土体界面刚度随循环周次的增加而降低，呈现界面弱化现象，且结构物产生上拔滑移直至稳定，累积应变呈现结构物拉拔的力学行为。本文试验条件下，归一化界面动孔压 u/σ3 为 0.22，且动孔压发展呈双曲线型。
基于该改进界面仪的技术优势，后续可考虑对界面 CU 工况的试验分析，弥补界面有关 CU 状态下的力学特性和孔压发展规律研究现状的不足，例如可实现对不同围压和不同粗糙度下界面不排水状态下破坏形式和机理的探究，考虑剪切速率影响的不排水界面力学特性等试验研究。——论文作者：郑 铮 1，杨 钢 1，张世兴 1，孙安元 1，孔纲强 2，王 胤 1，杨 庆 1*
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