马学东

(中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026)

0 引言

近海工程中，以软粘土为地基的建筑要求在波浪等荷载作用下保持稳定，结构物把波浪的往复作用传递到地基，在地基的静力场上叠加上一个往复的动力厂。这种往复作用会使土产生变形积累、超净孔压增长，引起抗剪强度的降低。在稳定分析或地基承载力分析中不能只考虑波浪在地基中引起的应力增加，还需考虑往复作用引起的积累变形和强度的降低。至少需要考虑地基土在以下三个方面的特性:1)地基土的动模量特性，以确定动力作用下结构物的振动放大效应，结构物在地基中的动应力;2)地基土动力特性，确定动力作用下地基的承载力是否满足要求;3)动力作用下地基土的变形积累特性，以评价结构的残余变形。

1 动力学特性

地基土的动变形和动强度特性是合理评价波浪作用下地基变形和稳定的核心问题，图与地基动力特性测试是为工程设计提供可控动力参数的主要途径。动力学参数有:动弹性模量、泊松比、阻尼、动强度、动孔压以及地基刚度系数等。针对荷载的特点通过动三轴试验研究某油田表层淤泥的动力特性，给出所采用的试验方法和试验结果。海岸和近海结构物的地基除了受到有构造物传来的波浪往复作用外，还受到波浪施加在海床表面的直接作用。波浪在海床表面的直接作用引起的海床土的应力路径是一个主应力轴连续旋转的过程。试验结果发现:1)对于一个围压可能存在一个临界动剪应力值，当动剪应力值小于此值时，即使振次振动，动剪应变也不会显著增加，而是趋于一种动态平衡状态。临界动剪应变比(σd/2σ3)约为0．17;2)土动强度指标在动荷载作用下会发生弱化、衰减，衰减后的动强度指标约为静强度指标的53%。

2 频率对动弹性模量的影响

波浪荷载的周期性变化范围较大，所以试验过程中同时测了不同频率对该海洋软粘土动力学性状的灵敏度进行分析，首先，对土样在90 kPa的围压下进行固结，分别采用不同频率的动荷载(0．05 Hz，0．2 Hz和1 Hz)进行动弹性和动强度试验。动弹性试验中得出动弹性模量衰减曲线，见图1。

图1 不同频率动荷载作用下动弹性模量衰减曲线

从图1可以看出动荷载频率为1 Hz和0．2 Hz时获得的动弹性模量衰减曲线基本重合，而0．05 Hz的动荷载作用下的动剪模量略低。

3 频率对动强度的影响

在动荷载试验中，频率的影响更加明显。将围压90 kPa，动荷载的幅值变为35 kPa不同频率的动三轴试验数据作出不同频率动荷载振次—孔隙水压关系图，不同频率动荷载振次—动应变关系图(见图2，图3)。

图2 不同频率动荷载振次—孔隙水压关系

图3 不同频率动荷载振次—动应变关系

从图2，图3可以看出，相同条件下动荷载的频率越低，产生的动应变越大，同时孔隙水压力也就越大。现在研究的观点认为荷载频率对粘性土的动力学性状的影响是通过蠕变效应和孔隙水压力导致的有效应力的变化来实现的。在动弹模试验中频率的影响不明显主要是由动弹模试验的方式决定的，在动弹模试验中，每级荷载作用的周次比较少(一般为10次)，土的动应变非常小，同时也不存在明显的孔压累计，当频率大于0．1 Hz时，动弹模试验中由于频率造成的影响可以忽略;但是如果当频率低于0．1 Hz时，相同条件下，测得的模量相对比较低。试验过程中发现，低频率荷载作用下，粘性土的破坏是渐进式的，而频率比较高的时候，在荷载作用下一定的周次以后，周向动应变和孔隙水压力增加的速度会明显加快，呈脆性破坏的趋势。

4 振动次数对动弹性模量的影响

目前关于振动次数影响的研究主要集中在振次对孔隙水压力和动应变的影响。而有关振次对动弹性模量的影响研究的比较少。从实验结果上看，振次对于动力—应变关系的影响是十分明显的。

以围压90 kPa时候的动三轴试验数据为例，当动应力比较大的时候，即使振次增加的次数不多，应变也有明显的增大，如图4所示，动弹模随着振次的衰减是明显的。

在粘性土的动三轴试验中，动弹模随着循环振次衰化的机理目前没有统一的认识，部分的观点认为孔隙水压力升高使得有效应力降低导致了模量衰减。但是由于粘性土的渗透性比较差，所以动荷载作用土样的时候，孔隙水压力在土样的纵向和横向上都存在梯度，动三轴试验是在试样的端部测量孔压，测量值可能跟实际值有较大的差别，所以用有效应力来揭示这种行为可能缺少高质量的实验数据支持。

图4 不同循环振次下动应力—动应变关系曲线

Idriss(1978)引入衰化指数δ，从总应力的角度描述振次导致的模量衰化行为。δ=En/E1，其中，E1和En分别为同一级动荷载作用下第1个和第n个滞回圈对应的动弹性模量。如图5所示，衰化指数随振次的变化趋势与动荷载的幅值有关，当动荷载的幅值比较小的时候，衰化指数经过起始的衰减之后逐渐趋向稳定值，而当动荷载的幅值比较大的时候，衰化指数持续降低，直至试样破坏。对循环振次导致的模量衰化的机理进一步理解还需要继续探索。

图5 不同围压下循环振次—衰减指数关系

5 结语

根据某油田具体的工程地质条件，进行了软粘土的动力学特性研究，发现动荷载的频率及循环振次对软粘土的动力学性质有一定影响。主要为:1)动荷载频率越低，动模量越低，但影响较小;2)相同幅值的动荷载作用下，频率越低动应变越大，同时孔隙水压力随着振次升高越快;3)当作用土样上的动剪应变大于临界值时，随着循环荷载作用周次的增加，动应变持续增大，模量越低，达到破坏时候，模量通常不及初试值的0．1倍。

［1］谢定义．土动力学［M］．北京:高等教育出版社，2011．

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