CN110749724A

CN110749724A - 一种用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法

Info

Publication number: CN110749724A
Application number: CN201911171134.9A
Authority: CN
Inventors: 年廷凯; 范宁; 赵维; 郭兴森
Original assignee: Dalian University of Technology; Wenzhou University
Current assignee: Dalian University of Technology; Wenzhou University
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-02-04

Abstract

一种用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法，属于近海工程技术领域。本发明基于全流动贯入仪在强度测试方面的优势和流变仪在剪切应变率测试方面的优势，分别采用两种设备对海积超软土试样进行测试，并以强度试验部分在参考剪切应变率下测得的强度值作为标准强度，对流变试验部分测得的强度结果进行标定，根据标定结果修正流变试验部分测出的强度曲线，由此获得海积超软土的强度与流变特性参数。本发明所提出的试验方法具有强度测试结果可靠(可低至0.001kPa)、剪切应变率测试范围广(可超过100s^‑1或小于0.001s^‑1)、测试参数丰富(不排水剪切强度、灵敏度、屈服应力、黏度)等特点，为近海工程中海积超软土的力学性质测试提供了技术参考。

Description

一种用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法

技术领域

本发明属于近海工程技术领域，涉及一种室内软弱土力学性质测试的试验方法，尤其是用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法。

背景技术

近年来，随着陆地空间和能源的日渐匮乏，人类开发利用海洋的步伐逐渐加快。在我国近海岸海涂围垦工程和海底能源开采工程中，常常遇到与海积超软土有关的工程问题，如：疏浚吹填淤泥土的加固问题、海底表层软黏土的管线铺设问题、油气平台海底系泊基础在海底土中的稳定问题等，因此，可靠地评价海积超软土的强度与流变特性，并提供相应的土体力学特征参数为工程所用，对近海工程的发展而言十分重要。

超软土是一种源于软土工程问题，却更为软弱、特殊的土体。对于海积超软土而言，其主要指第四纪全新世(Q4)文化期以来，新近沉积的滨海相、三角洲相等欠固结的淤泥性土，海涂围垦造陆吹填过程所形成的淤泥和流泥，以及海积表层软弱土和海积土失稳形成的海底滑坡体。海积超软土通常表现出含水量极高(超过土体液限含水量，甚至达到3倍液限以上)、强度极低(小于5kPa，甚至低至0.01kPa量级)、孔隙比大等特征，这使得传统土工试验方法无法对其力学性质进行可靠地、全面地测试，如：海积超软土的强度可能低于传统土工强度测试仪器量程的下限，海积超软土的高含水率导致取样、制样困难、流态海积超软土的剪切应变率变化范围太大等问题，亟需提出一种方法，用于海积超软土力学性质的综合测试与评价，尤其针对于工程中应用广泛的土体强度与流变特性参数的测试。

发明内容

针对当前缺乏可靠测试海积超软土强度与流变特性方法这一现状，本发明提出了一种室内软弱土力学性质测试的试验方法，尤其是用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法，基于全流动贯入仪在强度测试方面的优势和流变仪在剪切应变率测试方面的优势，包括强度试验、流变试验和结果标定三部分：首先，对海积超软土试样开展强度试验部分，采用全流动贯入仪测试，获取某一参考剪切应变率下的不排水剪切强度值；然后，开展流变试验部分，采用流变仪测试，获取随剪切应变率变化的强度曲线；最后，把强度试验部分在参考剪切应变率下测得的不排水剪切强度值作为标准强度，对相同剪切应变率下流变试验部分测得的强度结果进行标定，根据标定结果修正流变试验部分测出的强度曲线，由此便可获得不同剪切应变率条件下的不排水剪切强度结果，并给出相应的强度与流变特性参数。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法，在试验开始前，确保强度试验部分2和流变试验部分3在同一试验模型箱11内、针对同一批次的测试土样进行试验，使两部分试验结果具有可标定的前提，即测试目标是一致的。试验开始后，首先在测试土样中间部位强度试验区域9处，开展强度试验部分2，强度试验部分2至少对测试土样进行两次入土测试，至少包括一次正式试验和一次重复试验，用于结果检验，且每次入土测试位置间距应大于探头直径的3倍距离，避免相互间测试扰动；然后，在测试土样四周部位流变试验区域10处，插入多个薄壁圆柱形钢筒，于各自圆柱筒内开展流变试验部分3，流变试验部分3至少对测试土样进行四次入土测试，至少包括两类仪器配套转子和两种控制手段的组合，且仪器配套转子的入土深度应与强度试验部分2的测试深度保持一致，确保后续结果标定部分6的测试土样部位位于同一土样深度。包括以下步骤：

第一步，对海积超软土试样开展强度试验，采用全流动贯入仪测试，获取某一参考剪切应变率下的不排水剪切强度值。具体为：

全流动贯入仪4进行测试时，采用循环测试的手段，控制全流动贯入仪4在测试土样中循环贯入与拔出，仪器探头形式、循环次数、循环速度、循环区间等指标根据实际测试需求选择，土样逐渐剪切直至强度不再降低，由此获得某一参考剪切应变率下测试土样的初始与重塑不排水剪切强度、灵敏度等强度特性参数。

第二步，开展流变试验部分，采用流变仪测试，获取随剪切应变率变化的强度曲线。具体为：在流变仪测试过程中，仪器配套转子包括桨式转子和无端型转子两类，用于去除转子轴杆侧摩阻力对结果的影响，采用剪切应力控制输出剪切应变率数据，采用剪切应变率控制输出剪切应力数据，分别获得测试土样在初始状态和重塑状态下的流变特性结果，即随剪切应变率变化的强度曲线。所述的仪器型号、转子尺寸、控制区间等指标根据实际测试需求选择。

第三步，将第一步强度试验部分在参考剪切应变率下测得的不排水剪切强度值作为标准强度，对相同剪切应变率下流变试验部分测得的强度结果进行标定，根据标定结果修正流变试验部分测出的强度曲线，由此便可获得不同剪切应变率条件下的不排水剪切强度结果，并给出相应的强度与流变特性参数。

所述的全流动贯入仪，是一种世界公认的、具备较高准确性的海积土强度测试仪器，具有扰动小、时间快、工作灵活等特点，该仪器基于全流动剪切破坏理论，可以有效的消除土体位移，减小土体形状变化所产生的超孔压影响；贯入阻力与土体强度之间具有比较严格的塑性理论解；且探头投影面积较大，可以得到更为准确的探头贯入阻力，这对低强度的海积土而言尤为重要，但该仪器的测试剪切应变率范围过小(一般小于1s^-1，且测试时间会随着剪切应变率的降低而大幅度增长)，不适合用于流变特性分析。因此，考虑到全流动贯入仪在海积土强度测试方面的优势，其在本发明的组合试验方法中主要负责强度部分的测试。

所述的流变仪，是一种常见的流体测试仪器，由于其适用于测量含水率高、强度低的非牛顿流体试样，而被广泛应用于海积土的相关研究中，工作中配备桨式转子，具有测试扰动小、壁面滑移影响小、剪切应力结果可直接获得等特点，该仪器在剪切应变率的测试方面，理论更为严格，其测试一般在一个圆柱形容器内进行，转子插入试样，由电机控制其旋转后，试样将在内外两个同心圆柱体内剪切，可以比较精确的测量剪切应变率的连续变化，但该仪器在强度测试方面，受圆柱剪切面假设的影响，结果不如全流动贯入仪严格和准确。因此，考虑到流变仪在海积土流变测试方面的优势，其在本发明的组合试验方法中主要负责流变部分的测试。

所述的参考剪切应变率可根据工程中常用的测试剪切应变率进行选择，在近海工程中推荐取0.2s^-1，便于应用及与其他研究结果相互比较，且该参考值的选取基本不会影响修正后的强度曲线。

本发明的有益效果是：所提出的组合试验方法具有强度测试结果可靠、剪切应变率测试范围广、测试参数丰富等特点，其中强度测试部分基于全流动剪切破坏理论，结果可靠，最低强度测试结果可至0.001kPa量级；剪切应变率测试范围高可超过100s^-1、低可小于0.001s^-1，这对传统土工试验方法而言极难实现；且可以获取更加丰富的土体性质参数结果，如：不排水剪切强度、灵敏度、屈服应力、黏度等，为近海工程中海积超软土的力学性质测试提供了技术参考。

附图说明

图1为本发明的试验方法流程图

图2为本发明的试验操作过程示例图

图中：1组合试验方法；2强度试验部分；3流变试验部分；4全流动贯入仪；5流变仪；6结果标定部分；7获得强度与流变特性参数；8应用于相关研究及工程设计中；9强度试验区域；10流变试验区域；11试验模型箱。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1中，本发明所提出的组合试验方法1由三个部分组成，包括：强度试验部分2、流变试验部分3和结果标定部分6，其中强度试验部分2由全流动贯入仪4进行测试，采用循环测试的手段，控制全流动贯入仪4在测试土样中循环贯入与拔出，仪器探头形式、循环次数、循环速度、循环区间等指标根据实际测试需求选择，土样逐渐剪切直至强度不再降低，由此可以获得某一参考剪切应变率下测试土样的初始与重塑不排水剪切强度、灵敏度等强度特性参数；流变试验部分3由流变仪5进行测试，仪器配套转子有两类(桨式转子和无端型转子，用于去除转子轴杆侧摩阻力对结果的影响)，采用剪切应力控制(控制剪切应力变化，输出剪切应变率数据)和剪切应变率控制(控制剪切应变率变化，输出剪切应力数据)两种手段，仪器型号、转子尺寸、控制区间等指标根据实际测试需求选择，可分别获得测试土样在初始状态和重塑状态下的流变特性结果，即随剪切应变率变化的强度曲线；结果标定部分6把强度试验部分2在参考剪切应变率下测得的不排水剪切强度值作为标准强度，对相同剪切应变率下流变试验部分3测得的强度结果进行标定，根据标定结果修正流变试验部分3测出的强度曲线，由此便可得到不同剪切应变率条件下的不排水剪切强度结果，获得强度与流变特性参数7，这些参数可以应用于相关研究及工程设计中8。

图2中，在试验开始前，需确保强度试验部分2和流变试验部分3在同一试验模型箱11内、针对同一批次的测试土样进行试验，使两部分试验结果具有可标定的前提，即测试目标是一致的。试验开始后，首先在测试土样中间部位强度试验区域9处，开展强度试验部分2，这是由于全流动贯入仪4对测试土样的测试扰动程度极小，仅为仪器探头直径的2～3倍，强度试验部分2至少对测试土样进行两次入土测试，至少包括一次正式试验和一次重复试验，用于结果检验，且每次入土测试位置间距应大于探头直径的3倍距离，避免相互间测试扰动；然后，在测试土样四周部位流变试验区域10处，插入多个薄壁圆柱形钢筒(目的在于满足上文所述流变仪5剪切应变率测试的同心圆柱体剪切原理，且筒壁要求较薄，以降低插筒过程对土样的扰动)，于各自圆柱筒内开展流变试验部分3，流变试验部分3至少对测试土样进行四次入土测试，至少包括两类仪器配套转子(桨式转子和无端型转子)和两种控制手段(剪切应力控制和剪切应变率控制)的组合，且仪器配套转子的入土深度应与强度试验部分2的测试深度保持一致，确保后续结果标定部分6的测试土样部位位于同一土样深度。

以上所述的具体实施例对本发明的基本原理、主要特征、主要操作步骤和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，图1强度试验部分2涉及的仪器探头形式、循环次数、循环速度、循环区间等指标、流变试验部分3涉及的仪器型号、转子尺寸、控制区间等指标、具体采用全流动贯入仪4和流变仪5型号和规格等，在不脱离本发明精神和原则的前提下，相应的指标调整、仪器型号选择等内容延伸均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于海积超软土强度与流变特性测试的组合试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对海积超软土试样开展强度试验，采用全流动贯入仪测试，获取某一参考剪切应变率下的不排水剪切强度值；具体为：全流动贯入仪进行测试时，采用循环测试的手段，控制全流动贯入仪在测试土样中循环贯入与拔出，仪器探头形式、循环次数、循环速度、循环区间指标根据实际测试需求选择，土样逐渐剪切直至强度不再降低，由此获得某一参考剪切应变率下测试土样的初始与重塑不排水剪切强度、灵敏度强度特性参数；

第二步，开展流变试验部分，采用流变仪测试，获取随剪切应变率变化的强度曲线；具体为：在流变仪测试过程中，仪器配套转子包括桨式转子和无端型转子两类，用于去除转子轴杆侧摩阻力对结果的影响，采用剪切应力控制输出剪切应变率数据，采用剪切应变率控制输出剪切应力数据，分别获得测试土样在初始状态和重塑状态下的流变特性结果，即随剪切应变率变化的强度曲线；所述的仪器型号、转子尺寸、控制区间指标根据实际测试需求选择；

第三步，将第一步强度试验部分在参考剪切应变率下测得的不排水剪切强度值作为标准强度，对相同剪切应变率下流变试验部分测得的强度结果进行标定，根据标定结果修正流变试验部分测出的强度曲线，获得不同剪切应变率条件下的不排水剪切强度结果，并给出相应的强度与流变特性参数；

所述的组合试验方法，在试验开始前，确保强度试验部分和流变试验部分在同一试验模型箱内、针对同一批次的测试土样进行试验，使两部分试验结果具有可标定的前提，即测试目标是一致的；试验开始后，首先在测试土样中间部位强度试验区域处，开展强度试验部分，强度试验部分至少对测试土样进行两次入土测试，至少包括一次正式试验和一次重复试验，用于结果检验，且每次入土测试位置间距应大于探头直径的3倍距离，避免相互间测试扰动；然后，在测试土样四周部位流变试验区域处，插入多个薄壁圆柱形钢筒，于各自圆柱筒内开展流变试验部分，流变试验部分至少对测试土样进行四次入土测试，至少包括两类仪器配套转子和两种控制手段的组合，且仪器配套转子的入土深度应与强度试验部分的测试深度保持一致，确保后续结果标定部分的测试土样部位位于同一土样深度。