利用单剪SHANSEP试验方法评价海洋粘性土强度

周松望，周杨锐，李亚，张炜，董明明，刘双双

（1.中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451； 2.中海油研究总院，北京 100027）

海洋粘性土的不排水抗剪强度可以通过室内微型电动十字版 （MV）、原位十字板 （in-situ Vane）、三轴不固结不排水试验（UU）和单剪试验（DSS-DirectSimple Shear）等方法获得。目前国内外常采用UU和MV结果来确定粘性土的设计不排水抗剪强度。由于室内UU、MV和DSS试验所需的样品，在取样器贯入、取样后上覆应力释放、样品处理和包装运输等过程中都会引起土的扰动，而土的力学参数对试样的扰动又十分敏感，因此试验结果往往不能准确反映粘性土的原位真实强度。原位十字板和静力触探（CPT）是目前国内外比较推崇原位测试方法，但由于受作业水深浅、作业效率低、测试设备技术要求高和费用高昂的限制，并没有在国内得到广泛应用。而SHANSEP试验（Stress History and Normalized Soil Engineering Properties）是室内试验克服土样扰动性的一种正确评价粘土固结不排水抗剪强度的方法，该方法首先由Ladd等（1974）提出。SHANSEP试验通过K0条件下固结不排水剪切试验，只有固结压力为土样原位前期固结压力1.5～2.5倍，才能克服土样扰动的影响，测得的固结不排水抗剪强度才更能反映土的原位强度特征。

SHANSEP试验过程提供了一个合理的归一化模式，适用于结构性不强的土，因此对于高灵敏度的土不推荐采用此方法（Le etal，2008）。王淑云等（2003）对连云港粘土用静三轴设备进行了SHANSEP试验，采用三轴等压固结剪切试验（CIU）代替三轴不等向固结剪切试验（Ck0U），再对CIU试验结果进行修正得到Ck0U条件下的归一化不排水强度与超固结比之间的关系式，试验结果与世界其他地区粘土的试验结果具有很好的可比性。胡海军等（2007）认为SHANSEP试验方法能合理考虑分期施工过程地基土的强度增长。

中国南海浅水区域（水深小于300m）的粘性土主要为粉质粘土，塑性指数（IP）平均值12.7左右。目前而以单剪设备对中国南海粘性土进行SHANSEP试验尚未见报道。本文以静单剪设备，在k0固结不排水条件下，进行SHANSEP试验，再结合原位静力触探（CPT）测试结果，评价南海某石油平台场址粘性土的不排水抗剪强度以及SHANSEP试验方法对南海粘性土的适用性。

1 样品的获取和物理性质

以南海某平台场址的钻孔取样，进行SHANSEP试验。取样方法为液压薄壁取样，取样器外径为75mm，内径为72mm，面积比8.5%，取样管长1m，取样连续贯入速率为2 cm/s。平台场址水深93.7 m，钻孔终孔深度为海底泥面下140.9m，钻遇地层主要为粘性土，约占87.8%，在粘性土中粉质粘土（IP≤17）约占83%，粘土（IP＞17）约占17%。本文选取两个有代表性的粘土样品进行SHANSEP试验。土的基本参数见表1。

根据一维固结试验的Δe/e0结果，按照Lunne等（2002）方法（表2）评价样品质量。其中9.5m土样OCR=3.1，Δe/e0=0.071，质量等级为差；73.7m土样，OCR=1，Δe/e0=0.23，质量等级为非常差，说明试验样品扰动严重。同时也表明采用SHANSEP试验很有必要，可以用来消除由于土样扰动对试验结果的影响。由于土样扰动，计算土的原位超固结比时，没有采用逐级加荷一维固结试验结果，而是采用CPT计算结果。

表1 土的基本参数

表2 土样品质量评价

2 基于静单剪设备的SHANSEP试验方法

SHANSEP试验方法如下：

（1）首先计算土的原位超固结比（OCR），可以采用逐级加荷一维固结试验、等应变固结试验（CRS）或CPT测试数据计算出，本文采用CPT数据计算出土样的原位OCR。

（2）根据土的原位超固结比和上覆有效应力（σv0），计算出静单剪试验的初始固结压力，一般初始固结压力为2倍的前期固结压力（Pc）。

（3）在2Pc固结压力下，固结稳定后，然后再分别卸载至OCR=1、2、4等，不同OCR下的试验再固结压力见表3，回弹稳定后，进行等体积不排水剪切试验，剪切至到剪切应变达到20%。

（5）根据归一化的剪切强度与OCR的关系式，对任意超固结比和上覆有效应力，就可求出土的原位抗剪强度。

本次静单剪试验设备为GCTS-100，试验过程按照 ASTM（D6528-00）和 Norsok Standard G-001，该过程为k0状态下的固结不排水剪切。固结稳定的标准为轴向应变每小时小于0.05%。剪切过程中剪切速率为5%/h，剪切过程中始终保持常体积，即轴向位移小于±0.002 5mm。剪切试样直径5 cm，高度2 cm。

表3 SHANSEP试验固结压力

3 试验结果与分析

3.1 归一化的剪应力与剪切应变之间的关系

图1 归一化剪应力与剪切应变的关系

归一化剪应力随剪应变增大而增大，最后趋于平缓。在相同的剪应变情况下，OCR越大，归一化剪应力也越大。

3.2 归一化的孔隙水压力与剪切应变之间的关系

由于剪切试验过程中，始终保持常体积，剪切引起的孔隙水压力等于法向有效应力的变化，即剪切开始时的法向有效应力减去剪切过程中的法向有效应力9.5m和73.7m归一化孔隙水压与剪切应变的关系分别见图 2（a）和图2（b），其中为剪切过程中法向应力。

图2 归一化的孔隙水压力与剪切应变的关系

从图2中可以看出：

（1）OCR=1时，随剪应变的逐渐增大，归一化孔压逐渐增大，法向应力逐渐减小，说明土一直有剪缩的趋势，原因在于为保持剪切过程的常体积，只有法向应力逐渐减小才能抵御土样剪缩趋势。OCR=2和4时，归一化孔压开始随剪应变增大先减小然后增大，剪切过程法向应力先增大再减小，样品先是有剪胀趋势，达到一定剪切应变后再呈现剪缩趋势，主要原因在于土的超固结状态。

（2）在相同的剪应变下，OCR越大，归一化孔隙水压力越小。

3.3 归一化剪应力与归一化的法向有效应力之间的关系

图 3（a）和图 3（b）分别为 9.5m和 73.7m样品归一化剪应力与归一化的法向有效应力之间的关系曲线。从图上可以看出：

（1）OCR=1，随归一化的剪应力增大归一化的法向有效应力逐渐减小；OCR=2和4时，随归一化的剪应力变化归一化的法向有效应力先增大后减小。

（2）相同的归一化剪应力下，归一化的法向应力随OCR增大而增大。

（3）归一化的剪应力与归一化的法向应力的关系曲线与 Koutsoftas等 （1985）的试验曲线趋势一致。

图3 归一化的剪应力与归一化的法向有效应力之间的关系

图4 归一化的不排水抗剪强度与超固结比OCR之间的关系

3.4 归一化不排水抗剪强度与OCR之间的关系

9.5 m深度的样品，归一化的不排水抗剪强度与 OCR之间关系见图 4（a），即（OCR）0.77。73.7m深度的样品归一化的不排水抗剪强度与OCR之间关系见图4（b），即（OCR）0.6966。根据土的原位固结比和上覆有效应力，进而求得SHANSEP试验土的抗剪强度，结果见表4。

3.5 讨论

表4给出了根据SHANSEP试验、三轴UU试验、室内微型电动十字板和原位CPT测试资料解释的土的强度。

在利用原位CPT资料解释粘性土的不排水抗剪强度Su值，采用Wroth（1984）建议的方法确定。

（1）粘性土SHANSEP试验比UU和MV结果要大。对9.5m处OCR大的土，与UU值比，强度提高幅度达到38.1%；73.7m正常固结的土，强度提高幅度较小，约为1.5%。

表4 试验结果

（2）SHANSEP试验结果与CPT解释结果更趋于一致。由于原位CPT为直接测试的结果，克服了土样扰动因素的影响，其解释成果更能反映土的原位强度，比较真实准确，因此也说明了SHANSEP试验能够减少土样扰动的影响。同时也说明了SHANSEP试验方法适用于中国南海粘性土强度评价。

4 结论

基于单剪设备，对两组粘性土进行了K0固结条件下的SHANSEP试验。得出如下结论：

（1）在相同的剪应变情况下，随OCR的增大，归一化剪应力也增大，但归一化孔隙水压力却减小。

（2）OCR=1时，随剪应变的逐渐增大，归一化孔压逐渐增大，法向有效应力逐渐减小，土一直呈剪缩的趋势。超固结时，归一化孔压开始随剪应变增大先减小然后增大，剪切过程法向有效应力先增大后减小，样品先是有剪胀趋势，达到一定剪切应变后再呈现剪缩趋势，主要原因为在于土的超固结状态。

（3）SHANSEP试验方法适用于中国南海粘性土强度评价，该方法得到的粘土强度，能够减少土样的扰动对强度的影响，与原位CPT测试数据解释的结果更接近。建议在缺少原位CPT和原位十字板的情况下，可通过SHANSEP试验来精确评价粘性土的强度，为工程设计提供可靠的数据。

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