超固结粘土不排水抗剪强度的研究
第50卷第6期
港工技术
Vol.50No.6超固结粘土不排水抗剪强度的研究
刘剑涛
（中海油服物探事业部工程勘察中心，天津300451）
摘要：本文通过5个有代表性场地的室内试验和现场试验的结果，对不同条件下粉质粘土的不排水强度取值问题进行了探讨。研究显示，对于超固结粉质粘土，采用常规的分析结果进行钻井船插深预测将可能产生比较大的计算误差；针对不同的土质条件要采用不同的参数选择方法。因此，建议对于单一超固结粘土采取考虑超固结比OCR影响的方法进行不排水强度的确定。现场实测数据显示，采用上述方法进行钻井船插深预测取得了良好的效果。关键词：超固结粘土；不排水强度；UU试验；CPT；超固结比中图分类号：TU442
文献标志码：A
文章编号：1004-9592（2013）06-0047-04
（OilfieldServicesLimitedGeophysicalExplorationEngineeringSurveyCenter，Tianjin300451，China）
Abstract：Theundrainedshearstrengthisoneofthemostimportantparameterusedinspudcanpenetration
TheStudyoftheUndrainedShearStrengthofOverconsolidatedClay
LiuJiantao
depth.WiththedevelopmentofoffshoreengineeringinSouthChinaSea，ithasbeenfoundbysoilinvestigationthatthereislargedistributionofoverconsolidatedclayinacertainarea.Inthispaper，theundrainedshearstrengthofoverconsolidatedclayofthreesitesinSouthChinaSeaisstudiedbasedontestsinlaboratoryandinsitu.Itcouldbecertainerror.Therefore，amethodbasedonOCRissuggestedforCPTdata.Thedifferencebetweenthismethodandaccordingtothismethodisveryclosetothemeasureddatainpractice.
Keywords：overconsolidaedclay，undrainedshearstrength，UUtests，CPT，OCR
foundthattheundrainedshearstrengthfromUUtestsbringsagreaterrorwhentheyareusedtopredictthespudcanpenetrationdepth.TheundrainedshearstrengthfromseabedCPTwiththemostcomonlyusedmethodalsohaveathemostcomonlyusedmethodbecomeslargerwiththeincrementofOCR.Thepredictedspudcanpenetrationdepth
1引言
土体的不排水强度一直是工程设计计算当中最重要的计算参数之一。准确确定土的不排水强度，去除其中不确定因素，一直是各国研究者和工程技术人员重点关注的内容[1]。土的不排水强度受多方面因素的影响，如试验方法，加荷速率，初始应力状态，应力路径等[2]。有很多种室内或是现场试验可以用来确定土的不排水强度，常用的有三轴试验，直剪试验，十字板试验[3]等。
采用不同的试验方法得到的土体的不排水强度会有所差异，例如对于室内三轴试验，采用Bish⁃op法，重固结法和SHANSEP法得到的不排水强度就有较大的差异[4]。对于室内试验而言，试验结果
目前，钻井平台插桩分析计算方法尚无明确的行业规范标准，国际上常用的方法如Skempton法、Terzaghi法、Hanna法、Meyerhof法、SNAME法等。这些方法都属于地基土的极限承载力计算方法。对于是土体的不排水强度。
收稿日期：2012-12-25
基金项目：国家科技重大专项：20082X05056002-01-01
作者简介：刘剑涛（1979—），男，高级工程师，主要从事工程地质
勘察、海洋土性质以及土与结构物相互作用方面的研究工作。
粘性土而言，这些计算方法中最主要的计算参数就
港工会受到如下因素的影响：土体的扰动，各向异性，应变速率，应力状态，试样尺寸。这些影响在试验过程中很难全部消除[5]groot三轴试验很难获得土体真正的不排水强度提出，由于很难消除各种影响，。2004年利用LaddUU和De⁃[6]。
或CU由于室内试验存在不可克服的缺点，近年来，原位测试方法越来越得到人们的认同和重视。由于海洋环境的特殊性，CPT原位测试试验进行的难度较大，将CPT试验成为使用最为广泛的海上原位试验。如何结果与室内试验结果相结合，得到更为准确
的计算参数是海洋工程界非常关注的问题。
除了试验方法以外，土体自身不同的力学特性对于试验结果的影响尤为显著。对于正常固结粘土和超固结粘土而言，他们自身的力学特性就存在着很大的差异。早在1964年Charles等[7]就提出对于超固结粘土的UU试验和CU试验的结果需要进行相应的修正，Mesri在利用十字板试验确定不排水强
度时引入了前期固结压力[8，9]；1991年Ladd提出了著
名的SHANSEP法考虑了土体的应力历史对不排水强度的影响[8]，1995年Degroot在上述工作的基础上使该方法进一步得到完善[9]。Karlsrud等根据CPT数据和室内试验的对比分析，提出了考虑OCR和Ip影响的利用CPT确定不排水强度的经验公式。
2确定土体不排水强度的一般方法
对于现场CPT试验，粘性土的不排水强度一般采用公式（1）进行计算：
Su=
qt-σvo
（1）
Kt
其中：Nkt：经验系数，为10~30，推荐采用15~20；qt修正的锥端阻力；σ：v0：上覆压力。
在试验室中，UU试验经常用来确定粘土不排水强度。除此之外，微型十字板以及微型贯入仪也常常用来确定粘土的强度。
35个场地的地质状况和试验结果
选择同一海域中5个有代表性场地进行分析研究。其中场地2、3、4、5均为现场实施了插桩作业的海域，场地1为对比分析场地，没有进行插桩作业。
场地1的钻孔深度达到120m，其余场地钻孔深度在40.0m左右。土层研究主要集中在0.0~40.0m范围内，在这一范围，5个场地都主要由粉质粘土构成，一些场地也存在粘土土层。
率以及液限明显偏大以外，5个场地除了场地5在其余的粉质粘土的天然0.0~13.8m粘土层含水
含水量和液限非常接近。5个场地的粉质粘土的密
技术第50卷
度也非常接近，其值在18.5kN/m3左右，可见5个场地的粉质粘土的物理性质十分接近。
图1为5个场地室内UU（不固结不排水三轴试验）试验得到的不排水强度随深度变化曲线。从图中可见，通过室内试验得到的不排水强度的结果也比较接近，其中场地4的不排水强度稍大。
图1
5场地UU试验不排水强度随深度的变化
CPT结果使用经验公式确定土体不排水强度时，对于同一区域，物理性质接近的土层，在根据
则上应选取相同的经验参数。根据CPT试验结果采原
用式（1）确定不排水强度，以室内试验结果为标准确定Nkt=20。
4钻井船插深计算存在的问题
根据式（1）确定的不排水强度进行钻井船插深预测，计算方法采用Skempton法，在考虑完全回填的条件下，计算公式如下：
Q=[5.14´(1+0.2B)(1+0.2D)Suavg]A+γ'V（2）
式中：B为桩靴的宽度（或等效直径）；L为桩靴的长度，在此B=L；D为海底泥面到桩靴计算断面的深度；Suavg为不排水抗剪强度，取桩靴最大截面以下
B/2范围内平均值；γ'为桩靴排开土密度；V为桩靴排开土的体积；A为桩靴最大断面面积。
根据上述计算公式得到的预测值和实际插深的对比见表1。从表中可以看到，只有场地5预测结果和实测结果基本吻合。采用上述方法确定土体的不排水强度存在一定的问题。
为了讨论问题产生的原因，对5个场地的超固结比OCR进行了评价。采用3
种方法确定各个场地
第6期
刘剑涛：超固结粘土不排水抗剪强度的研究
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表1
实测值与预测值的比较
名称预测插深/m
实际插深/m问题场地219.011.2~14.0预测偏深场地3发生穿刺场地47.7预测偏深m处穿刺场地5
14.1~20.612.78.4~11基本吻合
的OCR。即室内试验方法），经验公式法（场地（场地1、2、1）3、，4CPT、5）方法，需要说明
（场地的是这些方法都是针对粘性土的。
1、2、3、4对于CPT方法，采用如下的公式，利用式（3），进行土体前期固结压力的计算。然后计算现有压力；利用式（4）计算OCR。
σp=k×(qt-σv0)（3）OCR=k×(
qt-σv0
)（4）
v0其中k=0.2~0.5，一般取0.33，在此取0.33。对于经验公式的方法，采用Skempton法，即：
Cu(NC)=P0×(0.11+0.0037×Ip)
（5）OCR=
Cu
（6）
u(NC)
其中P0为有效上覆压力，
Ip为塑性指数。对于场地1，采用公式（4）和（6）得到的OCR值和通过室内压缩试验得到的OCR均小于2，属于正常固结或轻微超固结粘土。
OCR值吻合较好，其上述公式和计算参数可以用来进行此海域OCR的判别。场地2、3、4、5的OCR见图2。
图2
场地2、3、4、5的
OCR
从图2可以看出，场地2在20.0m范围内超固结
比OCR均大于2，在5.0~15.0m范围内超固结比较高，20.0最大达到6左右，属于超固结土；场地3OCRm范围内超固结比大于属于严重超固结土；2，其中场地5.0m4范围内在0.0~20.0m数值很高，之间属于粉质粘土和中密实的砂土迭层，在4.0~OCR式的数据有所出入，值采用CPT确定时存在较大的波动，显示出和一般粉质粘土的明显
和经验公其不同。而20.0m以下OCR的数值接近2；场地5没有CPT数据，但根据前几个工程可见，经验公式法在不存在互层土的条件下，可以较准确地反应粉质粘土的OCR值。场地5不存在互层土，依据经验公式确定的粉质粘土层的OCR基本小于2。由此可以看
到，5个场地的土体的固结程度存在较明显的差异，场地2和3显示了比较明显的超固结状态，场地4的迭层土样表现出与其他土层明显的差异，场地1和5属于轻微超固结粘土。
5超固结粉质粘土的强度取值
上述分析显示，5个场地的基本物理，力学性质非常接近，超固结比OCR大小的差别是这些场地粉质粘土的主要区别之一。对于实施了插桩工程的场地（场地2、3、4、5），场地2的5.0~15.0m出现了明显的超固结粉质粘土，场地3粘土的超固结性质也比较明显，它与场地2的主要区别在于表层5.0m的OCR非常大，也就是说在表层5.0m出现了比较明显的硬层。场地4的主要特点是在5.0~20.0m出现了粉质粘土和中密实的砂土迭层土。进一步的分析显示，3个场地的土质特点非常鲜明。此时如果仅根据室内试验或常规CPT经验公式来进行计算显然不能反映土体这一真实特点。实际情况也显示，场地2、3、4的预测结果和实测结果都存在较大的差异。而场地5的土属于轻微超固结粉质粘土，其预测值最接近实测值。由于场地2、3、4和场地5最主要的区别之一在于其OCR的差异，在根据CPT数据确定土体不排水强度时有必要引入OCR来探讨土体的强度特性。
引入OCR对土体强度进行修正。对于场地2，其土层分布比较单一，插桩范围内主要为超固结粘土，重点对其进行分析。为了考虑超固结比OCR的影响，利用Ladd等提出的OCR与不排水强度之间的关系[10]，见式（7），对SuS进行修正，
u=a×OCRbσv0'
（7）
其中：对于OCR
取0.8。将式（4）代入（7）可以得到：
S=a×(k×qt-σv0b
u)×σv0'
v0
港工经整理后得到：
Su=a×kb×(qt-σbv0)σv0'
(1-b)
（8）
式（8）为考虑OCR的根据CPT数据确定的不排水强度，Ladd式中存在a、b、k3个系数，其中a、b的取值同a=0.22的推荐值，，b=0.8，k=0.33k的取值同。
OCR确定时的推荐值，即将由式（1）得到的不排水强度设为Su1，由式（8）得到的不排水强度设为Su2，则，
Su1qt=-σv0´u2kt
a×kb(q'
(1-b)t-σbv0)×σv0若a、b、k、Nkt均为常量，S则经整理后得到：
u1
=M×OCRn（9）u2其中M、n均为常量，由式（9）可以看到，采用不
同方法确定的不排水强度的数值的差异将随着OCR对场地的增加而增大。
2采用式（8）进行不排水强度的确定，得
到不排水强度，并将结果与采用式（1）以及室内UU试验得到的结果进行比较，见图3。从图中可以看到，对于场地2根据式（8）得到的Su验和式（1）得到的Su的数值，大于采用室内试30%，比式（1）高10%左右。
其数值比室内试验高
图3由不同方法土体不排水强度
采用式（1）得到的Su左右，而式（8）得到的不排水强度对场地进行计算则插深为2进行插深19.0m
预测，则预测结果为15.0m，与实测结果11.0~14.0m
的实际插深非常接近。
6结论
CPT试验以及现场测试数据的分析计算，本文通过对某海域5个场地室内试验，对不同地
原位
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质条件下，钻井船插深预测粉质粘土的不排水强度
取值问题进行了探讨，土体的超固结程度进行评价，1）在进行土体不排水强度确定之前，并得到如下结论。
充分考虑土体超固结有必要对
比OCR水强度有可能产生误差，2）利用室内的影响；
UU试验得到的超固结粘土的不排这种误差导致钻井船插深预测结果与实测结果相差较大；
时，宜采用3）采用OCRCPT方法进行，数据确定超固结土的不排水强度此方法与目前常用方法的差异随着4）成层土的强度特性和单一粉质粘土层存在较
OCR的增加而增大。
大的差异。实测结果显示，采用UU试验的结果进行插深预测明显低估了土层的强度，采用CU试验确定土体的不排水强度进行计算与实测结果比较接近。参考文献：
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GeotechnicalEngineeringDi⁃
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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘剑涛， Liu Jiantao
中海油服物探事业部工程勘察中心,天津,300451港工技术
Port Engineering Technology2013(6)
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