1.2　海洋土的强度特性研究

1.2.1　土性剖面空间随机场特性

土性剖面的随机场模型（图1.2.1）可以基于概率论的观点描述土体各项物理力学指标的空间分布规律，揭示各土性指标之间的自相关性与互相关性，不仅是岩土工程实现可靠度设计的基础也是工程实践中指导勘察点位和取样间距的重要参考。

岩土工程的可靠度设计落后于结构工程，主要原因在于岩土参数的正确估计和建立土性剖面的概率模型较为困难。有研究指出，土体沉积过程中其矿物成分及组成存在固有的差异，使土层中不同点的土性参数呈现出变异性。在研究岩土工程可靠性问题时，必须考虑到岩土体的以下特点：①岩土是自然的产物，其各种属性随空间和时间的变异性大，有时难以估计；②岩土工程的规模和尺度比一般结构工程大，因此必须要对岩土特性随空间的变异性加以考虑；③岩土体是高度非线性材料，在不同应力水平下具有不同的变形特性，相应的极限状态方程的非线性也相当显著。

围绕土体的各种物理力学指标，众多学者研究了其沿深度方向的变化趋势及其概率分布。但如果这种变异性被直接引入到岩土工程的稳定性计算中，则使计算的土工结构物（边坡、结构物地基基础和挡土结构等）的失效概率过大，与结构物的实际安全程度不符。其原因在于天然土体不同于人工材料，地基中相邻两点土体形成的原因、时代相似或相同、矿物成分接近、土的性质不仅有变异性，还有一定的相关性。采用常规数理统计方法只能得到土性指标的点方差，无法考虑岩土材料的空间相关性，因此计算得到的失效概率偏大，不能反映地基基础安全的真实性。随机场理论的引入可以基于概率统计的观点构建土性剖面的空间随机场模型，采用随机场相关理论推求土性指标的空间平均方差，从而使土工可靠度分析趋于合理。

将土层的空间分布看成一个随机场是正确模拟土体性质的前提，可以实现土性指标统计由点特性到空间平均特性的过渡。理论上大部分的土性参数都可以认为是遵循正态或高斯分布的随机变量，所以在评价土性参数时基于正态分布建立统计方法是安全可行的。Vanmarcke（1977）最早建立了能够考虑土体空间自相关特性的随机场模型，并首次用“自相关距离”来描述土体的自相关性，给出了“自相关距离”的计算方法。随后有学者证明了可以用地质统计学理论与最大似然法来分析黏性土不排水抗剪强度指标的空间变异性，并给出了分离岩土材料固有空间变异性中测量偶然误差的方法，指出碎块效应、样本间距以及数据的平稳性都是测试误差产生的重要因素。至此，引入随机场理论，构建土性剖面的随机场模型，进而开展岩土工程的可靠度分析得到了广泛的认可。众多学者基于大量实验数据开展了样本间距、样本变异性、实验误差、平稳性、各态历经性等方面的研究，并探讨了考虑土性指标空间相关性对可靠度指标的影响，提出了不同的随机场特征参数的求解方法。尽管土性剖面的随机场模型研究已经具有了相当的深度，但岩土工程完全实现可靠度设计还有大量的工作要做。

受到海上环境条件、工程装备与工程投资的限制，海洋工程地质勘察的钻孔间距远远大于陆地工程，取样数量少，原位测试困难，因此构建土性剖面的空间随机场模型就显得愈发重要。依据样本的平稳性和各态历经性可预测土层分布与土性指标、依据相关距离可指导钻孔与取样间距，从而提高海上勘察的精准度和有效性，为地基基础与上部结构设计提供准确的岩土参数。

1.2.2　海洋土强度的获取方法

海洋土强度获取方法研究在海洋资源的开发工程中占有重要的地位，是所有海洋工程建设的基础。海洋土的工程特性直接决定了工程建设的可行性，规模及运行安全。由于海洋环境条件的特殊性，使得在陆地上广泛应用的众多岩土工程勘察测试手段在海上无法实现或费用昂贵，钻孔取样并保持原状土的应力状态也十分困难，因此有必要开展海洋土工程地质勘察技术与海洋土工程特性研究，以获取有效的海洋土物理力学参数，作为海洋工程设计的第一手资料，为海洋工程设计的准确性及海洋工程建设的安全性提供根本保障。

国际上有关海洋岩土工程勘察与海洋工程地质评价的研究起步较早，积累了大量的实测资料和经验公式，但是由于土体存在空间变异性，国外的研究成果直接应用于国内海洋工程必然导致工程建设的不安全因素或浪费。因此，结合我国海洋工程的建设，深入研究与我国海洋地质相适应的海洋岩土勘察测试手段及数据解析方法，对我国海洋工程的发展具有重要意义。

静力触探和原位十字板试验是目前海洋岩土工程中最为常用的原位测试方法。静力触探试验（cone penetration test，CPT）测量速度快、数据连续、再现性较好且操作省时省力。其通过利用准静力以恒定的贯入速率将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压入土中，同时测记贯入过程中探头所受到的阻力，根据测得的贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质。随着海洋工程的迅速发展，CPT技术在国内外海洋工程领域的使用越来越普遍，在海洋工程地质调查中起到越来越重要的作用。近年来，海上CPT设备不断改进和发展，测试精度不断提升，用于水上作业的静力触探设备不仅可在浅水作业，同时也可在深水作业，设备的改进、探头测试精度的提高和越来越多新传感器的研制和开发，将提供更加可靠的测试结果和更多的测试数据。CPT数据不仅可用于土层划分、土类判别，亦可用于估算黏性土的不排水抗剪强度、超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量、地基承载力、单桩承载力以及砂土液化判别等。图1.2.2与图1.2.3为荷兰范登堡的深海CPT设备与十字板剪切仪。

十字板试验是海洋工程中可以直接获取土体原位强度的测试技术。最早由卡德林于1948年提出，并应用于岸坡稳定性分析。因其对土体扰动小所以被认为比室内快剪和固结快剪得到的土体强度更加准确，很快得到了推广应用。十字板试验常用于黏性土不排水抗剪强度的测试，但在地基稳定性和岸坡稳定性分析中，常常使用抗剪强度指标作为基本的计算参数，因此在工程应用中如何将十字板测得的黏性土的不排水抗剪强度换算为合适的土体强度指标是关键。

在分析岸坡长期稳定性时，直接应用十字板测得的不排水强度进行设计往往过低地评估了岸坡的安全系数，因此众多学者相继提出用修正的十字板强度作为岸坡稳定性计算中的土体参数。此外，为了进一步提高原位十字板试验的测试精度，有研究针对十字板剪切仪存在的不足，提出了改进方法。例如，针对轴杆校正方法，将原来十字板与轴杆的固定连接，改为离合器连接，经过实际验证改进后的十字板剪力仪测试精度提升，能得出更加接近实际的结果，而且在工效方面也有显著的提高。近年来，微型十字板仪在室内及现场测试中得到了应用，经过与机械十字板测试结果的对比，可以看出微型十字板应用灵活，对土样的扰动更小，所得结果更加接近实际。随着海洋工程的发展，原位十字板测试方法在不断地改进和提升，出现了随钻十字板、全自动数据采集与处理、浮托式与固定式海上十字板作业平台等新型测试技术与装备，为土体抗剪强度的确定提供了更新更精确的原位测试方法。

1.2.3　海洋土的强度弱化

海洋土的强度弱化研究是保证海洋工程在波、浪、流等循环荷载作用下安全运行的基础。海洋结构物有别于陆上结构物的显著特征就是长期经受波浪力的往复作用，相应的地基基础也需重点研究在往复荷载作用下的稳定性。由于众多海洋结构物修建在海洋软土地基上，工程失败的教训表明了海洋软黏土在循环荷载作用下会出现强度的衰减，因此揭示循环荷载作用下海洋软黏土的强度衰减规律，提出有效的评价手段及工程对策具有十分重要的意义。图1.2.4、与图1.2.5分别为海洋土弱化引起的地基失稳现象与波浪作用下软黏土的场地失稳原理图。

对于往复荷载作用下地基土力学性状发生变化的问题，国内外已积累了较多的研究成果，但在以往与动力相关的设计中，往往更多关注于饱和砂土的地震液化问题。研究人员普遍认为在循环荷载作用下黏性土相对砂性土具有更强的稳定性，很少发生因累积孔隙水压力上升而引起的地基液化失稳现象。然而，事实表明很多软土地基的破坏都是由于循环荷载作用后土体的强度弱化引起的。在日本宫城县1978年地震中，软黏土地基出现了大量的裂缝和滑坡破坏；1999年台湾“9·21”地震期间造成的台湾地区大面积地表沉降，现场勘察结果表明地表破坏区下分布着低塑性黏土；交通荷载作用下修建在软土地基上的路基产生过度沉降，这些现象很难用现有的液化理论解释。最早的关于地震作用下黏性土抗剪强度特性的研究始于1966年，其后众多学者研究了地震作用下黏性土的循环弱化效应，明确了在地震中类黏性土的循环软化现象，指出粉土及黏性土在地震中有循环软化的趋势，表现为应变软化或强度降低，进而提出了类黏性土地震循环软化的分析方法，揭示了黏土的循环软化程度取决于土的灵敏度、场地条件以及地震下的地面位移量。得到当黏性土具有高超固结比、低灵敏度时即使在强震条件下也不会出现重大工程问题的结论。上述这些研究成果为开展波浪条件下黏土动力特性的研究提供了重要的参考。

波浪荷载与地震荷载相比是长周期的交变荷载且作用方式不同，地震是以加速度的方式直接作用于地基上，而波浪力则作用在上部结构的某一部位。波浪荷载的持续时间比地震荷载的持续时间长，周期长，振动幅度小，引起土中应力变化的范围远小于地震的影响。1988年Andersen结合北海重力式石油平台的建设，对德勒门黏土在波浪荷载作用下的动力特性开展了较为系统的研究，内容涉及试验方式、剪应力幅值、超固结比的影响以及确定动荷作用后土体抗剪强度的方法。其后众多学者通过开展模型试验、动三轴试验、循环单剪试验等，研究了不同初始条件与动力加荷条件下，黏性土中孔隙水压力的增长规律、循环剪切强度的变化规律、剪切模量、阻尼比的确定方法以及地基承载力的下降程度，并构建了在循环单剪条件下孔压增长的普遍模型，揭示了循环荷载作用使孔隙水对土颗粒的黏结作用消失，导致土体结构重塑，造成强度降低的机理。总之，土的类型、孔隙比、初始有效应力、超固结比、地质年代等因素都会影响土的动力循环特性，这已被大量的室内与现场试验证实。

近年来，国内对循环荷载作用下软黏土强度弱化或应变软化方面的研究较为活跃。这些研究分别针对交通荷载、地铁隧道的运营、波浪荷载以及冰荷载展开。通过大量的室内试验和现场试验，揭示了循环荷载作用下饱和黏土的孔压发展以及强度和模量的降低规律，构建了描述软黏土强度弱化的本构模型，并有针对性的分析了考虑软土弱化时不同结构物的地基稳定性。

综上所述，针对波浪荷载这种低振幅、长周期交变荷载作用下软黏土力学性质的研究仍在不断深入。