海洋沉积物力学特性及其弹塑性本构模型

刘文化; 杨庆; 孔纲强; 李吴刚; 林欣怡; 洪国钱; 王忠涛

doi:10.11779/CJGE202210009

海洋沉积物力学特性及其弹塑性本构模型 English Version

1.
江南大学环境与土木工程学院, 江苏无锡 214122
2.
大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 116024
3.
河海大学土木与交通学院, 江苏南京 210024

基金项目:

国家自然科学基金重点项目 51639002

国家自然科学基金青年项目 52009049

国家自然科学基金青年项目 51709129

详细信息

作者简介:
刘文化(1987—)，男，博士，副教授，主要从事软弱土处理与资源化利用及土的本构关系研究。E-mail：wenhualiu@jiangnan.edu.cn

中图分类号: TU432
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-07
- 网络出版日期: 2022-12-11
- 刊出日期: 2022-09-30

Mechanical properties and elastoplastic constitutive model of undisturbed marine sediment

1.
School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2.
State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
3.
College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210024, China

摘要

摘要: 海洋沉积物的工程性质决定着海洋平台等海底锚固系统的安全稳定。针对南海科考2020年嘉庚号共享航次获得的南海西部深海沉积物，开展南海西部海域深海原状和重塑沉积物的固结试验和三轴排水剪切试验，探讨结构性对原状海洋沉积物的力学和变形特性影响。通过分析海洋沉积物的沉积环境和胶结结构性的形成过程，对原状海洋沉积物的有效应力进行修正，定义结构性因子，假设原状海洋沉积物的正常固结压缩指数为结构性因子的函数，引入结构性因子发展式并结合修正剑桥模型，提出考虑原状海洋沉积物胶结结构性的弹塑性本构模型，并通过与试验结果的对比，验证了其有效性。研究结果表明：原状海洋沉积物的压缩曲线具有明显的非线性特征，其压缩性随着荷载增大而迅速增大，压缩曲线逐渐趋近于重塑土；相同围压条件下原状海洋沉积物的抗剪强度低于重塑土，体变则大于重塑土；所建立的弹塑性本构模型能够较好地描述不同受力状态下原状海洋沉积物的应力–应变特征。研究成果将为海底锚固系统的稳定性分析和海底工程灾害的防治提供理论基础。
- 海洋沉积物 /
- 土体结构性 /
- 结构性因子 /
- 本构模型
Abstract: The safety and stability of submarine anchoring system of marine platforms are dependent on the engineering properties of marine sediment. The consolidation tests and triaxial drainage shear tests are carried out on undisturbed and remolded deep-sea sediment in the western basin of South China Sea obtained by the Jiageng shared voyage in 2020. The effects of structure on the mechanical and deformation characteristics of undisturbed deep-sea sediment are discussed. By analyzing the sedimentary environment of marine sediment and the formation process of inter-particle cementation, the effective stress is modified, and the degree of structure is newly defined. The normal compression index is assumed to be a function of the degree of structure. By introducing an evolution law for the degree of structure, an elastoplastic constitutive model considering the inter-particle cementation of undisturbed marine sediment is established based on the modified Cam-clay model. The effectiveness of the constitutive model is verified by comparing the predicted results with the experimental ones. The results show that the compression curve of undisturbed deep-sea sediment is highly nonlinear, and its compressibility increases rapidly with the increase of loads, and the compression curve of undisturbed deep-sea sediment gradually approaches that of the remolded sediment. Under the same confining pressure, the shear strength of the undisturbed sediment is lower than that of the remolded sediment, while the volume change of the undisturbed sediment is greater than that of the remolded sediment. By comparing the consolidation and triaxial shear test results with the predicted results, it is found that the proposed model can describe the stress-strain characteristics of undisturbed marine sediment well under different stress states. The research results will provide a theoretical basis for the stability analysis of submarine anchorage system and the prevention and control of submarine engineering disasters.
- marine sediment /
- soil structure /
- degree of structure /
- constitutive model

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0. 引言

灌注桩具有地质适应性强、承载力高等特点,是目前工程建设中最主要的基础形式,广泛应用在桥梁工程中^[1-5]。在桥梁服役过程中,由于环境和外部荷载作用,桥梁桩基水下部分会出现混凝土剥落、破损、断裂等质量问题^[6-8],三维成像声呐技术能够直观准确的识别桩基水下及泥面以上部分的结构病害情况,因此基于三维成像声呐的水下试验和点云数据处理技术研究对确保整个桩基工程的质量和安全具有重要意义^[9-10]。目前三维成像声呐的研究基本上处于设备硬件研发和实际应用的范围,尚缺少“模型试验-数据处理-工程应用”系统性的研究,本文基于三维声呐点云的模型试验,进行了水下目标物缺陷识别、尺寸测量以及点云数据后处理方法研究和桥梁桩基现场试验,充分验证了三维成像声呐在桥梁桩基水下部分检测的适用性,为该技术应用于水下结构检测提供了参考。

1. 试验

1.1 试验设备

试验由美国BlueView公司研制开发三维成像声呐系统对点云数据进行采集,系统硬件部分包括声呐发生器、云台、三角支架、计算机等组成。

1.2 试验方案

试验共设计3个试件,圆柱体混凝土试块2个,带缺陷圆柱体木质试件1个,试件尺寸见表1。试验主要研究三维成像声呐对水下不同材质、不同尺寸、以及不同缺陷结构形式的识别和测量效果。

表 1 试件尺寸参数

Table 1. Size parameters of specimens

序号	试件编号	形状	材质	尺寸r×h/cm	备注
1	WSC - ^#1	圆柱体	混凝土	2.5×10.0	—
2	WSC -^#2		混凝土	5.0×15.0	—
3	WSW-^#3		木质	15×100.0	带缺陷

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为减少环境对声呐数据采集造成影响,选择在平面尺寸为21 m×50 m,深度1.8 m的水池中进行声呐试验,并在试验目标物底下垫上粗糙多孔的防滑垫,目的在于减少声波在瓷砖表面发生较强反射,从而获得更加准确的数据。

2. 数据处理

试验通过三维成像声呐发射固定频率声波波束,在触及目标物后接收到反射声波,从而获得目标物的外形轮廓坐标数据,最后生成点云图像。由于外部环境影响,原始点云图像存在较多的噪点,如图1所示。

图 1 试件点云原始数据

Figure 1. Original data of point cloud of specimens

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为了更好的分析三维成像声呐对水下结构的识别和测量效果,本文提出了数据后处理方案：①人工删减原始数据,去除大面积噪点；②对单次采集点云数据进行滤波处理,对原始数据进行压缩并去除离散点；③对处理后的图像进行尺寸测量。

2.1 点云滤波处理

本文根据点云噪声特征进行不同的滤波处理。

（1）半径滤波通过统计一定半径区域内点的个数来去除离散点。可依据点云的不同特征定义多种条件,定义条件为点在x,y和z维度下的取值同时满足某个值域,则可以在指定3D空间内对点云进行裁剪。假设有n个点云,对这部分点云进行半径滤波。设定近邻点数量为k,半径为r。然后遍历每一个点云。i=1,2,…,n。以第i个点云为圆心,在其r半径内,若有k个点云,则该第i个点云将被保留；若其r半径内,点云个数少于k个,则该第i个点云将被去除。

（2）体素滤波主要对点云数据进行压缩,在保证点云图像主体结构不变的情况下减少点的数量。用于密集型点云的预处理中,以加快后续配准、重建等操作的执行速度。

（3）高斯统计滤波是最常用的滤波处理方式,通过统计某个点于相邻点之间的平均距离来去除离散点。设定去除离散噪点前的点云集合为 $A =$ ${a_{i},$ $i = 1, 2, n}$ ,去除噪声后点云集合 $A^{'} = {a_{i}, i = 1, 2, m}$ 。用b_i表示a_i到邻域中k个点的平均距离。算法中A所有点到其各自邻域的平均距离服从高斯分布且形状由均值和标准差决定。令所估计点平均距离a为其标准差,则记为 $S (μ, σ)$ ,且有如下公式：

$μ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} S_{i}}{n}$ ,

(1)

$σ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} {(S_{i} - μ)}^{2}}{n}$ 。

(2)

所有位于（μ-std×σ,μ+std×σ）范围外的点即可认为是大尺度噪声点,设k值为估算平均距离的邻域点大小,标准差倍数控制筛选阈值。设目标点坐标为（X_m,Y_m,Z_m）,领域内某点N坐标为（X_n,Y_n,Z_n）,则

$S_{N} = \sqrt{{(X_{m} + X_{n})}^{2} + {(Y_{m} + Y_{n})}^{2} + {(Z_{m} + Z_{n})}^{2}}$ ,

(3)

$\bar{s} = \frac{\sum_{n = 1}^{K} S_{N}}{k}$ 。

(4)

S_N服从一个位置参数μ、尺度参数为 $σ$ 的概率分布,且其概率密度函数为

$f (S_{N}) = \frac{1}{\sqrt{2 π σ}} exp (- \frac{{(S_{N} - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$ ,

(5)

$S_{max} = (\bar{s}) + n σ \cdot std$ ,

(6)

式中,std为标准差倍数阈值。

对点云原始数据进行大面积噪点人工删减后再经上述滤波处理得到图2所示点云图像,点云图像能够清晰反映设备扫描侧的形状轮廓。

图 2 原始数据经滤波处理后点云图像

Figure 2. Point cloud images of original data after filtering

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2.2 尺寸测量

点云滤波处理后,对点云图像进行切面处理,选择一个剖面测量试件尺寸。对试件WSC - ^#1、WSC - ^#2两个试件进行尺寸测量,如图3所示,经滤波处理后对点云图像进行测量,测得圆柱高度分别为15,10 cm与试件实际尺寸基本吻合,由于测量过程存在主观因素影响,试验结果存在一定误差,但误差能够保持在厘米级,完全满足工程应用需求。

图 3 试件WSC - ^#1及WSC - ^#2尺寸测量

Figure 3. Dimensional measurements of WSC - ^#1 and WSC - ^#2

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对带缺陷圆柱体木桩WSW-^#3试件的高度和缺陷尺寸进行测量,试件及缺陷尺寸如图4所示。

图 4 WSW -^#3试件模型及缺陷尺寸

Figure 4. Model and defect sizes of WSW - ^#3

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为方便试件点云图像尺寸测量,将桩的点云图旋转90°,右侧为桩底,左侧为桩顶,下侧为缺陷侧,尺寸测量如图5所示,测量结果见表2。

图 5 试件WSW-^#3尺寸测量

Figure 5. Measurements of specimen sizes of WSW-^#3

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表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据

Table 2. Measured data of defective specimens

序号	位置	实际尺寸	测量尺寸	误差
1	下部缺陷宽度	10	10	0
2	下部缺陷深度	5	4	1
3	缺陷距离	30	29	1
4	上部缺陷宽度	5	3	2
5	上部缺陷深度	10	11	1

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测量结果表明：点云图像能够清晰显示缺陷位置,对数据后处理后的点云图像进行测量,试件各个部位测量尺寸与实际尺寸误差在2 cm以内,满足实际工程测量精度需求。

3. 工程应用

某高速桥梁左幅建成于1994年,桥梁下部结构为桩柱式桥台,桩柱式桥墩,墩柱直径1.0 m,桩基直径1.2 m。现场采用声学可视化检测技术对水下结构进行检测,并在检测完成后进行抽水验证。

选取其中一根桩基进行声纳扫测分析,原始点云数据如图所示,进行大面积噪点人工删减和软件滤波处理后,得到点云图像如图所示,数据后处理后的点云图像能够清晰显示桩基轮廓。对点云图像断面进行测量,桩基础部分点云断面缩小,结合设计图纸判断该桩基存在混凝土大面积剥落现象。

3.1 声呐数据处理及尺寸测量

为测得混凝土剥落厚度和长度,选取桩基竖向断面并对点云图像3个不同位置进行测量,如图6所示,测得剥落厚度为0.12,0.18,0.11 m,平均值为0.14 m；剥落长度为0.93,0.94,0.97 m,平均值为0.95 m。

图 6 桥梁桩基三维成像声呐数据处理

Figure 6. Data processing of bridge pile foundation

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3.2 现场试验验证

为验证声呐数据的测量精确度,在抽水后采用人工进行测量,现场实测混凝土剥落厚度分别为0.15,0.16,0.14 m,平均值为0.15 m；剥落长度分别为1.01,0.99,0.95 m,平均值为0.98 m,现场实测照片如图7所示。

图 7 桥梁桩基水下结构病害现场测量

Figure 7. Field measurements of bridge pile foundation

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通过对比声呐与人工测量数据,两种方法测量混凝土剥落厚度平均值误差在1 cm,剥落长度平均值误差在3 cm,基本满足桥梁检测现场检测需求。

4. 结论

（1）三维成像声呐扫测原始数据存在较多噪点,在经过滤波处理后,能够清晰呈现目标物部分外形轮廓,保留目标物几何信息,并能够较好识别试件缺陷。

（2）对滤波处理后的点云图像尺寸测量结果准确,其中混凝土试件高度测量尺寸与实际基本吻合,带缺陷木桩试件部位尺寸在低于5 cm时,误差较大,尺寸大于10 cm误差较小,整体误差保持在2 cm以内。

（3）三维成像声呐应用于桥梁桩基水下部分的外观完整性检测效果较好,能够直观呈现桩基外观特征,识别桩基外观缺陷。

（4）经过将三维成像声呐的测试数据与现场测量数据对比,三维成像声呐能够较准确测量桩基混凝土剥落厚度,误差在3 cm内,满足工程检测需求。

图 1 海洋沉积物取样设备、取样过程及原状样照片

Figure 1. Photos of sampling equipment, sampling process and undisturbed samples of marine sediment

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图 2 南海西部某海域海洋沉积物的颗粒级配曲线

Figure 2. Grain-size distribution curve of marine sediment in western basin of South China Sea

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图 3 南海西部某海域海洋沉积物的XRD衍射图谱

Figure 3. XRD patterns of marine sediment in western basin of South China Sea

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图 4 原状海洋沉积物三轴试样

Figure 4. Triaxial sample of undisturbed marine sediment

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图 5 重塑样制样过程

Figure 5. Preparation process of remolded samples

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图 6 原状和重塑海洋沉积物的一维固结压缩曲线

Figure 6. Compression curves of undisturbed and remolded marine sediments

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图 7 原状和重塑海洋沉积物的固结排水三轴剪切试验结果

Figure 7. Results of consolidated drained triaxial compression tests on undisturbed and remolded marine sediments

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图 8 原状和重塑海洋沉积物的典型电镜扫描图片

Figure 8. Representative SEM images of undisturbed and remolded marine sediments

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图 9 原状和重塑海洋沉积物的正常固结线

Figure 9. Normal consolidation lines of undisturbed and remolded marine sediments

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图 10 原状海洋沉积物屈服面

Figure 10. Yield surfaces of undisturbed marine sediment

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图 11 上海附近海域海洋土固结试验与预测对比

Figure 11. Tested and predicted consolidation behaviors of Shanghai marine clay

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图 12 温州附近海域海洋土固结试验与预测对比

Figure 12. Tested and predicted consolidation behaviors of Wenzhou marine clay

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图 13 上海附近海域海洋土三轴排水剪切试验与预测对比

Figure 13. Tested and predicted drained triaxial values on Shanghai marine clay

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图 14 温州附近海域海洋土三轴排水剪切试验与预测对比

Figure 14. Tested and predicted drained triaxial values on Wenzhou marine clay

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图 15 南海西部海域海洋沉积物固结试验与预测对比

Figure 15. Tested and predicted consolidation behaviors of marine sediment in western basin of South China Sea

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图 16 南海西部海域海洋沉积物三轴排水剪切试验与预测对比

Figure 16. Tested and predicted drained triaxial values on marine sediment in western basin of South China Sea

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表 1 南海西部某海域海洋沉积物的物理性质指标

Table 1 Physical properties of marine sediment in western basin of South China Sea

天然密度 ρ/(g·cm^-3)	含水率 w/%	相对质量密度G_s	孔隙比 e	液限 w_L	塑限 w_p	塑性指数 I_p	渗透系数 k/(m·s^-1)	有机质含量 /%
1.39	110.21	2.65	3.01	67.29	46.16	21.13	5.36×10^-8	8.21

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表 2 模型计算参数

Table 2 Parameters of model

土类	M	${\lambda _{{\text{ r}}}}$	${\lambda _{{\text{ i}}}}$	$\kappa$	$\mu$	${e_\text{IC}}$	${p'_{{\text{b}}0}}$ /kPa	${m_{\text{v}}}$	${m_{\text{d}}}$
上海附近海域海洋土温州附近海域海洋土南海西部深海沉积物	1.28 1.29 1.40	0.126 0.214 0.197	0.1005 0.1730 0.1230	0.050 0.025 0.020	0.15 0.15 0.35	2.60 3.78 4.11	31.0 5.6 13.2	85.0 60.0 22.0	3.0 5.0 2.0

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图(16) / 表(2)

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0. 引言
1. 试验
1.1 试验设备
1.2 试验方案
2. 数据处理
2.1 点云滤波处理
2.2 尺寸测量
3. 工程应用
3.1 声呐数据处理及尺寸测量
3.2 现场试验验证
4. 结论

海洋沉积物力学特性及其弹塑性本构模型 English Version

作者简介: 刘文化(1987—)，男，博士，副教授，主要从事软弱土处理与资源化利用及土的本构关系研究。E-mail：wenhualiu@jiangnan.edu.cn

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