温州大学学者利用GDS空心圆柱揭秘软质海洋粘土在波浪荷载下特性

在海洋岩土工程领域，软质海洋粘土在波浪荷载作用下的力学行为一直是研究的热点和难点。近期，温州大学科研团队的一项最新研究成果为我们揭开了这一领域的神秘面纱。团队利用GDS空心圆柱扭剪仪，对有限厚度海床中的软质海洋粘土在波浪荷载作用下的变形和非共轴特性进行了深入探究。

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2025.120650

*论文版权归原作者或出处所有，本文仅为学术交流。

以下是对这项成果的简要介绍：

研究背景

软质海洋粘土广泛分布于沿海地区，其高液限、高塑限和高压缩性等特点使得在其上建造的近海基础设施面临严峻挑战。波浪荷载会引发土体主应力轴的旋转，进而导致应变积累、孔隙水压上升和土体非共轴行为等一系列复杂力学现象。这些现象不仅影响土体的力学性能，还会对海上结构物的地基安全性和稳定性造成威胁。因此，准确了解海洋粘土在波浪荷载下的力学特性，对于海上基础工程的安全设计至关重要。

波浪荷载下土体的应力状态

图片来源：论文截图

研究内容与方法

本研究采用GDS空心圆柱扭剪仪，对饱和的软质海洋粘土试样进行了一系列不排水试验。试验中重点关注了垂直应力和扭矩应力之间的初始相位差（φ）以及循环应力振幅比（η）对试样变形和非共轴特性的影响。通过精确控制应力路径，研究人员能够模拟波浪荷载下土体复杂的应力状态，从而深入研究土体在主应力轴旋转过程中的力学行为。

空心圆柱试样的应力和应变状态

图片来源：论文截图

试样安装过程

图片来源：论文截图

研究成果

1. 变形特性：研究发现，试样的应变分量随初始相位差φ的增大而增大，轴向累积应变在φ=90°时达到峰值。此外，循环应力振幅比η对试样变形也有显著影响。当η=1.0时，试样变形最大，表明在总应力保持不变的情况下，轴向应力和扭矩应力相互接近时，变形更加明显。

2. 非共轴特性：研究人员提出，要准确评估土体的非共轴性，必须同时考虑非共轴角β和应力方向与应力增量之间的夹角γ。研究结果表明，初始相位差φ越小，试样的非共轴性越大。随着循环应力振幅比η的增大，出现非共轴角β峰值的主应力方向α也随之增大。

这项最新研究成果不仅为理解软质海洋粘土在波浪荷载下的复杂力学行为提供了新的视角，还为近海岩土工程设计提供了重要的理论依据。通过深入研究初始相位差和循环应力振幅比对土体变形和非共轴特性的影响，研究人员能够更准确地预测土体在实际工程中的力学响应，从而为海上基础设施的安全建设和长期稳定运行提供有力保障。

*上文为转译版本，建议结合英文原文进行对照，以确保对内容的准确理解和引用。

关于GDS空心圆柱扭剪仪

GDS空心圆柱扭剪试验系统（GDSHCA）允许将旋转位移和扭矩应用于空心圆柱体土壤样品。利用这种装置，可以控制三个主应力的大小和方向。例如，可以对以下内容进行研究:

• 土的各向异性.

• 主应力旋转的影响

• 中主应力旋转影响

GDSHCA通过特别设计成能够测试非常小的轴向应变 (最小 0.00004%)。空心圆柱系统（GDSHCA）可以完成一系列的应力路径试验。加载系统由计算机控制，应变直接在试样上测量。这些应变也可以伺服控制。可以在以下试验条件下研究:

• 平面应变.

• 简单剪切

• 轴向和旋转的非常小的剪切应变

GDS空心圆柱扭剪试验系统主机