周楊銳 ，王建華 ，李書兆

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津大學(xué) 巖土工程研究所，天津 300072）

深水海洋平臺(tái)的基礎(chǔ)大多為淺基礎(chǔ)，因此研究深水環(huán)境中淺層沉積物的工程地質(zhì)性質(zhì)對(duì)海洋深水結(jié)構(gòu)物的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)十分重要（Andersen et al，2005；Lunneetal， 2007；Randolph， 2011；Randolph，2010）。以往，我國(guó)海洋能源的開發(fā)均限于淺水區(qū)域，對(duì)深水區(qū)海底沉積物特別是海底淺層沉積物的工程性質(zhì)缺乏必要的科學(xué)認(rèn)識(shí)。深水環(huán)境中，海底淺層沉積物多為飽和軟土，這種軟土具有高含水率、高塑性指數(shù)、容重小、剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)（Andrei et al，2009；Colliat et al，2011；Le et al，2008；Thomas et al，2007），從而使這種沉積物與常規(guī)意義上的飽和軟土工程性質(zhì)相比可能存在差異。表1列出了世界范圍內(nèi)幾種深水淺層沉積物的基本物性指標(biāo)。

正在開發(fā)的南海荔灣氣田是中國(guó)第一個(gè)海洋深水氣田，擬采用水下井口采油樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行開采。水下井口處的水深大約為1 500 m。已進(jìn)行的工程地質(zhì)調(diào)查表明，該處泥面以下20 m范圍內(nèi)的淺層沉積物均為軟土，其含水率變化范圍為80%～160%，容重變化范圍為12-15 kN/m3，現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)測(cè)得剪切強(qiáng)度變化范圍為3～20 kPa；海底以下5 m范圍內(nèi)沉積物的塑性指數(shù)變化范圍為30～60，液限含水率變化范圍為70～90，小于0.005 mm的粘粒含量小于20%，無(wú)有機(jī)物?？梢?jiàn)該處的淺層沉積物與表1給出的深水淺層沉積物相比，含水量高，容重低，塑性指數(shù)高是共同特點(diǎn)。但是該處淺層沉積物的粘粒含量明顯小于表1中列出的其他深水淺層沉積物的粘粒含量。

表1 幾種深水淺層沉積物基本物性指標(biāo)

鑒于目前受到1 000 m以上深水取樣成本與取樣技術(shù)的限制，若取得不同深度的原狀土樣尚有一定困難。為了對(duì)南海海底淺層沉積物的工程地質(zhì)性質(zhì)有一個(gè)較全面的定量認(rèn)識(shí)，本文對(duì)利用重力式取樣技術(shù)獲得的水下井口處泥面以下5 m范圍的沉積物進(jìn)行了重塑，進(jìn)而對(duì)這種重塑后的深水淺層沉積物進(jìn)行了變水頭滲透試驗(yàn)、一維固結(jié)試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、k0固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)與三軸拉伸試驗(yàn)、低頻循環(huán)荷載作用下的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、模擬地震荷載作用下的固結(jié)不排水循環(huán)三軸剪切試驗(yàn)，確定該種深水淺層沉積物的靜、動(dòng)力工程地質(zhì)參數(shù)，并與其他深水軟土工程地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)土樣制備與試驗(yàn)簡(jiǎn)介

采用真空預(yù)壓方法制備試驗(yàn)土樣。真空預(yù)壓制備土樣的裝置由真空泵、排水罐及土樣制備箱組成。排水罐上部與真空泵相連，下部與土樣制備箱相連。土樣制備箱尺寸為67×49.5×47 cm。在箱底部鋪設(shè)7 cm厚的碎石反濾層，反濾層中鋪設(shè)與排水罐相連的排水管路，碎石層上面再鋪設(shè)土工布以增強(qiáng)反濾作用。為提高制備土樣的均勻性，預(yù)壓時(shí)只在土層上、下兩面設(shè)置排水邊界，側(cè)面為不排水邊界。

制備土樣時(shí)，首先按含水量140%配置泥漿，然后將泥漿放置在制備箱中，再在預(yù)壓土層上面鋪設(shè)排水土工布，然后通過(guò)管路將預(yù)壓土層上、下面的濾層連接以形成上下面排水邊界。預(yù)壓時(shí)，利用真空調(diào)節(jié)閥保持真空預(yù)壓力不大于50 kPa，以防止預(yù)壓過(guò)程中在土的四周形成硬殼。預(yù)壓后土樣的平均含水量為80%，平均容重為15 kN/m3，液限含水量76%，塑性指數(shù)38。

試驗(yàn)包括變水頭滲透試驗(yàn)、一維加卸載固結(jié)試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)、k0固結(jié)土樣的三軸壓縮試驗(yàn)與三軸拉伸試驗(yàn)、不固結(jié)不排水（UU）靜三軸剪切試驗(yàn)與低頻循環(huán)荷載作用下的三軸剪切試驗(yàn)、模擬地震荷載作用下的固結(jié)不排水循環(huán)三軸剪切試驗(yàn)。所有試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）進(jìn)行。

在變水頭滲透試驗(yàn)過(guò)程中，每隔10 min記錄水位和相應(yīng)的水溫，進(jìn)而確定標(biāo)準(zhǔn)溫度下滲透系數(shù)。

進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)時(shí)，給土樣施加的上覆有效壓力變化范圍為0.025 MPa～3.2 MPa，且當(dāng)上覆有效壓力為0.1 MPa和0.2 MPa時(shí)進(jìn)行卸載回彈試驗(yàn)。

為了進(jìn)行k0固結(jié)土樣三軸剪切試驗(yàn)，首先按以下步驟測(cè)定三軸試驗(yàn)土樣k0固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)：

（1）將土樣安置在三軸壓力室內(nèi)，施加5 kPa的圍壓，將橡皮膜與土樣之間多余的自由水排出。

（2）給土樣施加第一級(jí)圍壓σ3，打開土樣的排水開關(guān)使土樣排水固結(jié)。固結(jié)過(guò)程中，記錄土樣的排水量與軸向位移，并通過(guò)調(diào)節(jié)施加給土樣的軸向壓力使土樣的直徑保持不變，直到在該級(jí)圍壓下土樣排出的水量不在變化、且軸向位移趨于穩(wěn)定為止。記錄此時(shí)土樣受到的軸向偏應(yīng)力σ1-σ3。

（3）增大圍壓，重復(fù)第（2）步直到達(dá)到最大的預(yù)定圍壓為止。分別以σ1和σ3為橫軸與縱軸，對(duì)每一級(jí)圍壓作用下試樣穩(wěn)定時(shí)的σ1和σ3進(jìn)行過(guò)原點(diǎn)的直線擬合，擬合直線的斜率就是三軸試樣k0固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)。

共進(jìn)行了3個(gè)平行試驗(yàn)，圖1是試驗(yàn)結(jié)果，據(jù)此得出三軸土樣k0固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)為0.48，這與文獻(xiàn)（Fugro Report，2011）給出的荔灣深水場(chǎng)地原狀土樣k0固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)基本一致。（為三軸試樣軸向循環(huán)應(yīng)力）。對(duì)于不固結(jié)不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)，若σa/σf=0.0，將土樣軸向循環(huán)應(yīng)變達(dá)到10%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)；若σa/σf>0.0，將土樣軸向靜應(yīng)變與循環(huán)累積應(yīng)變之和達(dá)到10%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)破壞標(biāo)準(zhǔn)確定循環(huán)破壞次數(shù)。試驗(yàn)中的應(yīng)力循環(huán)破壞次數(shù)控制在2 000以內(nèi)。

對(duì)于模擬地震荷載作用下的固結(jié)不排水循環(huán)三軸剪切試驗(yàn)，先使土樣完成等壓固結(jié)，然后在不排水條件下給土樣施加循環(huán)頻率為1.0 Hz的軸向循環(huán)應(yīng)力直到土樣破壞為止。

所有三軸試驗(yàn)土樣的初始尺寸為：直徑3.91 cm，高8 cm。利用HX-100電氣伺服靜、動(dòng)三軸儀完成試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 k0系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

k0固結(jié)土樣三軸剪切試驗(yàn)選取的圍壓分別為：25 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa。試驗(yàn)時(shí)，首先按上述方法使土樣在三軸壓力室內(nèi)k0固結(jié)，然后在應(yīng)力控制下進(jìn)行不排水三軸剪切試驗(yàn)。按軸向應(yīng)變達(dá)到10%確定土樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)力。

（王建華等，2001）中的方法進(jìn)行不固結(jié)不排水靜三軸剪切試驗(yàn)與低頻循環(huán)應(yīng)力作用下的三軸剪切試驗(yàn)。對(duì)于低頻循環(huán)應(yīng)力作用下的三軸剪切試驗(yàn)，循環(huán)應(yīng)力頻率為0.1 Hz，圍壓取100 kPa，歸一化平均應(yīng)力σa/σf（即三軸試樣受到的軸向靜偏應(yīng)力σa與不固結(jié)不排水靜三軸壓縮強(qiáng)度之比）分別取0、0.3、0.5和0.7。對(duì)于同一歸一化平均應(yīng)力，又取不同的歸一化循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)

2.1 滲透性、壓縮性與靈敏度分析

變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定的重塑后南海荔灣深水淺層沉積物滲透系數(shù)k=2.59×10-7cm/s，這與一般軟粘土的滲透系數(shù)是同一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是明顯大于文獻(xiàn)（Andersen et al，2005）給出的世界其他深水區(qū)域淺層沉積物的滲透系數(shù)，見(jiàn)表2。這表明與表2給出的其他深水區(qū)淺層軟土相比，在南海荔灣深水區(qū)安裝基礎(chǔ)后，受擾動(dòng)軟土層強(qiáng)度恢復(fù)的時(shí)間將縮短，基礎(chǔ)會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用時(shí)的承載能力。

圖2是一維固結(jié)試驗(yàn)得到的e-lgp壓縮、回彈曲線，據(jù)此確定出的壓縮指數(shù)=0.601，平均回彈指數(shù)=0.042，為壓縮指數(shù)的0.07倍；壓縮系數(shù)a1-2=1.21×10-3kPa-1。這些指標(biāo)顯示，這是一種高壓縮性的深水沉積物。進(jìn)一步由時(shí)間平方根法計(jì)算固結(jié)系數(shù)cv=1.54×10-3cm2/s，與表2給出的固結(jié)系數(shù)相比可知，荔灣深水淺層沉積物完成固結(jié)所需時(shí)間比表2給出的其他地區(qū)深水淺層沉積物要短。盡管這里的試驗(yàn)結(jié)果是依據(jù)重塑后的沉積物得出的，但是在一定程度上也反應(yīng)了荔灣深水區(qū)原狀淺層沉積物滲透與固結(jié)特性。因此依據(jù)這里的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推論：在荔灣深水區(qū)基礎(chǔ)安裝完成后，地基達(dá)到90%的固結(jié)度所花費(fèi)的時(shí)間比表2給出的其他深水區(qū)軟土地基達(dá)到同樣固結(jié)度所需的時(shí)間要短。

對(duì)制備土樣也進(jìn)行了擾動(dòng)后的靈敏度試驗(yàn)，結(jié)果表明，制備土的靈敏度大于3。對(duì)荔灣原狀土樣進(jìn)行的靈敏度試驗(yàn)結(jié)果顯示（Fugro Report，2011），原狀土的靈敏度變化范圍在3-7之間?？梢?jiàn)，荔灣深水區(qū)淺層沉積物是中高靈敏的軟弱沉積物。

表2 幾種深水沉積物的滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)與靈敏度

圖2 e-lgp壓縮曲線

2.2 K0固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 k0固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

k0固結(jié)三軸土樣的不排水壓縮強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度是分析深水軟土地基上重力式基礎(chǔ)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)（Andersen et al，2005；Randolph et al，2010）。圖3給出了由不同圍壓下k0固結(jié)不排水三軸壓縮與三軸拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，按10%的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)確定壓縮強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度（角標(biāo)f表示破壞），結(jié)果見(jiàn)表3。進(jìn)一步，分析是否可以利用k0固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定的Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)k0固結(jié)三軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果。為此，首先依據(jù)表3中的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4與表3。然后據(jù)此預(yù)測(cè)三軸拉伸試驗(yàn)的，表3給出了預(yù)測(cè)結(jié)果。表3中的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果比較表明，預(yù)測(cè)結(jié)果明顯小于試驗(yàn)結(jié)果。因此，這里的試驗(yàn)結(jié)果顯示，不能依據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則建立該種深水淺層沉積物k0固結(jié)后三軸壓縮強(qiáng)度與三軸拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系。但是可以依據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)分別建立k0固結(jié)后三軸壓縮強(qiáng)度與三軸拉伸強(qiáng)度的變化關(guān)系。圖5是依據(jù)k0固結(jié)三軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果做出的土樣破壞時(shí)的應(yīng)力圓與Mohr-Coulomb強(qiáng)度包線，據(jù)此確定相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果也見(jiàn)表3。

圖4 三軸壓縮時(shí)的抗剪強(qiáng)度包線

圖5 三軸拉伸時(shí)的抗剪強(qiáng)度包線

表3 k0固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

2.3 不固結(jié)不排水靜強(qiáng)度與循環(huán)強(qiáng)度

分別在50、100、200 kPa圍壓下進(jìn)行不固結(jié)不排水（UU）靜三軸壓縮與拉伸試驗(yàn)，進(jìn)而按前述破壞標(biāo)準(zhǔn)確定不排水靜強(qiáng)度（σ1-σ3）f，結(jié)果為23 kPa。這表明該重塑土的UU靜強(qiáng)度與文獻(xiàn)（Fugro Report，2011）給出的原位10-20 m埋深土層的不排水靜強(qiáng)度相近。以靜強(qiáng)度（σ1-σ3）f為規(guī)一化參數(shù)，對(duì)不同圍壓下的UU靜三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行規(guī)一化處理，見(jiàn)圖6。進(jìn)行循環(huán)三軸試驗(yàn)時(shí)，按文獻(xiàn)（王建華等，2001）中的方法依據(jù)歸一化應(yīng)力應(yīng)變曲線給土樣施加平均應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力。

圖6 歸一化應(yīng)力應(yīng)變曲線

通常將土的循環(huán)強(qiáng)度理解為在給定循環(huán)次數(shù)下，達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的平均應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力之和。式（1）給出了由循環(huán)三軸試驗(yàn)確定的循環(huán)強(qiáng)度關(guān)系。

由UU循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果，按前述破壞標(biāo)準(zhǔn)，確定與一定循環(huán)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的循環(huán)破壞次數(shù)，進(jìn)而做出歸一化循環(huán)強(qiáng)度（循環(huán)強(qiáng)度與靜強(qiáng)度之比）隨循環(huán)破壞次數(shù)的變化關(guān)系曲線，結(jié)果見(jiàn)圖7。再依據(jù)圖7，做出同一循環(huán)破壞次數(shù)下歸一化循環(huán)強(qiáng)度隨歸一化平均應(yīng)力（平均應(yīng)力與靜強(qiáng)度之比）的變化關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8中還給出了一種渤海灘涂重塑軟粘土的歸一化循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系，渤海灘涂軟粘土含水量=40.58%，塑性指數(shù)=18.3，天然容重=17.63 kN/m3，試驗(yàn)時(shí)施加的圍壓為30 kPa。對(duì)比圖8中兩種土的試驗(yàn)結(jié)果表明，它們的變化趨勢(shì)一致，即同一循環(huán)破壞次數(shù)下，歸一化循環(huán)強(qiáng)度隨歸一化循環(huán)平均應(yīng)力的增加而增加；不同在于同一循環(huán)破壞次數(shù)、同一歸一化平均應(yīng)力對(duì)應(yīng)的深水沉積物的循環(huán)強(qiáng)度比渤海灘涂飽和軟粘土的歸一化循環(huán)強(qiáng)度高。由于通過(guò)試驗(yàn)確定深水原狀土的不排水循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系需要大量原狀試驗(yàn)土樣，這在目前的深水工程勘察中還存在較大困難。因此，這里利用重塑后的深水土樣獲得的不排水歸一化循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系需要大量原狀試驗(yàn)土樣，這在目前的深水工程勘察中還存在較大困難。因此，這里利用重塑后的深水土樣獲得的不排水歸一化循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系可以作為分析深水基礎(chǔ)在低頻循環(huán)荷載作用下穩(wěn)定性的參考。

2.4 地震荷載作用下的固結(jié)不排水動(dòng)力特性分析

在固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)中，給土樣施加的固結(jié)圍壓為60 kPa，這相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)埋深10 m以上的土層。這里的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)土樣軸向峰峰動(dòng)應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，土樣中的振動(dòng)累積孔壓大約為0.9倍的圍壓，也就是在強(qiáng)地震荷載作用下，這種高含水率的深水淺層沉積物會(huì)產(chǎn)生高的震動(dòng)累積孔壓，從而使土的強(qiáng)度明顯弱化。依據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，按10%的峰峰振動(dòng)應(yīng)變確定振動(dòng)破壞次數(shù)，圖9是相應(yīng)的動(dòng)強(qiáng)度曲線，圖中的σc是試驗(yàn)時(shí)給土樣施加固結(jié)壓力，σf，cy土樣達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)應(yīng)力。在考慮基礎(chǔ)的抗震性能時(shí)，如果設(shè)計(jì)地震荷載導(dǎo)致的土層地震剪應(yīng)力大于土層的動(dòng)強(qiáng)度，盡管這種深水淺層沉積物不會(huì)發(fā)生液化，但是由于土層中存在較高的震動(dòng)累積孔壓、土層強(qiáng)度明顯弱化，并可能導(dǎo)致這種土層上的重力式基礎(chǔ)產(chǎn)生明顯的震陷變形。

圖7 歸一化循環(huán)強(qiáng)度曲線

圖 9 固結(jié)不排水動(dòng)強(qiáng)度曲線

3 結(jié)論

南海深水淺層沉積物是一種高含水量的特殊軟弱沉積物。以往對(duì)于此類沉積物的工程性質(zhì)必要的認(rèn)識(shí)，為此本文對(duì)重塑后的南海荔灣深水淺層沉積物的工程性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）南海荔灣深水區(qū)淺層沉積物具備飽和軟粘土所有物性特征，它的滲透系數(shù)與一般軟粘土的滲透系數(shù)屬同一數(shù)量級(jí)，但是比世界其他深水區(qū)淺層軟土滲透系數(shù)大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明在該深水區(qū)安裝基礎(chǔ)后，受擾動(dòng)軟土層強(qiáng)度恢復(fù)時(shí)間將短于其他深水區(qū)的恢復(fù)時(shí)間。

（2）該深水淺層沉積物屬高壓縮性、中高靈敏度的軟土。對(duì)于該土層上的重力式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的沉降量可能較大，但是與世界其他深水區(qū)淺層軟土上的重力式基礎(chǔ)相比，達(dá)到相同固結(jié)度時(shí)所需時(shí)間相對(duì)較短。

（3）如果利用Mohr-coulomb強(qiáng)度理論描述該深水淺層沉積物k0固結(jié)不排水三軸壓縮強(qiáng)度與三軸拉伸強(qiáng)度的變化，則三軸壓縮試驗(yàn)的Mohrcoulomb強(qiáng)度參數(shù)完全不同于三軸拉伸試驗(yàn)的Mohr-coulomb強(qiáng)度參數(shù)。

（4）低頻循環(huán)荷載作用下，該深水淺層沉積物不排水循環(huán)強(qiáng)度的變化規(guī)律與一般飽和軟粘土的變化規(guī)律基本一致。本文給出的歸一化不排水循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系可以作為分析南海荔灣深水區(qū)重力式基礎(chǔ)在低頻循環(huán)荷載作用下穩(wěn)定性的參考。

（5）強(qiáng)地震荷載作用下，此種深水淺層沉積物中的振動(dòng)累積孔壓不會(huì)達(dá)到震動(dòng)液化的條件。但是土層中會(huì)累積較高的孔隙水壓力，從而使土層強(qiáng)度明顯弱化，并可能導(dǎo)致土層產(chǎn)生較大震陷。

南海深水淺層軟弱沉積物工程性質(zhì)是一個(gè)全新的問(wèn)題，本文對(duì)重塑后的南海荔灣深水區(qū)淺層沉積物進(jìn)行了多種試驗(yàn)研究，以便對(duì)這種高含水率、高液限、高塑性指數(shù)、低容重的深水淺層沉積物工程性質(zhì)有一個(gè)定量認(rèn)識(shí)，從而為深水基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)提供一些可供參考的科學(xué)數(shù)據(jù)。

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