楚立鵬孫永福宋玉鵬董立峰周其坤馬彬彬張偉朋

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海200062; 3.蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州730000)

海床式靜力觸探在黃河口海底土工程特性研究中的應用

楚立鵬1,孫永福1,宋玉鵬1,董立峰1,周其坤1,馬彬彬2,張偉朋1,3

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海200062; 3.蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州730000)

海床式靜力觸探設備工作效率高,能夠?qū)崿F(xiàn)從垂向上對地層的連續(xù)探測,數(shù)據(jù)分辨率較好。通過對黃河口海域3個靜力觸探孔和1個地質(zhì)鉆孔的分析,將研究區(qū)20 m以淺地層自上而下劃分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂或粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土五層,靜力觸探曲線對粉土層中的硬殼層和粉質(zhì)黏土層中的貝殼夾層等特殊地質(zhì)現(xiàn)象有很好的反映。對粉質(zhì)黏土的靜力觸探參數(shù)與物理力學參數(shù)進行相關(guān)性分析,得到適合該區(qū)域的回歸方程。采用基于CPT數(shù)據(jù)的液化判別法,對研究區(qū)表層粉土液化可能性進行評判,通過Seed簡化法計算的周期應力比(CSR)與Olsen法計算的周期阻力比(CRR)的大小比較,得出當抗震設防烈度為7度時,研究區(qū)表層粉土不會液化,當抗震設防烈度為8度時,粉土層將發(fā)生液化,計算最大液化深度3.7 m。

黃河口海域;靜力觸探;液化評判;周期應力比;周期阻力比

隨著海洋開發(fā)力度的增大,關(guān)于海洋的調(diào)查研究和海上工程設施越來越多。無論開展海洋工程地質(zhì)調(diào)查還是海底災害地質(zhì)評價,海底土物理、力學指標的獲取都至關(guān)重要。目前我國普遍采用鉆探取樣和實驗室分析的方法獲取海底土物理、力學參數(shù),但海底沉積物具有松散、高含水率、高靈敏度的特點,導致傳統(tǒng)取樣方法不可避免的造成土體擾動,且此方法成本費用較高,操作比較麻煩[1]。靜力觸探試驗(Cone Penetration Test)作為一種快速、數(shù)據(jù)連續(xù)、再現(xiàn)性好、操作省力的原位測試方法,在海洋工程地質(zhì)調(diào)查和巖土工程勘察中的使用越來越多,正成為進行工程地質(zhì)條件定量評價及海底地質(zhì)災害調(diào)查與評價的重要手段[2-3]。靜力觸探測試結(jié)果既可用于土類判別、土層劃分,也可用于估算地基承載力、單樁承載力及砂土和粉土液化判別等[4]。靜力觸探技術(shù)目前在陸地工程勘察中的應用和發(fā)展已趨于成熟,但在海洋工程勘察中才剛剛起步[5]。通過分析重型海床式靜力觸探設備在黃河口海域?qū)崪y數(shù)據(jù),結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料,對研究區(qū)海底土類判別、土層劃分、靜探參數(shù)與土體物理力學參數(shù)相關(guān)性、液化判別等方面進行探索研究。

1 概 況

1.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)位于黃河水下三角洲埕島油田海域(圖1),該區(qū)域為黃河多次尾閭改道形成的現(xiàn)代黃河三角洲,工程地質(zhì)條件極為復雜。由于黃河尾閭的頻繁改動造成海底沉積物分布不均,且工程地質(zhì)特征在不同區(qū)段差異較大。近幾十年,由于黃河改道和徑流量急劇下降,泥沙來源趨于斷絕,在波浪、潮流、風暴潮及地震等外荷載作用下,在河口地區(qū),尤其是在1976年以前老河口地區(qū)海底遭受快速侵蝕,發(fā)育多種災害地質(zhì)現(xiàn)象,對工程設施的安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅[6]。研究區(qū)水深為10.0～11.5 m,從海底地形分類來說,屬于水下岸坡部分,總體地形趨于平緩,發(fā)育侵蝕殘留體、沖刷坑和沖刷溝槽等侵蝕微地貌,底質(zhì)類型以粉土為主。

(陳 靖 編輯)

1.2 數(shù)據(jù)資料獲取

2016年中石化勝利油田分公司海洋采油廠委托國家海洋局第一海洋研究所對渤海某平臺進行地質(zhì)勘察,在平臺附近完成了3個靜力觸探勘察孔和1個工程地質(zhì)鉆孔,分別編號為C1、C2、C3和K3,其中,C3與K3距離較近,兩者相距20 m,便于將靜力觸探數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)做對比研究。

圖1 研究平臺位置Fig.1 Location of study area and the boreholes

圖2 ROSON 100重型海床式靜力觸探設備Fig.2 ROSON 100 heavy seabed CPT instrument

本次靜力觸探試驗采用的是勝利油田設計院的重型海床式靜力觸探設備ROSON 100(圖2),主要技術(shù)指標見表1,設計孔深20 m,獲取的主要參數(shù)是錐尖阻力qc和側(cè)摩阻力fs。鉆孔柱狀樣經(jīng)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗分析,獲取的物理力學指標主要包括含水率ω、濕密度ρ、孔隙比e、塑性指數(shù)Ip、液性指數(shù)Il、黏聚力c、內(nèi)摩擦角Ф、壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es等。

表1 ROSON 100主要技術(shù)指標Table 1 Major technical indices of ROSON 100

2 靜探曲線綜合解譯

使用上述海洋靜力觸探設備,嚴格按照《海上平臺場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]進行靜力觸探試驗,得到錐尖阻力與側(cè)摩阻力隨深度變化的數(shù)據(jù),并計算摩阻比,分別繪制C1,C2和C3的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比隨深度變化的靜力觸探曲線(圖3～圖5),并根據(jù)曲線特征[8]判定土質(zhì)類型,劃分地層,對特殊地質(zhì)現(xiàn)象進行分析研究。

圖3 C1靜力觸探曲線Fig.3 CPT curve C1

圖4 C2靜力觸探曲線Fig.4 CPT curve C2

圖5 C3靜力觸探曲線Fig.5 CPT curve C3

2.1 土類判別、土層劃分

根據(jù)錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比隨深度的變化關(guān)系,3個觸探孔20 m以淺土體可劃分為5層,自上而下分別是:粉土、粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂/粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土,各靜探點qc,fs值分層統(tǒng)計見表2。

表2 C1,C2,C3測點錐尖阻力和側(cè)摩阻力分層統(tǒng)計表Table 2 Tip resistance and side friction of different layers in CPT curves C1,C2 and C3

從圖3～圖5可以看出,在錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比三個靜探參數(shù)中,錐尖阻力隨土體變化的響應較為顯著,當土體由粉土變?yōu)榉圪|(zhì)黏土時,錐尖阻力由10 MPa左右迅速減小到約0.4 MPa,當?shù)竭_粉土夾粉砂或砂土層時,其值又快速增大到10 MPa以上,超前效應和滯后效應均不明顯,有利于土層分界面的確定。側(cè)摩阻力和摩阻比相對于錐尖阻力,滯后效應較明顯,可作為土層劃分的輔助參考。

對K3柱狀樣做粒度分析,得到研究區(qū)內(nèi)土質(zhì)中值粒徑d50隨深度變化曲線(圖6)。通過對比靜探曲線和中值粒徑曲線發(fā)現(xiàn),錐尖阻力qc與中值粒徑d50在變化態(tài)勢上具有很好的一致性,qc大的土層,d50也較大,反之亦然,說明qc與土體顆粒粗細密切相關(guān)。

圖6 中值粒徑隨深度變化曲線Fig.6 Change of the median diameter with the soil depth

2.2 硬殼層

同一土層中,貫入阻力隨深度增加應略有增加,但在第一層粉土中,埋深1.5～4.0 m左右土體實測錐尖阻力和側(cè)摩阻力急劇增加,錐尖阻力最大值為13.22 MPa,側(cè)摩阻力最大值為120 kPa,厚約2.5 m土體形成密實的硬殼層。經(jīng)鉆探取樣和室內(nèi)試驗分析,表層粉土和下伏粉質(zhì)黏土層主要物理力學參數(shù)統(tǒng)計見表3。

表3 硬殼層粉土與下伏粉質(zhì)黏土主要物理力學參數(shù)對比Table 3 Comparison of main physical-mechanical parameters between the silt in the hard crust layer and the silty clay in the underlying layer difference percentages

根據(jù)表3可知,硬殼層工程地質(zhì)特征表現(xiàn)為低含水率,低孔隙比,低液限、塑限,壓縮性小,密實度高,抗剪強度大。結(jié)合土質(zhì)類型和所在區(qū)域的水動力條件,孫永福等[9]認為風暴潮作用下粉土發(fā)生液化形成較密實的擾動層,是硬殼層的主要成因。

2.3 靜探曲線“突變”解譯

第二層粉質(zhì)黏土中,C1,C2和C3靜探曲線在6,8.4和11 m埋深處均有“突變”,錐尖阻力和側(cè)摩阻力異常增大,錐尖阻力由0.4 MPa左右增加至3～4.35 MPa,側(cè)摩阻力由2 k Pa左右增加至30 kPa,甚至70 kPa。3個觸探點曲線變化特征在不同埋深處高度一致,排除了偶然因素的影響,通過對K3鉆孔柱狀樣做室內(nèi)分析,判定曲線突變現(xiàn)象與土質(zhì)成分變化有關(guān)。埋深6 m處粉質(zhì)黏土中含極多有機質(zhì),有腥臭味,發(fā)現(xiàn)較多貝殼碎片,且靜探曲線表現(xiàn)為錐尖阻力和側(cè)摩阻力曲線跳變形態(tài)基本一致,多為單峰、尖形跳變,與徐鈺等[10]測試含貝殼層的靜探曲線形態(tài)基本一致,因此推斷埋深6 m處曲線的突變是由貝殼導致的錐尖阻力和側(cè)摩阻力異常增大。通過對巖芯室內(nèi)試驗分析發(fā)現(xiàn),埋深8.2～8.4 m為粉土夾層,因此8.4 m處曲線突變是由粉質(zhì)黏土中夾有粉土導致的。埋深11 m處既未發(fā)現(xiàn)貝殼,也無粉土夾層,該處粉質(zhì)黏土粉粒含量較高,密實度較大,導致土體稍硬,造成錐尖阻力和側(cè)摩阻力增大。

2.4 土層劃分精準度分析

研究區(qū)內(nèi)20 m以淺地層自上而下為粉土、粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂或粉砂、粉質(zhì)黏土和粉土,構(gòu)成獨特的沉積旋回。在粒級上,粗粒、細粒相間分布,從錐尖阻力和側(cè)摩阻力變化特征來看,軟弱層和硬層交替出現(xiàn)。

利用靜力觸探曲線進行土層劃分,具有速度快、剖面連續(xù)等優(yōu)點,為檢驗其精度,C3與K3地層劃分對比見圖7。

圖7 靜力觸探與地質(zhì)鉆孔劃分地層剖面對比Fig.7 Contrast of stratigraphic divisions between CPT and geological drilling

靜力觸探C3與地質(zhì)鉆孔K3自上而下劃分地層底界深度及差值、百分比見表4。

表4 C3與K3劃分地層底界面埋深及差值百分比Table 4 The buried depth of the bottom boundaries of different layers divided in C3 and K3 and their difference percentages

從表4和圖7可知,靜力觸探與地質(zhì)鉆孔在標定地層底界深度上具有很好的一致性,最大差值0.7 m,最大誤差6%,表明靜力觸探數(shù)據(jù)可以很好地反映地層分界面。但就第二層厚達8.5 m的粉質(zhì)黏土層而言,地質(zhì)鉆孔可細分為軟塑和可塑兩亞層,分界面在靜力觸探曲線上表現(xiàn)的并不明顯,因此同一土質(zhì)類型層內(nèi)精細劃分有待進一步研究。

3 粉質(zhì)黏土的靜探參數(shù)與物理力學參數(shù)相關(guān)性分析

靜力觸探反映了地層在垂直方向上的物理力學性質(zhì)變化規(guī)律,能查明鉆探和取樣分析所不易分辨的力學性質(zhì)的微小變化[11]。將K3所測靜探數(shù)據(jù)與C3鉆孔土樣樣品的物理力學參數(shù)按粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)兩者之間具有很好的相關(guān)性。將粉質(zhì)黏土的靜力觸探參數(shù)與物理力學參數(shù)進行擬合回歸分析,得到適合該區(qū)域的回歸方程。

此次試驗中,C3樣品長度為20 cm,K3靜探數(shù)據(jù)采樣間隔為2 cm,取與樣品取樣深度對應的10個錐尖阻力數(shù)據(jù)的平均值進行回歸分析,共獲得14組統(tǒng)計樣本,經(jīng)分析擬合,得到粉質(zhì)黏土的孔隙比e、液性指數(shù)IL、黏聚力C、內(nèi)摩擦角Φ、壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、抗剪強度τ與錐尖阻力的相關(guān)關(guān)系(圖8),回歸方程見表5。

表5 粉質(zhì)黏土靜力觸探參數(shù)與物理力學指標經(jīng)驗公式Table 5 Empirical formulas for CPT parameters and physical-mechanical indexes in the silty clay

從圖8、表5中可見,隨著錐尖阻力qc增加,粉質(zhì)黏土的孔隙比e、液性指數(shù)IL、壓縮系數(shù)a減小,它們之間呈負相關(guān)關(guān)系,其中孔隙比e和壓縮系數(shù)a以指數(shù)形式減小,液性指數(shù)IL以對數(shù)形式減小。而粉質(zhì)黏土的黏聚力C和內(nèi)摩擦角Ф以及壓縮模量Es、抗剪強度τ隨錐尖阻力的增加而增大,它們之間呈正相關(guān)關(guān)系,其中黏聚力C、內(nèi)摩擦角Ф和抗剪強度τ以對數(shù)形式增大,壓縮模量Es以線性形式增大。根據(jù)獲得的經(jīng)驗公式可以利用靜力觸探參數(shù)推算研究區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土的物理力學性質(zhì)指標,進一步了解土的工程地質(zhì)性質(zhì)。

圖8 粉質(zhì)黏土錐尖阻力與物理力學參數(shù)相關(guān)性Fig.8 Correlation between the tip resistance and the physical-mechanical parameters of the silty clay

4 表層粉土液化評判

研究區(qū)海底表層為3～4 m厚的飽和粉土層,在地震作用下存在液化的可能性。目前,基于CPT測試資料,國外較多采用Seed簡化法[12],其實質(zhì)是將砂土和粉土中由振動作用產(chǎn)生的剪應力與產(chǎn)生液化所需的剪應力進行比較。經(jīng)SEED H B修正后簡化成等效周期應力比CSR與地基土的周期阻力比CRR的比較。如果CRR＞CSR,則判別為不液化;如果CRR＜CSR,則判別為液化。它屬于試驗-分析法,也是最早提出的可判別具有水平地面自由場地液化的方法,許多影響液化的因素均得到適當考慮[13]。

4.1 周期應力比(CSR)的計算

周期應力比是根據(jù)場地的地震基本設計參數(shù)計算的,目前Seed等[12]和Youd等[14]提出的計算公式被普遍接受,公式如下:

式中,τav為地震產(chǎn)生的平均剪應力(kPa),σv0為土體計算深度處豎向總應力(kPa),σ'v0為土體相同深度處豎向有效應力(k Pa),amax為地震動峰值加速度(m/s2),g為重力加速度(m/s2),rd為應力折減系數(shù),MSF為震級比例系數(shù)。

K3表層粉土基本物理力學參數(shù)見表6。

表6 表層粉土物理力學參數(shù)Table 6 Physical-mechanical parameters of the surface silt

地震動峰值加速度amax取值參照《建筑抗震設計規(guī)范》[15],抗震設防烈度為7度、8度時分別取0.15和0.30 g。應力折減系數(shù)rd[16]按下式計算:

4.2 周期阻力比(CRR)的計算

周期阻力比的計算方法,國外常用的有兩種,分別是Robertson法[17]和Olsen法[18-19],本文選擇Olsen簡化法法計算粉土的周期阻力比,其研究成果可參考相關(guān)文獻[20],CRR的計算公式如下:

運用上述CSR和CRR計算公式,對C1,C2,C3靜力觸探點在7度、8度地震作用下不同深度處粉土液化可能性進行評判,計算分析結(jié)果見表7和表8。

表7 度地震烈度作用下靜力觸探液化判別結(jié)果Table 7 Evaluation of CPT liquefaction under the action of 7 degree seismic fortification intensity

表8 度地震烈度作用下靜力觸探液化判別結(jié)果Table 8 Evaluation of CPT liquefaction under the action of 8 degree seismic fortification intensity

通過計算分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)表層粉土在抗震設防烈度為7度時不會發(fā)生液化,而當抗震設防烈度為8度時,除C3孔3.9 m埋深處未液化外,其余測試點均發(fā)生液化,且液化深度幾乎達到粉土層埋深底界,因此可以推斷在8度地震烈度作用下,研究區(qū)表層粉土均會發(fā)生液化。

5 結(jié) 論

本文應用海床式靜力觸探設備與技術(shù),獲得了黃河口海底土的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比等靜探參數(shù)值,通過對靜探曲線、靜探參數(shù)值的綜合分析與計算,得到以下結(jié)論:

1)通過海床式靜力觸探技術(shù)獲得的靜力觸探曲線能夠很好地反映地層的垂向變化,精確度較高,對硬殼層、貝殼夾層等特殊地質(zhì)現(xiàn)象有很好地反映。

2)本文所建立的粉質(zhì)黏土靜力觸探參數(shù)與物理力學指標指標之間的相關(guān)方程可以用于通過CPT原位測試來計算海底粉質(zhì)黏土的物理力學參數(shù),更全面的掌握海底土的工程特性。

3)研究區(qū)表層粉土按抗震設防烈度為7度設計時,不會發(fā)生液化;8度時,最大液化深度為3.7 m,設計海洋工程構(gòu)筑物時應予以重視。

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Application of Seabed Cone Penetration Test in Research on the Seafloor Geotechnical Engineering Characteristics in the Yellow River Estuary

CHU Li-peng1,SUN Yong-fu1,SONG Yu-peng1,DONG Li-feng1,ZHOU Qi-kun1, MA Bin-bin2,ZHANG Wei-peng1,3
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.East China Normal University,State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,Shanghai 200062,China; 3.Lanzhou University,School of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou 730000,China)

The equipment for seabed cone penetration test(CPT)has a high working efficiency and can detect the strata continuously and vertically with a better data resolution.By analyzing 3 CPT boreholes and 1 geological borehole taken in the Yellow River Estuary,the strata of 20 meters below the seabed are divided into 5 layers.From top to bottom,they are silt,silty clay,silt interbedded with silty sand or silty sand,silty clay and silt,respectively.The CPT curves can give better reflections of special geological phenomena such as the hard crust layers in the silt and the shell interlayers in the silty clay.A regression equation suitable for the study area is obtained through the correlation analysis carried out between the CPT parameters and the physical-mechanical parameters of the silty clay.For evaluating the liquefaction potential of the surface silt in the study area,the methods for liquefaction evaluation based on CPT data are adopted,of which the Seed method and the Olsen method are considered to be accurate in predicting liquefaction resistance of sandy soils.By comparing the cyclic stress ratio(CSR)calculated by the Seed method with the cyclic resistance ratio(CRR)worked out by the Olsen method,it can be concluded that the surface silt in the study area won’t be liquefied if the seismic fortification intensity is designed as 7 degree.If the seismic fortification intensity reaches 8 degree,however,the silt layer will be liquefied,with the calculated maximum liquefaction depth being 3.7 meters.

Yellow River Estuary;Cone Penetration Test(CPT);liquefaction evaluation;Cyclic Stress Ratio(CSR);Cyclic Resistance Ratio(CRR)

P753

A

1002-3682(2017)01-0022-12

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.01.003

2016-12-27

海洋公益性行業(yè)科研專項——近海海底地質(zhì)災害預測評價及防控關(guān)鍵技術(shù)研究(201005005);青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室鰲山科技創(chuàng)新計劃項目(2015ASKJ03)

楚立鵬(1990-),男,碩士研究生,主要從事海洋地質(zhì)、工程地質(zhì)方面研究.E-mail:chulipeng@fio.org.cn

Received:December 27,2016