收稿日期：2021-11-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作/港澳臺(tái)科技創(chuàng)新合作”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目（2018YFE0109500）；國(guó)家自然科學(xué)基金

（52122906；51779221；51939010；51909249）；浙江省自然科學(xué)基金（LHZ20E090001）

通信作者：張寶峰（1981—），男，碩士、高級(jí)工程師，主要從事海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)方面的研發(fā)。zhang_bf2@hdec.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1329 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0023-06

摘 要：海洋細(xì)粒沉積物中含有相對(duì)較大的生物氣氣泡，初始水深影響氣泡存在狀態(tài)，進(jìn)而影響含氣土強(qiáng)度，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度可能增大也可能減小。對(duì)嘉興1號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行重塑，開(kāi)展一系列不排水三軸剪切試驗(yàn)，旨在比較具有相同固結(jié)壓力但初始孔隙水壓力（與水深有關(guān)）不同條件下的含氣土的剪切特性。研究發(fā)現(xiàn)改變初始孔隙壓力，含氣土表現(xiàn)出不同的不排水抗剪強(qiáng)度，含氣土試樣中由剪切引起的超孔隙壓力大小取決于初始水深，其可低于具有相同固結(jié)壓力下的飽和試樣（由于在低初始孔隙壓力下部分孔隙水進(jìn)入到相對(duì)較大的氣泡），或高于飽和試樣（與高初始孔隙壓力下相對(duì)較小的氣泡破裂有關(guān)）。因此，在相對(duì)較低的初始孔隙壓力條件下，氣泡的存在有利于增加土體的不排水抗剪強(qiáng)度，反之則會(huì)降低土體的不排水抗剪強(qiáng)度。但重塑含氣土的臨界應(yīng)力比不受初始孔隙水壓力的影響。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；土力學(xué)；抗剪強(qiáng)度；臨界狀態(tài)；三軸剪切試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU411.3 """ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)電場(chǎng)，是一種利用海上風(fēng)力資源發(fā)電的新型發(fā)電場(chǎng)。在傳統(tǒng)化石能源（如石油、煤炭）日趨枯竭的境況下，各國(guó)均將發(fā)展的眼光投向風(fēng)力資源豐富的海洋，歐洲多個(gè)國(guó)家已建立多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)而且規(guī)模巨大。中國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，具有開(kāi)發(fā)利用海上風(fēng)能的先天優(yōu)勢(shì)，因此中國(guó)也逐漸涉及海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，上海的海上風(fēng)電場(chǎng)于2010年啟用，香港也欲建全球最大海上風(fēng)電場(chǎng)。海床作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的最終承擔(dān)者，其物理力學(xué)性質(zhì)影響海上風(fēng)電的穩(wěn)定性與服役周期，而以往的探測(cè)表明，中國(guó)海域廣泛分布著含氣細(xì)粒沉積物海床，為海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)帶來(lái)了全新挑戰(zhàn)，需要明確土體含氣以后對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供理論支持。

海床中的大氣泡通常賦存與細(xì)粒土中，通常是生物分解或熱裂解而形成的［1-2］。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使土體區(qū)別于陸上典型的非飽和土（氣相連續(xù)、水相不連續(xù)；氣相、水相均連續(xù)），而且室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)土的飽和度在85%以上，遠(yuǎn)超典型非飽和土。Wheeler［3］通過(guò)三軸試驗(yàn)首次研究了含氣土的不排水剪切行為，開(kāi)展了在3種有效固結(jié)壓力（[p0′=100]、200、400 kPa）和2種初始孔隙水壓力（[ui=0]、100 kPa）條件下含氣土的三軸不排水剪切試驗(yàn)，對(duì)比了不排水剪切強(qiáng)度[cu]。但其研究?jī)H考慮2個(gè)初始孔隙水壓力值（0和100 kPa，分別對(duì)應(yīng)于0和10 m水深），對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠（海上風(fēng)電場(chǎng)水深處于0～30 m之間），因此需在更大范圍水深條件下對(duì)含氣土的行為進(jìn)行更系統(tǒng)研究。

鑒于上述局限性，本文針對(duì)重塑的嘉興1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)土進(jìn)行一系列不排水三軸壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)研究初始孔隙水壓力對(duì)含氣土力學(xué)性能（包括超孔隙壓力、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剛度隨應(yīng)變的退化）的影響。從而為判斷建于含氣海床上的風(fēng)電基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性提供了支持。

1 試驗(yàn)材料、方案及步驟

1.1 試驗(yàn)材料

對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)，SEM圖像（圖1）表明，現(xiàn)場(chǎng)土體中的氣體是以離散大氣泡的形式存在的，而土體中的孔隙水是連續(xù)的，此外與土顆粒和孔隙相比，氣泡的尺寸要大得多。與原位取樣的飽和海洋沉積物可以保持完整的情況不同，含氣海洋沉積物中的氣泡在土體從深水向地表運(yùn)移的過(guò)程中，由于水深減小，應(yīng)力釋放會(huì)析出并膨脹。氣體的析出和膨脹會(huì)引起土樣開(kāi)裂［4］，并降低其屈服應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度［5-6］。因此，在以往的實(shí)驗(yàn)研究中，通常采用實(shí)驗(yàn)室制備的重塑含氣土樣，而不是直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的天然含氣土樣進(jìn)行測(cè)試。

本試驗(yàn)研究采用的試驗(yàn)材料包括氣體和土體。在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)的典型氣體類型主要有甲烷（CH4）、氮?dú)猓∟2）和二氧化碳（CO2），因此本文采用N2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室含氣土樣的制備，因?yàn)檫@種惰性氣體比爆炸性的CH4安全，且溶解度也比CH4和CO2低，縮減了每次試驗(yàn)的平衡時(shí)間。

采用嘉興1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)土作為N2的賦存材料。嚴(yán)格按照BS1337［7］提出的Atterberg極限試驗(yàn)得到現(xiàn)場(chǎng)土的液限（LL）、塑限（PL）分別為30%～40%和10%～20%。根據(jù)BS5930［8］推薦的塑性圖，可劃分為中等塑性黏土。表1總結(jié)了該海洋土的其他指標(biāo)特性。

本研究采用多孔介質(zhì)導(dǎo)入技術(shù)［9］制備含氣土樣。土樣制備步驟如下：1）將給定質(zhì)量的多孔介質(zhì)（沸石粉，平均顆粒尺寸為3 μm，干土質(zhì)量的20%）進(jìn)行高溫干燥（100 ℃，24 h），隨后進(jìn)行真空飽和（[-100] kPa，24 h），然后將N2在高壓條件下（250 kPa，保持24 h）壓入多孔介質(zhì)中；2）將干燥后的現(xiàn)場(chǎng)土與無(wú)氣水按照1∶2倍液限混合并攪拌均勻，隨后進(jìn)行真空飽和（-100 kPa，24 h）；3）將N2飽和的沸石粉與飽和的現(xiàn)場(chǎng)土泥漿混合并攪拌均勻，使得沸石粉中的N2與泥漿的水交換，促進(jìn)氣泡在泥漿中生成，這一過(guò)程與海洋沉積物中氣泡的形成過(guò)程極為相似；4）將泥漿小心倒入剛性圓柱形室中，并逐級(jí)施加豎向應(yīng)力至60 kPa，完成初始固結(jié)。

圖2a為典型含氣試樣固結(jié)后的橫截面圖?？煽闯?，在重塑含氣黏土中，氣泡以離散形式存在。這與風(fēng)電場(chǎng)取樣的天然含氣黏土相似，如圖2b所示。然后將一維固結(jié)的含氣黏土制備成三軸試驗(yàn)所需試樣。每個(gè)試樣的直徑和高度分別為50和100 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

為達(dá)到上述目的，對(duì)同一初始固結(jié)壓力（[p0′=200] kPa）、不同初始孔隙水壓力值（[ui=0、]120、250、600、1000 kPa）的含氣黏土試樣進(jìn)行一系列不排水三軸壓縮試驗(yàn)。為便于比較，還對(duì)[p0′=200 ]kPa、[ui=120] kPa的飽和黏土進(jìn)行不排水三軸壓縮的對(duì)比試驗(yàn)。表2總結(jié)了每個(gè)試驗(yàn)的細(xì)節(jié)，包括施加的初始應(yīng)力和每個(gè)試樣的飽和程度。

1.3 試驗(yàn)步驟

采用GDS Double cell雙室三軸系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。轉(zhuǎn)入三軸壓力室后，各試樣在同一有效固結(jié)應(yīng)力[p0′]不同初始孔隙水壓力[ui]作用下等溫固結(jié)。各向同性平均有效應(yīng)力為200 kPa，超過(guò)3倍初始豎向有效應(yīng)力（即之前的一維固結(jié)過(guò)程中施加的60 kPa豎向荷載），這意味著一維固結(jié)引起的應(yīng)力各向異性已完全消除［10］。

在三軸各向同性固結(jié)完成后，各試件在不排水條件下受到三軸壓縮。施加恒定的軸向應(yīng)變率1.5%/h，使每個(gè)試樣在約10 h內(nèi)被破壞。該應(yīng)變速率使得超孔隙壓力能達(dá)到破壞時(shí)的約95%［11］。

在每次三軸試驗(yàn)中，三軸壓力室的溫度均保持恒溫（25 ℃）以消除溫度變化對(duì)試件力學(xué)性能的影響，溫度控制采用連續(xù)循環(huán)水。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各向同性固結(jié)結(jié)果

圖3a為各向同性固結(jié)階段含氣土試樣的含水量隨平均有效應(yīng)力[p′]增加的變化情況。在任意給定的平均有效應(yīng)力[p′]處，具有不同初始含氣量、不同初始孔隙壓力的所有含氣試樣均表現(xiàn)出相近的含水量，這意味著含水量取決于有效應(yīng)力。這可能是由于接近飽和的含氣試樣（飽和度gt;90%）的含水量（或水孔隙比）仍由其有效應(yīng)力控制的原因［12］。

圖3b為各向同性固結(jié)過(guò)程中含氣試樣總孔隙率e的變化情況。可看出，在給定相同的平均有效應(yīng)力[p′]下，初始孔隙壓力較低時(shí)，含氣試樣的總孔隙率較大，在e-lg[p′]空間中有更陡的曲線。結(jié)果還表明，如果施加足夠大的有效應(yīng)力，所有試樣將趨向于同一孔隙比。

2.2 超孔隙水壓力變化規(guī)律

圖4比較了不排水剪切過(guò)程中不同孔隙水壓力（[ui=0、]120、250、600、1000 kPa）條件下超靜孔隙壓力（[Δu]）的變化規(guī)律。同時(shí)也包含了飽和試樣的超靜孔隙壓力響應(yīng)。其中將每個(gè)[Δu]值除以初始平均有效應(yīng)力（[p0′=200 ]kPa）進(jìn)行歸一化處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有正常固結(jié)的含氣試樣和飽和試樣中均出現(xiàn)了正的超靜孔隙壓力。含氣試樣超靜孔隙壓力高于還是低于飽和試樣，取決于初始孔隙水壓力[ui]。歸一化后的超靜孔隙水壓力比[Δu/p0′]達(dá)到0.66時(shí)，其超靜孔隙水壓力響應(yīng)比飽和試樣高10%。這表明在高初始孔隙水壓力（[ui=1000] kPa）時(shí)，含氣試樣在不排水剪切過(guò)程中比飽和試樣表現(xiàn)出更強(qiáng)的收縮趨勢(shì)。前人的不排水三軸剪切試驗(yàn)也表明，相對(duì)較大的初始孔隙水壓力作用下氣泡的存在導(dǎo)致細(xì)粒氣相沉積物的收縮反應(yīng)更加強(qiáng)烈［5，6，13］。

在文獻(xiàn)［5，6，11］研究中，一些含氣試樣剪縮性較強(qiáng)，導(dǎo)致在不排水剪切過(guò)程中剪切應(yīng)力未增加的情況下[Δu]值突然升高。在不排水剪切過(guò)程中，由于氣腔塌陷導(dǎo)致氣腔的收縮傾向更強(qiáng)，在初始孔隙水壓力較高時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)變得更為顯著。

隨著初始孔隙水壓力[ui]值的降低，氣體試樣中由于剪切引起的[Δu]值顯著降低。更具體地說(shuō)，[ui]從1000 kPa減少到0 kPa，導(dǎo)致[Δu/p0′]下降約36%。與飽和試樣相比，在相對(duì)較低的[ui]（0 kPa）下，含氣試樣的孔隙壓力比[Δu/pc′]小了30%。在較低[ui]下，試樣的[Δu/p0′]值較小，這可能是由于剪切引起的超孔隙壓力通過(guò)從飽和基質(zhì)向相對(duì)較大的氣泡排水而部分消散，即發(fā)生氣腔進(jìn)水［14］。

利用Wheeler提出的方程［14］可定量確定引發(fā)氣腔進(jìn)水的條件。Wheeler認(rèn)為，氣腔進(jìn)水的條件為氣泡周?chē)紫端畨毫uw]與氣泡內(nèi)部氣體壓力[ug]的差值達(dá)到極限進(jìn)水值，表示為：

[uw-ug=2TR]" （1）

式中：[T]——水的表面張力，一般認(rèn)為在給定溫度下，水的表面張力為常數(shù)；[R]——毛細(xì)水曲率半徑，當(dāng)發(fā)生氣腔進(jìn)水時(shí)，可近似為氣泡半徑。

由式（1）可知，在一定溫度下，進(jìn)水值只受氣泡半徑的控制，而氣泡半徑與含氣試樣中氣泡的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。

由理想氣體方程可知，[ui=0] kPa時(shí)，試樣的總氣體體積約為[ui=1000] kPa時(shí)的11倍。由式（1）可知，在給定兩個(gè)含有相同數(shù)量球形氣泡的含氣試樣（[ui=0、]1000 kPa）的情況下，[ui=1000] kPa試樣的[R]平均約為[ui=0 kPa]試樣的48%。這在物理上意味著高[ui（1000 kPa）]下的進(jìn)水值約為低[ui（0 kPa）]下的2.2倍。換言之，低[ui（0 kPa）]的含氣試樣更易發(fā)生氣腔進(jìn)水，導(dǎo)致試樣[Δu]值較低，如圖4所示。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5比較了不同[ui]下含氣試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的

different intial pore pressures [ui]

關(guān)系。并與飽和試樣的實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行比較。可看出，在相對(duì)較小的軸向應(yīng)變（[ealt;3%]）下，所有含氣試樣的正割剪切模量（由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的斜率推斷）均小于飽和試樣。這是因?yàn)闅怏w的存在增加了試樣的壓縮性。

就抗剪強(qiáng)度而言，含氣黏土試樣最終的偏應(yīng)力（等于兩倍[cu]）隨著[ui]的增大而減小，因?yàn)樵诟遊ui]的含氣試樣中存在較大的超孔隙壓力（圖4）。與飽和試樣的[cu]相比，含氣試樣在低[ui]（0 kPa）有較高強(qiáng)度，在相對(duì)較高的[ui]（250～1000 kPa）而表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度。在定量上，低[ui]（0 kPa）條件下，[cu]增加了33%，而高[ui]（1000 kPa）條件下，[cu]降低了22%。

2.4 強(qiáng)度與飽和度的關(guān)系

圖6比較了含氣試樣在不同飽和度下的強(qiáng)度變化情況，并與飽和土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在初始孔壓高于120 kPa時(shí)，隨著飽和度的降低，含氣土的不排水強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)初始孔壓低于120 kPa時(shí)，隨著飽和度的降低，含氣土的不排水強(qiáng)度逐漸降低。這說(shuō)明了氣泡對(duì)土骨架存在兩種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，即加強(qiáng)效應(yīng)和損傷效應(yīng)，這兩種機(jī)制受到初始孔壓的影響。因此在海上風(fēng)電的建設(shè)中，需要考慮高水深情況下，含氣土不排水強(qiáng)度的減小。

本文物理測(cè)試結(jié)果表明，在低[ui]下，較大氣泡的存在對(duì)[cu]的增加起到有益作用，這可能是由于孔隙壓力部分消散到大氣泡中。另一方面，相對(duì)較小的氣泡（在高[ui]下）會(huì)通過(guò)降低[cu]而變得有害，這可能與小氣泡的塌陷有關(guān)，而小氣泡提高了材料的收縮能力。由于含氣黏土中的[cu]對(duì)[ui]的依賴性很強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的承載力時(shí)，水深可能是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵因素。

3 結(jié) 論

為明確不同水深含氣海相黏土不排水剪切特性對(duì)海上風(fēng)電的影響，本研究開(kāi)展了一系列在同一固結(jié)壓力（[p0′=200 kPa]）及不同[ui]（0～1000 kPa）的三軸試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)[p0′=200 kPa]的飽和試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)比較不同[ui]下飽和試樣與含氣試樣的不排水剪切行為，可得出以下結(jié)論：

1）由剪切引起的含氣試樣的超孔隙壓力（[Δu]）與[ui]有顯著的內(nèi)在聯(lián)系。其可小于飽和試樣（由于低[ui]時(shí)[Δu]部分耗散到相對(duì)較大的氣泡中），也可以大于飽和試樣（由于高[ui]時(shí)相對(duì)較小的氣泡破裂）。

2）與[ui]相關(guān)的孔隙壓力響應(yīng)相對(duì)應(yīng)，不同[ui]的含氣試樣表現(xiàn)出不同的不排水剪切行為。在相對(duì)較低的[ui]（0 kPa）下，與飽和試樣相比，氣體的存在有利于提高不排水剪切強(qiáng)度[cu]。相反，與飽和試樣相比，高[ui]（1000 kPa）時(shí)氣體的存在對(duì)[cu]有害的降低作用。因此，水深可能是控制基于細(xì)粒氣相海洋沉積物的海上風(fēng)電承載能力和變形的關(guān)鍵因素，需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行必要的考慮。特別是水深較深的情況，此時(shí)若存在含氣土，可能會(huì)因?yàn)楹鲆曀顚?duì)含氣土強(qiáng)度的影響而使得設(shè)計(jì)存在風(fēng)險(xiǎn)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" FLEISCHER P， ORSI T， RICHARDSON M， et al. Distribution of free gas in marine sediments：" a"" global"" overview［J］." Geo-marine"" letters， 2001， 21（2）： 103-122.

［2］"""" SILLS G C， THOMAS S D. Pore pressure in soil containing""" gas［C］//Chemo-mechanical""" Coupling""" in Clays： from Nanoscale to Engineering Applications，" Lisse， the Netherlands： Swets amp; Zeitlinge， 2002： 211-222.

［3］"""" WHEELER S J. The undrained shear strength of soils containing large gas bubbles［J］. Géotechnique， 1988， 38（3）： 399-413.

［4］"""" DAY R W. Engineering properties of the Orinoco Clay［D］. Cambridge： Massachusetts Institute of Technology， 2014.

［5］"""" LUNNE T， BERRE T， STRANVIK S， et al. Deepwater sample disturbance due to stress relief［C］//Proceedings of the OTRC 2001 International Conference， Houston， Tex.， USA， 2001： 64-85.

［7］"""" BSI. 1990. Methods of test for soils for civil engineering purposes. British standard BS 1377［S］. British Standards Institution， London.

［8］"""" BSI. 1999. Code of practice for site investigations［S］. British standard BS 5930. British Standards Institution， London.

［9］"""" NAGESWARAN S. Effect of gas bubbles on thesea-bed behavior［D］. Oxford： Oxford University， 1983.

［10］""" ANANDARAJAH A， KUGANENTHIRA N， ZHAO D. Variation of fabric anisotropy of kaolinite in triaxial loading［J］. Journal of geotechnical engineering， 1996， 122（8）： 633-640.

［11］""" BISHOP A W， HENKEL D J. The measurement of soil properties in the triaxial test［M］. 2nd ed. London： Edward Arnold， 1962

［12］""" SILLS G C， WHEELER S J， THOMAS S D， et al. Behaviour" of" offshore" soils" containing" gas" bubbles［J］. Géotechnique， 1991， 41（2）： 227-241.

［13］""" HIGHT D W， HAMZA M M， El SAYED A S. Engineering characterization"" of"" the"" Nile"" Delta" clays［C］//Coastal Geotechnical Engineering in Practice ： Proceedings of the International Symposium， Yokohama， Japan， 2002： 149-162.

［14］""" WHEELER S J. A conceptual model for soils containing large gas bubbles［J］. Géotechnique， 1988， 38（3）： 389-397.

EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES OF OFFSHORE GASSY CLAY—TAKING JIAXING NO. 1 OFFSHORE

WIND FARM AS AN EXAMPLE

He Ben1，Xiong Gen1，Zhang Baofeng1-3，Pan Hualin4，Wang Kuanjun1

（1. Power China Huadong Engineering Limited Corporation， Hangzhou 311122， China；

2. College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China；

3. Shanghai Institute for Advanced Study， Zhejiang University， Shanghai 201203， China；

4. Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd.， Hangzhou 310007， China）

Keywords：offshore wind turbines； soil mechanics； shear strength； critical state； triaxial shear test