双台子河口浅海相粉土承载力特征＊

陶常飞,亓发庆,刘燕平,鞠春雨,曲 伟,安丙杜,王方旗

(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061;

2.中油辽河油田分公司海洋石油勘探项目管理部,辽宁盘锦 124010)

1 研究区概况

辽河是我国七大江河之一,位于东北地区南部,发源于河北省七老图山脉光头岭,流经河北、内蒙、吉林、辽宁四省区,在辽宁台安县六间房分为2股,一是六间房至三岔河称外辽河,同浑河、太子河汇合称大辽河,从营口入海,另外一股经盘山县汇入辽东湾,即称双台子河。双台子河口海域蕴藏着丰富的油气资源,它是渤海湾复式油气区的组成部分,也是我国第三大油田—辽河油田海上油气主产区。

研究区位于辽东湾北部的双台子河口(图1),平均潮差2.7 m,属中等潮差的河口区域内[1]。海底地形复杂多变,在径流、波浪、潮流等因素作用下,广泛发育潮沟、浅滩,且蚀淤变化剧烈。浅部地层以粉土为主,物理力学性质、颗粒组分复杂多变,工程地质特征差异大,埋深多在10m以浅,属海洋工程设计、钻井平台就位的敏感层位。

2 粉土地层特征

粉土是指塑性指数I p≤10且粒径大于0.075mm的颗粒质量分数不超过全重50%的土,其性质介于砂土与粘性土之间。

图1 研究区位置图Fig.1 Location o f the studied area

全新世海侵以来,研究区内在古三角洲沙体上沉积了浅海相与潮滩相两套地层(图2)。浅海相地层以粉土为主,主要粒度组分为粉砂和粘土,质量分数分别为33.5%～63.4%和19.2%～53.8%,平均粒径 M z为5.7～7.0Φ,标准偏差σ1为1.7～2.7,分选差到很差。粒度累积百分曲线为二段,悬浮组分占70%以上,表现出悬浮荷载搬运特征[2]。浅海相(B层)粉土声学反射以杂乱、波状层理为主,反射能量较弱,与上覆潮滩相沉积界限为一不整合面,界限清晰,钻孔H 2埋深6.0m处存在一贝壳层,是潮滩相与浅海相的分层标志。层内反射在水平以及垂直方向上分布不均匀,其上部可见细微波状反射,下部则呈杂乱反射。该地层物质组分以及声学图像皆反映出物源、水动力条件相对稳定的浅海环境。

图2 双台子河口典型地层声学反射图像Fig.2 A typical sub-bottom acoustic reflection p ro file in ShuangtaiziRiver esturay

3 工程案例分析

2010年8月,在双台子河口完成一工程地质钻孔H2(位置见图1),盖州滩西侧随后某型号自升式钻井平台就位进行钻井作业。根据桩基承载力公式计算,孔深5.6 m处粉土承载力可满足该平台单桩极限承载力29MN的荷载要求,但实际插桩深度分别为7.8,8.3和6.3m,与计算结果存在较大出入。

3.1 钻孔粉土物理力学特征

在辽河口钻孔H 2中分别与埋深6.0,7.0和9.0 m处取得a,b和c 3个粉土原状土样,并对其进行物理力学测试。试验结果显示,不同深度处粉土含水量、孔隙比、内聚力、内摩擦角、颗粒组分均存在明显差异(见表1)。

表1 土样主要物理力学参数Table 1 Themechanical parameters for the silt samp les

由上述数据可以看出,力学性质总体表现为上部软弱,下部变硬,但含水量、孔隙比等参数与深度无明显的相关性。同属于浅海相地层,主要物理力学性质在垂向上存在反复性、多变性,因此,准确确定其承载力以及桩基础的持力层存在一定难度(见图3)。

图3 土样压缩曲线Fig.3 The comp ression curves for the silt sam ples

3.2 桩基承载力计算

海洋石油钻井平台桩基承载力计算一般采用美国石油学会(API)的推荐算法,计算公式如下：

式中,Q f为桩脚极限侧摩阻力(kN);Q p为极限桩端阻力(kN);q为桩脚的单位面积极限承载力(kPa);f为侧壁摩阻力(kN);V为桩靴排开土的体积;γ为桩靴排开土的平均有效重度(kN◦m-3)。

在钻孔处作业平台为自升式钻井平台,3条桩腿,桩端具正八边形桩靴,桩靴底面积为70m2,单桩极限荷载为29MN。

根据实验结果以及API中推荐设计参数,计算得在钻孔处5.6 m处,粉土承载力可满足钻井平台单桩极限承载力要求。而钻井平台在钻孔处实际插桩深度为7.8,8.3和6.3 m,与计算结果偏差较大。

综合分析土工试验结果,结合现场原位测试数据,将土样a,b所处土层归为粘性土,采用粘性土承载力公式计算,土样c代表的下部土层在将相关参数进行调整后仍按照非粘性土进行计算,计算插桩深度为7.6m,与实际插桩深度吻合较好[3]。

3.3 分析讨论

1)API推荐设计参数中将粉土列为非粘性土,与砂土共用同一算法。粉土是介于砂土与粘性土之间的一类土,它的定义仅从塑性指数与粉粒含量做了简单界定,这就决定了各粒组之间组合的宽泛性。以本文所提及的a,b和c 3个土样为例,依照国标岩土工程勘察规范,3个土样皆为粉土,若依照海洋地质调查规范,a,b可命名为砂质粉砂,c则为粉砂质砂。由此可见,同是粉土,由于其物质成分差异较大,土体的力学性质相应的也存在变化。

2)末次冰期以来,海平面持续上升,大约在8.5 ka B.P.左右,海水侵入渤海和辽东湾;约在7 ka B.P.左右海水淹没到最大范围,沉积了全新统第一海相层,即为本区的粉土层[4]。

由土样室内测试结果可以看出,土样b含水量、孔隙比高于土样a,c,这可能与沉积物沉积速率有关,即土样c所代表的粉土层下部沉积过程中海平面相对稳定,沉积历时较长,沉积物在波浪、自重等荷载作用下发生排水固结,因此,土样c含水量、孔隙比较低;之后随着海平面快速上升,沉积物沉积速率加快,未经历充分的排水固结过程即被新的沉积物所覆盖;随着海平面上升速率的降低以及入海泥沙量增大,沉积物快速加积,最终形成了土样a代表的粉土层上部地层。Liu&M illiman根据黄海资料,拟定了一个海平面阶梯式上升的观点,指出14～12 ka、11～10 ka及7 ka以后存在海平面上升停滞期[5],这也与上述观点相吻合。

3)桩基承载力计算过程中主要用到的参数为内聚力和内摩擦角,有3个土样测试结果可以看出,内摩擦角介于28.4°～33.7°之间,若采用该值进行计算,计算结果明显偏高。根据现场SPT试验结果,土样a,b代表的土体力学强度明显小于土样c代表的下部土体,且上部土体在外部荷载下更多的表现出塑性变形的粘性土特征。而土样采用直接剪切试验进行测试,土样在测试过程中处于侧限环境下,与其原位环境差异较大,故得到的测试结果较原位强度要高。因此,如果计算参数直接选用试验结果,计算结果会与实际情况存在较大偏差。在实际应用过程中应综合考虑,含水量、孔隙比等参数以及测试方式等因素的影响,参照现场原位测试结果,对土体按力学性质差异分层计算,以期能得到较好的计算结果。

4)浅海相上界面在接受潮滩相沉积时遭受波浪、潮流等因素冲刷改造,原始海底地形变化较大,沉积物物理力学性质在平面上分布不均,致使海洋钻井平台不同桩腿最终入泥深度不同。因此,在海洋工程勘察过程中,尤其是在近岸河口等地层结构复杂的区域,应加强浅地层剖面解译工作,尽量准确还原真实地层结构,防止海洋工程事故的发生。

4 结 论

1)双台子河口沉积物物源丰富,水动力环境较弱,沉积物的快速堆积,导致沉积物力学强度低,承载力小,对海洋工程设计、施工存在不利影响。

2)研究区内浅海相粉土层因海平面、物质来源的变化,在垂向上力学性质不均匀。上部软弱土体虽在物理力学性质上表现为粉土,但是其原位变形特征则主要体现为塑性变形特征。因此,在参数选取、计算方法选择过程中,应参考原位测试数据确定。

3)声学地层剖面探测是揭露地层结构的有效手段,尤其是对近岸河口等地层结构复杂、地质灾害频发的的区域,应重视声学地层探测在海洋工程勘察中的作用,防止海洋工程事故发生。

[1] 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志(第十四分册：重要河口)[M].北京：海洋出版社,1998：432-450.

[2] 朱龙海,吴建政,亓发庆.现代辽河三角洲潮流沉积[J].海洋地质与第四纪地质,2007,27(2)：17-22.

[3] 陈希哲.土力学地基基础(第四版)[M].北京：清华大学出版社,2004：62-63.

[4] 杨子赓.海洋地质学[M].山东：山东教育出版社,2004：308-313.

[5] LIU J P,M ILLIMAN JD,GAO S.The Shandong mud wedge and post-glacial sediment accumu lation in the Yellow Sea[J].Geo-M arine Letters,2002,21：212-218.