南海荔湾深水重塑沉积物的静、动力特性

周杨锐 ，王建华 ，李书兆

（1.中海油田服务股份有限公司，天津 300451；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.天津大学 岩土工程研究所，天津 300072）

深水海洋平台的基础大多为浅基础，因此研究深水环境中浅层沉积物的工程地质性质对海洋深水结构物的地基基础设计十分重要（Andersen et al，2005；Lunneetal， 2007；Randolph， 2011；Randolph，2010）。以往，我国海洋能源的开发均限于浅水区域，对深水区海底沉积物特别是海底浅层沉积物的工程性质缺乏必要的科学认识。深水环境中，海底浅层沉积物多为饱和软土，这种软土具有高含水率、高塑性指数、容重小、剪切强度低等特点（Andrei et al，2009；Colliat et al，2011；Le et al，2008；Thomas et al，2007），从而使这种沉积物与常规意义上的饱和软土工程性质相比可能存在差异。表1列出了世界范围内几种深水浅层沉积物的基本物性指标。

正在开发的南海荔湾气田是中国第一个海洋深水气田，拟采用水下井口采油树结构进行开采。水下井口处的水深大约为1 500 m。已进行的工程地质调查表明，该处泥面以下20 m范围内的浅层沉积物均为软土，其含水率变化范围为80%～160%，容重变化范围为12-15 kN/m3，现场十字板试验测得剪切强度变化范围为3～20 kPa；海底以下5 m范围内沉积物的塑性指数变化范围为30～60，液限含水率变化范围为70～90，小于0.005 mm的粘粒含量小于20%，无有机物。可见该处的浅层沉积物与表1给出的深水浅层沉积物相比，含水量高，容重低，塑性指数高是共同特点。但是该处浅层沉积物的粘粒含量明显小于表1中列出的其他深水浅层沉积物的粘粒含量。

表1 几种深水浅层沉积物基本物性指标

鉴于目前受到1 000 m以上深水取样成本与取样技术的限制，若取得不同深度的原状土样尚有一定困难。为了对南海海底浅层沉积物的工程地质性质有一个较全面的定量认识，本文对利用重力式取样技术获得的水下井口处泥面以下5 m范围的沉积物进行了重塑，进而对这种重塑后的深水浅层沉积物进行了变水头渗透试验、一维固结试验、灵敏度试验、不固结不排水三轴剪切试验、k0固结不排水三轴压缩试验与三轴拉伸试验、低频循环荷载作用下的不固结不排水三轴剪切试验、模拟地震荷载作用下的固结不排水循环三轴剪切试验，确定该种深水浅层沉积物的静、动力工程地质参数，并与其他深水软土工程地质参数进行了对比分析。

1 试验土样制备与试验简介

采用真空预压方法制备试验土样。真空预压制备土样的装置由真空泵、排水罐及土样制备箱组成。排水罐上部与真空泵相连，下部与土样制备箱相连。土样制备箱尺寸为67×49.5×47 cm。在箱底部铺设7 cm厚的碎石反滤层，反滤层中铺设与排水罐相连的排水管路，碎石层上面再铺设土工布以增强反滤作用。为提高制备土样的均匀性，预压时只在土层上、下两面设置排水边界，侧面为不排水边界。

制备土样时，首先按含水量140%配置泥浆，然后将泥浆放置在制备箱中，再在预压土层上面铺设排水土工布，然后通过管路将预压土层上、下面的滤层连接以形成上下面排水边界。预压时，利用真空调节阀保持真空预压力不大于50 kPa，以防止预压过程中在土的四周形成硬壳。预压后土样的平均含水量为80%，平均容重为15 kN/m3，液限含水量76%，塑性指数38。

试验包括变水头渗透试验、一维加卸载固结试验、灵敏度试验、k0固结土样的三轴压缩试验与三轴拉伸试验、不固结不排水（UU）静三轴剪切试验与低频循环荷载作用下的三轴剪切试验、模拟地震荷载作用下的固结不排水循环三轴剪切试验。所有试验参照《土工试验规程》（SL237—1999）进行。

在变水头渗透试验过程中，每隔10 min记录水位和相应的水温，进而确定标准温度下渗透系数。

进行一维固结试验时，给土样施加的上覆有效压力变化范围为0.025 MPa～3.2 MPa，且当上覆有效压力为0.1 MPa和0.2 MPa时进行卸载回弹试验。

为了进行k0固结土样三轴剪切试验，首先按以下步骤测定三轴试验土样k0固结时的侧压力系数：

（1）将土样安置在三轴压力室内，施加5 kPa的围压，将橡皮膜与土样之间多余的自由水排出。

（2）给土样施加第一级围压σ3，打开土样的排水开关使土样排水固结。固结过程中，记录土样的排水量与轴向位移，并通过调节施加给土样的轴向压力使土样的直径保持不变，直到在该级围压下土样排出的水量不在变化、且轴向位移趋于稳定为止。记录此时土样受到的轴向偏应力σ1-σ3。

（3）增大围压，重复第（2）步直到达到最大的预定围压为止。分别以σ1和σ3为横轴与纵轴，对每一级围压作用下试样稳定时的σ1和σ3进行过原点的直线拟合，拟合直线的斜率就是三轴试样k0固结时的侧压力系数。

共进行了3个平行试验，图1是试验结果，据此得出三轴土样k0固结时的侧压力系数为0.48，这与文献（Fugro Report，2011）给出的荔湾深水场地原状土样k0固结时的侧压力系数基本一致。（为三轴试样轴向循环应力）。对于不固结不排水循环三轴试验，若σa/σf=0.0，将土样轴向循环应变达到10%作为破坏标准；若σa/σf>0.0，将土样轴向静应变与循环累积应变之和达到10%作为破坏标准。依据破坏标准确定循环破坏次数。试验中的应力循环破坏次数控制在2 000以内。

对于模拟地震荷载作用下的固结不排水循环三轴剪切试验，先使土样完成等压固结，然后在不排水条件下给土样施加循环频率为1.0 Hz的轴向循环应力直到土样破坏为止。

所有三轴试验土样的初始尺寸为：直径3.91 cm，高8 cm。利用HX-100电气伺服静、动三轴仪完成试验

2 试验结果与分析

图1 k0系数试验结果

k0固结土样三轴剪切试验选取的围压分别为：25 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa。试验时，首先按上述方法使土样在三轴压力室内k0固结，然后在应力控制下进行不排水三轴剪切试验。按轴向应变达到10%确定土样破坏时的轴向应力。

（王建华等，2001）中的方法进行不固结不排水静三轴剪切试验与低频循环应力作用下的三轴剪切试验。对于低频循环应力作用下的三轴剪切试验，循环应力频率为0.1 Hz，围压取100 kPa，归一化平均应力σa/σf（即三轴试样受到的轴向静偏应力σa与不固结不排水静三轴压缩强度之比）分别取0、0.3、0.5和0.7。对于同一归一化平均应力，又取不同的归一化循环应力进行试验

2.1 渗透性、压缩性与灵敏度分析

变水头渗透试验测定的重塑后南海荔湾深水浅层沉积物渗透系数k=2.59×10-7cm/s，这与一般软粘土的渗透系数是同一个数量级，但是明显大于文献（Andersen et al，2005）给出的世界其他深水区域浅层沉积物的渗透系数，见表2。这表明与表2给出的其他深水区浅层软土相比，在南海荔湾深水区安装基础后，受扰动软土层强度恢复的时间将缩短，基础会在相对较短的时间内达到使用时的承载能力。

图2是一维固结试验得到的e-lgp压缩、回弹曲线，据此确定出的压缩指数=0.601，平均回弹指数=0.042，为压缩指数的0.07倍；压缩系数a1-2=1.21×10-3kPa-1。这些指标显示，这是一种高压缩性的深水沉积物。进一步由时间平方根法计算固结系数cv=1.54×10-3cm2/s，与表2给出的固结系数相比可知，荔湾深水浅层沉积物完成固结所需时间比表2给出的其他地区深水浅层沉积物要短。尽管这里的试验结果是依据重塑后的沉积物得出的，但是在一定程度上也反应了荔湾深水区原状浅层沉积物渗透与固结特性。因此依据这里的试验数据推论：在荔湾深水区基础安装完成后，地基达到90%的固结度所花费的时间比表2给出的其他深水区软土地基达到同样固结度所需的时间要短。

对制备土样也进行了扰动后的灵敏度试验，结果表明，制备土的灵敏度大于3。对荔湾原状土样进行的灵敏度试验结果显示（Fugro Report，2011），原状土的灵敏度变化范围在3-7之间。可见，荔湾深水区浅层沉积物是中高灵敏的软弱沉积物。

表2 几种深水沉积物的渗透系数、固结系数与灵敏度

图2 e-lgp压缩曲线

2.2 K0固结不排水三轴剪切试验结果分析

图3 k0固结不排水三轴剪切试验结果

k0固结三轴土样的不排水压缩强度与拉伸强度是分析深水软土地基上重力式基础稳定性的重要指标（Andersen et al，2005；Randolph et al，2010）。图3给出了由不同围压下k0固结不排水三轴压缩与三轴拉伸试验得到的应力应变曲线，按10%的应变标准确定压缩强度与拉伸强度（角标f表示破坏），结果见表3。进一步，分析是否可以利用k0固结不排水三轴压缩试验结果确定的Mohr-Coulomb强度参数预测k0固结三轴拉伸试验结果。为此，首先依据表3中的三轴压缩试验结果确定Mohr-Coulomb强度参数，结果见图4与表3。然后据此预测三轴拉伸试验的，表3给出了预测结果。表3中的预测与试验结果比较表明，预测结果明显小于试验结果。因此，这里的试验结果显示，不能依据Mohr-Coulomb强度准则建立该种深水浅层沉积物k0固结后三轴压缩强度与三轴拉伸强度之间的关系。但是可以依据Mohr-Coulomb强度准分别建立k0固结后三轴压缩强度与三轴拉伸强度的变化关系。图5是依据k0固结三轴拉伸试验结果做出的土样破坏时的应力圆与Mohr-Coulomb强度包线，据此确定相应的强度参数，结果也见表3。

图4 三轴压缩时的抗剪强度包线

图5 三轴拉伸时的抗剪强度包线

表3 k0固结不排水三轴剪切试验结果

2.3 不固结不排水静强度与循环强度

分别在50、100、200 kPa围压下进行不固结不排水（UU）静三轴压缩与拉伸试验，进而按前述破坏标准确定不排水静强度（σ1-σ3）f，结果为23 kPa。这表明该重塑土的UU静强度与文献（Fugro Report，2011）给出的原位10-20 m埋深土层的不排水静强度相近。以静强度（σ1-σ3）f为规一化参数，对不同围压下的UU静三轴试验得到的应力应变曲线进行规一化处理，见图6。进行循环三轴试验时，按文献（王建华等，2001）中的方法依据归一化应力应变曲线给土样施加平均应力与循环应力。

图6 归一化应力应变曲线

通常将土的循环强度理解为在给定循环次数下，达到破坏标准时的平均应力与循环应力之和。式（1）给出了由循环三轴试验确定的循环强度关系。

由UU循环三轴试验结果，按前述破坏标准，确定与一定循环强度对应的循环破坏次数，进而做出归一化循环强度（循环强度与静强度之比）随循环破坏次数的变化关系曲线，结果见图7。再依据图7，做出同一循环破坏次数下归一化循环强度随归一化平均应力（平均应力与静强度之比）的变化关系，结果见图8。图8中还给出了一种渤海滩涂重塑软粘土的归一化循环强度变化关系，渤海滩涂软粘土含水量=40.58%，塑性指数=18.3，天然容重=17.63 kN/m3，试验时施加的围压为30 kPa。对比图8中两种土的试验结果表明，它们的变化趋势一致，即同一循环破坏次数下，归一化循环强度随归一化循环平均应力的增加而增加；不同在于同一循环破坏次数、同一归一化平均应力对应的深水沉积物的循环强度比渤海滩涂饱和软粘土的归一化循环强度高。由于通过试验确定深水原状土的不排水循环强度变化关系需要大量原状试验土样，这在目前的深水工程勘察中还存在较大困难。因此，这里利用重塑后的深水土样获得的不排水归一化循环强度变化关系需要大量原状试验土样，这在目前的深水工程勘察中还存在较大困难。因此，这里利用重塑后的深水土样获得的不排水归一化循环强度变化关系可以作为分析深水基础在低频循环荷载作用下稳定性的参考。

2.4 地震荷载作用下的固结不排水动力特性分析

在固结不排水动三轴试验中，给土样施加的固结围压为60 kPa，这相当于现场埋深10 m以上的土层。这里的试验结果表明，当土样轴向峰峰动应变达到10%时，土样中的振动累积孔压大约为0.9倍的围压，也就是在强地震荷载作用下，这种高含水率的深水浅层沉积物会产生高的震动累积孔压，从而使土的强度明显弱化。依据动三轴试验结果，按10%的峰峰振动应变确定振动破坏次数，图9是相应的动强度曲线，图中的σc是试验时给土样施加固结压力，σf，cy土样达到破坏时的循环应力。在考虑基础的抗震性能时，如果设计地震荷载导致的土层地震剪应力大于土层的动强度，尽管这种深水浅层沉积物不会发生液化，但是由于土层中存在较高的震动累积孔压、土层强度明显弱化，并可能导致这种土层上的重力式基础产生明显的震陷变形。

图7 归一化循环强度曲线

图 9 固结不排水动强度曲线

3 结论

南海深水浅层沉积物是一种高含水量的特殊软弱沉积物。以往对于此类沉积物的工程性质必要的认识，为此本文对重塑后的南海荔湾深水浅层沉积物的工程性质进行了试验研究，得到以下结论：

（1）南海荔湾深水区浅层沉积物具备饱和软粘土所有物性特征，它的渗透系数与一般软粘土的渗透系数属同一数量级，但是比世界其他深水区浅层软土渗透系数大1-2个数量级。这表明在该深水区安装基础后，受扰动软土层强度恢复时间将短于其他深水区的恢复时间。

（2）该深水浅层沉积物属高压缩性、中高灵敏度的软土。对于该土层上的重力式基础，基础的沉降量可能较大，但是与世界其他深水区浅层软土上的重力式基础相比，达到相同固结度时所需时间相对较短。

（3）如果利用Mohr-coulomb强度理论描述该深水浅层沉积物k0固结不排水三轴压缩强度与三轴拉伸强度的变化，则三轴压缩试验的Mohrcoulomb强度参数完全不同于三轴拉伸试验的Mohr-coulomb强度参数。

（4）低频循环荷载作用下，该深水浅层沉积物不排水循环强度的变化规律与一般饱和软粘土的变化规律基本一致。本文给出的归一化不排水循环强度变化关系可以作为分析南海荔湾深水区重力式基础在低频循环荷载作用下稳定性的参考。

（5）强地震荷载作用下，此种深水浅层沉积物中的振动累积孔压不会达到震动液化的条件。但是土层中会累积较高的孔隙水压力，从而使土层强度明显弱化，并可能导致土层产生较大震陷。

南海深水浅层软弱沉积物工程性质是一个全新的问题，本文对重塑后的南海荔湾深水区浅层沉积物进行了多种试验研究，以便对这种高含水率、高液限、高塑性指数、低容重的深水浅层沉积物工程性质有一个定量认识，从而为深水基础工程设计提供一些可供参考的科学数据。

参考文献

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