江苏大丰海域海洋黏性土动力特性试验研究

蔡玮良

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引 言

我国海上风资源储量丰富，东南部沿海，特别是江苏和广东沿海，具有非常好的规模化风电开发条件。根据中国气象局风能资源详查初步成果，测得我国5～25 m水深线以内近海区域、海平面以上50 m高度风电可装机容量约2亿千瓦，70 m以上可装机容量约5亿千瓦[1]。风机运转周而复始，风轮以一定的频率转动，若引起风机结构共振，将会造成难以估量的经济损失。最易引起风机结构共振的荷载产生于风轮的转动，其频率为：（1）转子频率（1P）；（2）叶片扫掠频率（NbP，Nb为叶片数量）。工程设计中常以风机结构的自振频率避开 1P频率和NbP频率带为目标，合理的土体动力特性参数选择对风机动力响应分析结果起着决定性的作用。除此之外，我国海域及滨海地区特别是邻近板块俯冲带区域的地质构造活动非常活跃，如渤海、台湾海峡、南海、黄海、东海历史上均发生过地震[2]，因而海洋工程结构的地震安全问题也需要关注。

最大剪切模量G0、动剪切模量比G/G0和阻尼比λ与剪应变幅值γ的关系曲线是土体动力特性的最基本参数。国内外学者已广泛开展了海洋土动剪切模量G与阻尼比λ特性的研究[2-12]。例如，国际上，KOUTSOFTAS 等[3]、KAGAWA[4]、VRETTOS 等[5]、LANZO等[6]曾对不同海域的海洋土进行试验研究，研究了超固结比OCR、初始有效围压σm'、孔隙比e、塑性指数Ip等因素对海洋土G与λ的影响。国内，兰景岩等[7]通过试验研究了渤海部分典型海洋土的G和λ特性；孙田等[8-9]研究了琼州海峡海洋土的G和λ特性；尹松等[10]研究了某海域海洋沉积土的G和λ特性；陈国兴等[2]和杨文保等[11-12]研究了金塘海峡、长江口海洋土的G和λ特性。但迄今为止国内关于海洋土的G和λ特性的试验研究多局限于渤海与南海的局部海域[2]，对于渤海、南海其它海域及黄海海域海洋土的动力特性还相对较少。

江苏大丰海域正开展大规模的海上风电场建设，其位于华北地震区东南部的长江下游——黄海地震带上，抗震设防基本烈度为VIII度，风机基础抗震设计动力分析中需要海洋土的动力特性参数。本文结合江苏大丰H8大型海上风电场的建设，对场地内海洋粉质黏土开展了共振柱试验，分析了剪应变γ、埋深H和孔隙比e对其G与λ的影响，提出了不同埋深条件下海洋土的G/G0-γ与λ-γ曲线预测方程和参数推荐值。试验成果为江苏附近海域海洋工程抗震及动力分析提供关键的土体动力特性参数，也进一步丰富我国海洋土动力特性的研究。

1 试样与试验方法

1.1 试样

本次试验所用原状土样钻取自江苏大丰海上风电场项目，场地的海洋土主要是第四系全新统海积层、海陆交互相沉积层和晚更新世海陆交互相沉积层组成，跟其他地区软土相比，粉粒和砂粒含量较其他地区软黏土高。根据土样的物理性质，将试验海洋土划分为粉质黏土，其基本物理性质见表1。

表1 海洋黏性土的基本物理力学性质和试验工况Table 1 Basic physical and mechanical properties and experimental conditions of the marine clay

1.2 试验方法

试验采用英国 GDS共振柱系统，测定海洋土小应变幅值范围内（10-6～10-3）的动剪切模量G、阻尼比λ与γ之间的关系曲线，并在此基础上确定最大动剪切模量G0。具体试验设备及相关参数可参见YANG和GU[13]、顾晓强等[14]。

试样尺寸为直径50 mm，高度100 mm的圆柱体试样。试验黏土属于正常固结黏土，按土样深度施加围压对试样进行固结，固结围压取各土样取土深度处的有效自重应力（上部土层有效重度取9 kN/m3）。若试样排水量小于100 mm3/h，则认为试样固结完成，可开展共振柱试验。试验中测定不同激振力（即应变）下土样自振频率（即动剪切模量），以及自由振动下土样振幅随振动次数的变化（即动阻尼比），最终可得到土样动剪切模量G和阻尼比λ随剪应变的关系曲线。

2 试验结果分析

2.1 动剪切模量G与阻尼比λ

图1给出了试验海洋土的动剪切模量G与阻尼比λ随剪应变幅值γ的变化。由图可见，该海洋在小应变范围具有较强的非线性和滞回性，均呈现G随γ增大而减小、λ随γ增大而增大的特征。当γ＜ 10-5时，G随γ增大而略有减小，λ随γ增大而略有增大或基本不变。随着γ的继续增大（γ ＞ 10-5），呈现出G明显减小、λ明显增大的特征。随γ的进一步增大（ γ ＞ 10-4），呈现G迅速减小、λ迅速增大的特征。同时，相同剪应变幅值下，海洋黏性土均呈现G随埋深增大而明显增大、λ随埋深增大而略有减小的特征。

图1 试验海洋黏性土的G与λ随剪应变幅值的变化Fig.1 Variations of G and λ with shear strain amplitude of the experimental marine clay

2.2 最大动剪切模量G0

土的最大动剪切模量G0通常定义为γ≤ 10-6时对应的动剪切模量G值。土体G值随剪应变γ（即动荷载水平）的增大而降低，HARDIN等[15]给出了动剪切模量比G/G0与γ的关系（Hardin-Drnevich双曲线模型）：

式中：γr为参考剪应变，即当动剪切模量衰减到最大动剪切模量的一半时所对应的剪应变。

式（1）经过推导可得动剪切模量倒数与动剪应变幅值成直线关系，表达式如下：

式中：a、b为拟合参数，其中G0=1/a，γr=a/b。表2给出了本次试验中的G0、γr值。

表2 海洋黏性土的G0和γrTable 2 G0 and γrfor marine clay

由表2可见，海洋黏性土的G0值总体上随埋深的增大而增大，体现了G0的应力相关特性。土体的G0通常与孔隙比和有效围压有关，采用下式对试验海洋黏性土的G0进行拟合[15-16]：

式中：A 为拟合常数；F(e)为孔隙比e的函数，反映了e对G0的影响；为有效围压；Pa为参考压力100 kPa；m为应力指数，反映对G0的影响。

图2给出了试验海洋土G0随围压和孔隙比的关系曲线。结果表明G0主要取决于有效围压和孔隙比，拟合结果为G0=45.2e-0.95(/Pa)0.46，拟合系数R2=0.99。该公式可用作附近海域根据海洋黏性土的基本物理特性预估其最大动剪切模量。需要注意的是，由于取样扰动等原因，室内共振柱试验测定的G0值可能比现场波速试验确定的G0值小[17]。

图2 黏性土G0随孔隙比和应力的变化Fig.2 Variations of G0 of clay with void ratio and stress

2.3 模量衰减与阻尼特性

为探究海洋黏性土的模量衰减（非线性）特性随埋深的变化特征，将G进行归一化处理，利用G/G0表征其非线性特征。同时，为探究阻尼比随埋深的变化特征，采用陈国兴等[2]提出的经验公式拟合不同埋深海洋黏性土的λ-γ关系曲线：

式中：λmin为土的基本阻尼比，与土的类型、固结状态与沉积环境有关；λ0和n为阻尼比曲线形状系数，与土的类型有关。

图3给出了试验海洋黏土的G/G0-γ与λ-γ曲线。可以看出，海洋黏性土均呈现出较强的非线性与阻尼特性：当 γ ＜ 10-5时，随着γ的增大，G/G0略有减小，λ略有增大；当 γ ＞ 10-5时，随着γ的增大，G/G0明显减小，λ明显增大；当 γ ＞ 10-4时，G/G0迅速衰减，λ迅速增大；直至γ＞0.1时，G/G0趋于0，λ也趋于稳定，达到最大值。

图3 试验海洋黏性土的G/G0-γ与 λ-γ关系曲线Fig.3 G/G0-γand λ-γcurves for the experimental marine clay

由海洋黏性土的G/G0-γ与λ-γ曲线随埋深的变化可知，埋深对海洋黏性土G/G0-γ和λ-γ曲线的形状存在明显影响。随着埋深的增加，G/G0-γ曲线移向右上方，G/G0-γ的衰退梯度减小，这意味着土体的非线性特性减弱；相反，λ-γ曲线移向右下方，即γ相同时λ减小。根据式（1）可得拟合参数γr，建立γr与围压（埋深）的关系如下：

式中：c、d为拟合参数；/Pa表征有效围压（或埋深）对γr的影响。图4给出了γr随埋深的变化曲线，可见γr随埋深或有效围压的增加而增大，拟合结果为拟合系数R2=0.96。该公式可以用作不同深度海洋黏性模量衰退曲线的预测。

图4 海洋黏性土的γr随埋深或围压的变化Fig.4 Variations ofγrof marine clay with soil depth or confining pressure

为比较各海域土动力特性的差异，分别将本次试验的江苏大丰海域、金塘海峡[2]、渤海湾[7]不同深度粉质黏土的G/G0-γ和λ-γ曲线进行比较，如图5所示。由图可见，深度相近时，不同海域海洋土的G/G0-γ和λ-γ曲线有明显不同，江苏大丰海域粉质黏土的G/G0-γ曲线位于其他海域海洋土的右上侧，表明本次试验土体非线性特性弱于其它海域海洋土；而λ-γ曲线位于其他海域海洋土的右下侧，表明土体阻尼特性小于其它海域海洋土，符合其非线性较弱的特点。

图5 不同海域粉质黏土与曲线的比较Fig.5 Comparison of G/G0-γand λ-γcurves between silty clay in different sea areas

3 结 论

本文通过系列室内共振柱试验获得了江苏大丰海域原状海洋黏性土的动剪切模量G与阻尼比λ特性，初步结论如下：

（1）小应变剪切模量G0总体上随有效围压（埋深）的增加和孔隙比的减小而增大，并建立了海洋黏性土的G0随有效围压和孔隙比变化的经验关系。

（2）海洋黏性土在小应变范围具有较强的非线性和滞回特性，呈现G随γ增大而减小、λ随γ增大而增大的特征。同时，与金塘海峡、渤海湾等粉质黏土相比，本次试验江苏大丰海域粉质黏土的非线性较弱，模量随剪应变衰减和阻尼随剪应变增加较慢。

（3）Hardin-Drnevich双曲线模型及λ-γ经验关系能较好地描述海洋黏性土G/G0-γ和λ-γ曲线随埋深的变化规律，随着埋深的增加，海洋黏性土的非线性和滞回性特性均呈减弱趋势，并给出了海洋黏性土的非线性参考应变γr随埋深变化的关系，可为江苏附近海域海洋工程动力分析提供重要的土体动力特性参数取值依据。