遼東灣近海海底土小應(yīng)變動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

宋丙輝,孫永福,宋玉鵬,3,周其坤,劉振紋,王 琮,杜 星

(1.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.國家深海基地管理中心,山東 青島 266237;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266235;4.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院,天津 300451)

0 引言

土體小應(yīng)變動(dòng)力特性通常包含土的初始動(dòng)剪切模量(Gmax)、最小阻尼比(λmin)以及<10-4應(yīng)變范圍內(nèi)的動(dòng)剪切模量和阻尼比隨動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展演變規(guī)律(G/Gmax-γ和λ-γ)[1]。作為必要的輸入?yún)?shù),在場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)評(píng)價(jià)或者土—結(jié)構(gòu)物動(dòng)力相互作用分析中,查明土體小應(yīng)變動(dòng)力特性是十分關(guān)鍵的[2-3]。

關(guān)于土體的小應(yīng)變動(dòng)力特性,國內(nèi)外學(xué)者采用多種研究手段[4](如現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試[5]、室內(nèi)彎曲元[6]、共振柱[7]等)針對(duì)不同陸地土類(如砂土[8]、黏性土[9]等)開展了廣泛的研究,積累了眾多研究成果。海洋土在賦存環(huán)境和物質(zhì)成分上與陸地土存在較大差別[10]。受限于復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境以及高成本性[11],目前海洋土小應(yīng)變動(dòng)力特性多通過現(xiàn)場(chǎng)取樣后經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試獲得,積累的有關(guān)研究成果非常有限,研究的深度和廣度均有待進(jìn)一步提高。裴強(qiáng)等[12]統(tǒng)計(jì)分析了渤海海底土室內(nèi)剪切波速測(cè)試資料,發(fā)現(xiàn)海底土剪切波速與埋深存在良好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系;狄圣杰等[13]應(yīng)用XG-I懸掛式剪切波測(cè)井法在江蘇如東、東臺(tái)近海、潮間帶開展了海上剪切波速原位測(cè)試,同時(shí)基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了剪切波速與土體各物理力學(xué)指標(biāo)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,為預(yù)測(cè)海洋土剪切波速做了有益的嘗試;仝玉丁等[14]利用共振柱儀對(duì)江蘇東臺(tái)東沙墾區(qū)原狀和重塑海洋粉土動(dòng)剪切模量、阻尼比進(jìn)行了對(duì)比研究,指出原狀樣的動(dòng)剪切模量和參考剪應(yīng)變均大于重塑樣,而二者的阻尼比沒有明顯差別;姬美秀[15]借助彎曲元和共振柱比較全面地研究了原狀海洋土小應(yīng)變動(dòng)力特性,但研究區(qū)域僅限于杭州灣地區(qū),其他近海海底土小應(yīng)變動(dòng)力特性研究成果仍然非常稀少。

本文利用共振柱儀對(duì)渤海遼東灣近海海底土小應(yīng)變動(dòng)力特性開展室內(nèi)試驗(yàn)研究,探討土體類別、物理性質(zhì)和埋深等因素對(duì)其小應(yīng)變動(dòng)力特性的影響,同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果與前人研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析和討論。研究成果可豐富海洋土動(dòng)力特性研究內(nèi)容,亦可為海上場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析評(píng)價(jià)工作提供可選參數(shù)。

1 土樣和試驗(yàn)方案

1.1 取樣點(diǎn)

本研究中海底土樣品取自渤海遼東灣蓋州灘東南端,緊鄰盤錦港(圖1),屬于遼河油田淺海油氣資源開發(fā)區(qū)。取樣點(diǎn)在構(gòu)造上地處遼河—遼東灣坳陷,NE向的郯廬斷裂帶貫穿該地區(qū),50年10%超越概率水平下的抗震烈度為6.8度,其地震潛在危害性較高。

圖1 取樣點(diǎn)位置Fig.1 Sampling point location

1.2 海洋土物理性質(zhì)

本次共采集5組不同埋深海底原狀土樣開展室內(nèi)小應(yīng)變動(dòng)力特性測(cè)試,依據(jù)物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果可知其中3組屬于粉砂,另外2組屬于粉質(zhì)黏土。各組土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。其中顆粒成分試驗(yàn)結(jié)果顯示粉砂中粗粒組(0.25～0.075 mm)含量超過55%,其次為粉粒,黏粒(<0.005 mm)含量小于10%,而粉質(zhì)黏土中粗粒組(>0.075 mm)含量約為42%,黏粒含量介于10%～20%,其余為粉粒。

1.3 共振柱試驗(yàn)方案

本次海底土小應(yīng)變動(dòng)力特性測(cè)試采用了英國GDS公司生產(chǎn)的RCA型共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)[16]。基于扭轉(zhuǎn)自由振動(dòng)假定和波動(dòng)方程可計(jì)算得到不同試驗(yàn)控制條件下的試樣剪切波速、剪切模量以及阻尼特性。試驗(yàn)土樣的直徑和高度分別為50 mm和100 mm。試驗(yàn)流程與常規(guī)三軸不排水剪切試驗(yàn)類似,分為裝樣、反壓飽和、飽和度檢測(cè)(B值>0.95)、試樣固結(jié)和開展測(cè)試等步驟[16],其中為了反映海洋土原位應(yīng)力特征,將試驗(yàn)固結(jié)圍壓設(shè)定為土樣上覆有效土壓力(表1)。測(cè)試過程中通過不斷增大電壓幅值可獲得較大動(dòng)應(yīng)變范圍內(nèi)(10-6～10-4)海底土的動(dòng)力特性。

表1 海底土基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of seabed soil

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 初始動(dòng)剪切模量Gmax

初始動(dòng)剪切模量Gmax代表了土體在彈性變形階段(約10-6)抵抗外界動(dòng)力變形的能力,其大小受多種因素的影響。對(duì)砂性土而言,圍壓和孔隙比的影響比較顯著;對(duì)黏性土而言,塑性指數(shù)的影響不容忽視[17]。表2列出了本次共振柱試驗(yàn)測(cè)試得到的遼東灣近海原狀海底土初始動(dòng)剪切模量Gmax,相應(yīng)的剪切波速vS也一并列于表中。

表2 海底土初始動(dòng)剪切模量GmaxTable 2 Initial dynamic shear modulus Gmax of seabed soil

Zuccarino等[18]收集整理了近年來國際上不同濱海地區(qū)原狀海相細(xì)粒土彎曲元和共振柱試驗(yàn)數(shù)據(jù),并據(jù)此提出了一種新的預(yù)測(cè)海相土初始動(dòng)剪切模量Gmax的經(jīng)驗(yàn)公式:

(1)

式中:e為孔隙比;OCR為超固結(jié)比;k為與塑性指數(shù)相關(guān)的超固結(jié)比指數(shù);Pa為參考?jí)毫?通常取100 kPa;σ′為固結(jié)圍壓,單位kPa。

本文利用式(1)同時(shí)結(jié)合表1中給出的物理指標(biāo)對(duì)遼東灣近海海底土初始動(dòng)剪切模量Gmax進(jìn)行了公式預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果列于表2。其中室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果顯示本文海底土處于正常固結(jié)狀態(tài),故OCR取為1.0。由表2可知,除L-1粉砂試樣外,其余土樣的試驗(yàn)Gmax與預(yù)測(cè)Gmax非常接近,一定程度上佐證了Zuccarino等[18]提出的海相土初始動(dòng)剪切模量預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式的合理性。需要說明的是本次室內(nèi)共振柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較有限,因此尚需開展更多試驗(yàn)以便驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)公式在渤海海域的適用性。至于L-1粉砂試樣對(duì)應(yīng)的Gmax相比較預(yù)測(cè)值偏小較多,分析可能與樣品擾動(dòng)有關(guān)[19]。

前人在遼東灣海域開展場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析時(shí)給出了相應(yīng)的海底土層剪切波速剖面[20]。為了進(jìn)一步評(píng)估本文試驗(yàn)結(jié)果,將表2中共振柱試驗(yàn)測(cè)得的剪切波速vS繪制于前人提出的海底土層剪切波速剖面圖中,結(jié)果如圖2所示。通過對(duì)比圖2中顯示數(shù)據(jù)可知,本文共振柱試驗(yàn)測(cè)得的不同埋深海底土剪切波速vS與前人研究成果吻合良好。

圖2 遼東灣海底土剪切波速剖面Fig.2 Shear wave velocity profile of seabed soil in Liaodong Bay

2.2 歸一化動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系G/Gmax-γ

歸一化動(dòng)剪切模量G/Gmax和剪應(yīng)變?chǔ)弥g的關(guān)系描述了動(dòng)荷載作用下土體剛度隨動(dòng)應(yīng)變的增大而不斷衰減的特征[17]。圖3描繪了本次共振柱試驗(yàn)得到的不同埋深處原狀海底土歸一化動(dòng)剪切模量G/Gmax隨動(dòng)應(yīng)變?chǔ)玫乃p關(guān)系,其中Vucetic等[21]總結(jié)提出的陸地土歸一化動(dòng)剪切模量衰減經(jīng)驗(yàn)曲線(塑性指數(shù)IP=0、15、30)和蔣其峰等[22]依據(jù)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)提出的渤海海域海底土(埋深35～55 m)歸一化動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系也一并繪于圖3中,以作對(duì)比分析之用。

圖3 海底土歸一化動(dòng)剪切模量衰減曲線Fig.3 Normalized dynamic shear modulus degradation curves of seabed soil

由圖3可知,整體上看小應(yīng)變范圍內(nèi)遼東灣海底土歸一化動(dòng)剪切模量G/Gmax隨動(dòng)應(yīng)變?chǔ)玫脑龃蟪什粩嗨p趨勢(shì),衰減速率先慢后快,速率拐點(diǎn)約在γ=5×10-5附近。埋深不同的粉砂試樣(L-1、L-2和L-3)彼此間動(dòng)剪切模量衰減曲線的歸一化程度比較高,與之類似,粉質(zhì)黏土試樣(L-4、L-5)也表現(xiàn)出良好的歸一化特征。相比較而言,相同動(dòng)應(yīng)變下粉砂的動(dòng)剪切模量比粉質(zhì)黏土衰減得更快一些,體現(xiàn)了塑性指數(shù)IP對(duì)G/Gmax-γ關(guān)系的影響,這種變化規(guī)律與前人研究發(fā)現(xiàn)是一致的[21,23-24]。

通過對(duì)比本文試驗(yàn)結(jié)果與不同塑性陸地土G/Gmax-γ經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[21]可知,本文海底粉砂(IP=0)和粉質(zhì)黏土(IP=13.1和14.7)的動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系與常規(guī)陸地土經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不能很好吻合,表現(xiàn)在與陸地土相比,海底土歸一化動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變?cè)龃蠖p得更慢一些,這可能與海底土特殊的物質(zhì)組成和賦存環(huán)境有關(guān)[10]。另外,與前人[22]動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果相比,本文共振柱試驗(yàn)得到的歸一化動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變?cè)龃笠菜p得更慢一些。這與采用的試驗(yàn)設(shè)備不同有關(guān),鑒于動(dòng)三軸儀更適用于測(cè)試土體大應(yīng)變情況下的動(dòng)力特性[1],因此,本文共振柱試驗(yàn)結(jié)果在小應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)是更科學(xué)合理的[16]。值得注意的是,上述這種歸一化動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系上的差異會(huì)影響場(chǎng)地地震動(dòng)分析反應(yīng)譜的形態(tài),最終對(duì)地震安全評(píng)價(jià)工作造成一定的干擾[20]。

鑒于不同土類的歸一化G/Gmax-γ關(guān)系存在一定離散性,Correia等[25]在傳統(tǒng)雙曲線土動(dòng)力骨干模型的基礎(chǔ)上引入了參考剪應(yīng)變?chǔ)胷來進(jìn)一步描述土體動(dòng)剪切模量衰減曲線的歸一化特征:

G/Gmax=1/[1+a(γ/γr)]

(2)

式中:a是模型的擬合參數(shù);γr為參考剪應(yīng)變,通常代表當(dāng)動(dòng)應(yīng)變?chǔ)谩荭胷時(shí)土體內(nèi)部會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的永久體積變化,反之,體積變化是可恢復(fù)的。一般情況下與之相對(duì)應(yīng)的G/Gmax取值范圍為0.6～0.85[21],結(jié)合動(dòng)剪切模量測(cè)試結(jié)果(圖3),本文選取G/Gmax=0.85對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變?chǔ)?.85作為海底土的參考剪應(yīng)變。

依據(jù)式(2)對(duì)本文共振柱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了重新歸一化,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,引入?yún)⒖技魬?yīng)變?chǔ)?.85后的修正雙曲線模型可以對(duì)不同類別海底土動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系進(jìn)行良好的歸一化處理,從而消除了塑性指數(shù)、埋深等因素的影響。

圖4 海底土G/Gmax-γ/γ0.85關(guān)系歸一化擬合結(jié)果Fig.4 Normalized fitting results of G/Gmax-γ/γ0.85 of seabed soil

2.3 阻尼比增長規(guī)律λ-γ

阻尼比表征了土體在動(dòng)荷載作用下的能量耗散能力[26]。本次共振柱試驗(yàn)得到的海底土阻尼比λ隨動(dòng)應(yīng)變?chǔ)迷鲩L的發(fā)展演變趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可知,本次共振柱試驗(yàn)測(cè)試得到的遼東灣海底土阻尼比λ隨動(dòng)應(yīng)變?chǔ)玫脑龃蟪示徛龃筅厔?shì)。在動(dòng)應(yīng)變起始階段,海底土的阻尼比非常小,接近于0。隨著動(dòng)應(yīng)變的增大,阻尼比也不斷增大;當(dāng)γ=10-3時(shí),λ增大至4%左右,這種變化趨勢(shì)與浙江舟山漁場(chǎng)海洋土阻尼比發(fā)展演變規(guī)律是相近的[27]。另外值得注意的是,小應(yīng)變范圍內(nèi)本文粉砂和粉質(zhì)黏土對(duì)應(yīng)的λ-γ增長趨勢(shì)是很相近的。

圖5 海底土阻尼比λ-γ相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between λ and γ of seabed soil

通過與Vucetic等[21]總結(jié)提出的陸地土阻尼比λ-γ經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比還可以看出相同動(dòng)應(yīng)變下海底土阻尼比λ比陸地土要小,而且隨著動(dòng)應(yīng)變的增大,二者之間的差距呈不斷增大趨勢(shì),這在一定程度上反映了海底土小應(yīng)變動(dòng)力性質(zhì)的獨(dú)特性。

與描述歸一化動(dòng)剪切模量G/Gmax-γ衰減關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖愃?前人[27]針對(duì)浙江舟山海洋土阻尼比λ-γ發(fā)展演變趨勢(shì)給出了如下雙曲線經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型:

λ=aγ/(b+γ)

(3)

式中:a和b均是模型的擬合參數(shù)。

采用公式(3)對(duì)本文共振柱試驗(yàn)得到的海底土小應(yīng)變范圍內(nèi)阻尼比λ-γ關(guān)系進(jìn)行了模型擬合分析,結(jié)果如圖6所示,擬合結(jié)果顯示該阻尼比預(yù)測(cè)模型對(duì)遼東灣海底土阻尼比λ-γ關(guān)系的模擬預(yù)測(cè)效果良好。

圖6 海底土阻尼比λ-γ相關(guān)關(guān)系模型擬合結(jié)果Fig.6 Model fitting results of correlation between λ and γ of seabed soil

3 結(jié)論

由于多種因素限制,原狀海洋土動(dòng)力特性研究成果一直比較匱乏。本文通過海上原位鉆孔取樣以及室內(nèi)共振柱試驗(yàn)對(duì)渤海遼東灣海底原狀土開展了小應(yīng)變動(dòng)力特性研究,同時(shí)與前人相關(guān)研究成果進(jìn)行了對(duì)比和討論,得到如下研究結(jié)論:

(1) 共振柱試驗(yàn)得到的遼東灣海底土初始動(dòng)剪切模量Gmax與Zuccarino等[18]總結(jié)提出的海洋土Gmax經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式吻合良好,此外,不同埋深遼東灣海底土剪切波速與周邊海域海底土剪切波速剖面也可以良好兼容;

(2) 與常見陸地土相比,遼東灣海底土歸一化動(dòng)剪切模量隨動(dòng)應(yīng)變?cè)龃笏p得更慢一些,引入?yún)⒖技魬?yīng)變?chǔ)?.85的修正雙曲線模型可以對(duì)不同塑性、埋深遼東灣海底土小應(yīng)變動(dòng)剪切模量衰減關(guān)系進(jìn)行歸一化處理;

(3) 共振柱試驗(yàn)測(cè)得的遼東灣海底土小應(yīng)變阻尼比λ-γ增長規(guī)律近似于浙江舟山漁場(chǎng)海洋土阻尼比發(fā)展演變規(guī)律,小應(yīng)變范圍內(nèi)粉砂和粉質(zhì)黏土的λ-γ增長趨勢(shì)比較相近;

(4) 相同動(dòng)應(yīng)變下海底土阻尼比λ小于常見陸地土的阻尼比,海底土小應(yīng)變范圍內(nèi)阻尼比λ-γ關(guān)系可以采用雙曲線模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè);

(5) 限于海底土樣品獲取比較困難,本文研究尚不全面,后續(xù)仍需開展更多相關(guān)研究工作,以驗(yàn)證Zuccarino等[18]總結(jié)提出的海洋土Gmax經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式在我國近海海域的適用性,另外,關(guān)于海洋土與陸地土在小應(yīng)變動(dòng)力特性方面的差異性及其原因也需開展進(jìn)一步的深入研究。