海底麻坑內外土體物理力學特性差異研究

何旭濤, 張秀峰, 舒 琪, 李世強, 宋 湦, 彭維龍

海底麻坑內外土體物理力學特性差異研究

何旭濤1, 張秀峰1, 舒 琪1, 李世強1, 宋 湦2, 彭維龍1

(1. 國網浙江省電力有限公司舟山供電公司, 浙江 舟山 316021; 2. 自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

為了研究海底麻坑內外土體物理力學特性的差異, 以杭州灣口外軟土海底發現的大型麻坑為研究對象, 分別在麻坑內外進行了4站15 m孔壓靜力觸探(CPTU)測試、2口鉆孔共48個柱狀樣樣品的常規土工試驗, 結果表明麻坑內土體相較麻坑外土體抗剪強度高、壓縮模量大, 飽和度、孔隙率和含水量低, 而淺層氣在海底土體中的賦存形式是造成這種差異的主要原因。

孔壓靜力觸探(CPTU); 海底麻坑; 土力學

海底麻坑一般是指海底面呈現如月球表面一般的坑洼地貌, 被普遍認為是由于深部流體通過流體通道在海底強烈快速噴逸或緩慢滲漏亦或是淺層氣逸散剝蝕海底松散沉積物而形成的殘留海底地貌[1]。自1970年被首次發現以來, 越來越多的海底麻坑在全球范圍內特別是在大陸邊緣海底被發現, 突顯出其在指示海底流體活動和海洋地質災害方面具有重要意義, 許多學者對此進行了大量有意義的研究[2-6]。

海底淺層氣在東海近岸海域多有分布, 主要集中于長江水下三角洲和浙江近岸海域的第四紀沉積地層中, 如長江口南支沿岸、長江口外海域、杭州灣至舟山群島地區海域等。第四紀沉積層土體粒徑往往粗細相間、海相陸相交互, 其中淤泥質粉質黏土層和淤泥質黏土層富含有機質, 是常見烴源層, 且同時具有蓋層作用, 粗顆粒砂質沉積物因孔隙度較大, 可形成儲集層, 因此導致淺層氣在第四紀地層中的分布常常具有多層性, 儲集層一般與烴源層互相疊加, 高壓氣囊主要分布在古河道、河口灣和分支河道河口灣中部或邊緣。浙江沿海第四系一般可分為第一含氣層系(全新統)和第二含氣層系(上更新統), 最淺埋深一般為0~30 m。在長江水下三角洲, 淺層氣主要分布在自岸灘至25 m水深范圍內的三角洲前緣與前三角洲沉積區內, 在長江口東南可達35m水深或更深的陸架上。

隨著海洋工程活動的大量增加, 作為常見的海底微地貌類型海底地貌, 海底麻坑不可避免地會與海洋工程活動產生區域重疊, 而海底麻坑的不均勻沉降等特征可能引起嚴重的工程危害[7]。為了提高海洋工程的穩定性及安全性, 加強對海底麻坑土體物理力學特性的研究尤為重要。

現代靜力觸探技術(cone penetration testing, CPT)發展于20世紀60年代, 其作用是根據探頭貫入時候的阻力(錐尖阻力c、側摩阻力s)和貫入深度獲得這些靜力觸探參數隨深度的變化曲線圖, 并以此對土體類型及物理力學性質進行判別[8-11]。其后又發展出了可進行孔隙水壓力測量的孔壓靜力觸探(CPTU), 相較于傳統的鉆探方法, CPTU測試能夠提供高分辨率連續的原位測試數據, 消除了取樣過程中的干擾對測試分析的影響, 減少了取樣及樣品分析等工作量, 節約成本且大大提高了效率。在海洋工程勘察中, 由于取樣的困難及取樣方式的限制, 我們很難利用傳統的取樣實驗的方式獲得高精度的測試數據, 而CPTU測試技術可以很大程度上的克服這些困難, 使我們獲得連續的海底土體原位數據[12-15]。近年來, 海洋孔壓靜力觸探(CPTU)技術因其高效、準確的優勢, 在海洋工程勘測及工程地質災害調查中得到廣泛應用: 梁文成等[16]在港珠澳大橋島隧工程地質勘察工作中成功利用CPTU技術進行了工程地質物理力學特性分析; 陳磊[17]利用CPTU技術對海上某井位進行準確的地質分層; 彭鵬等[18]采用CPTU方法對三亞新機場海洋軟土工程特性進行評價, 均取得了良好的效果?？梢婌o力觸探技術在工程中的應用具有重要的意義, 可以對海底土的工程特性作比較全面的分析和評價。

本文利用在杭州灣口外軟土海底采集的鉆孔分析數據以及孔壓靜力觸探(CPTU)分析數據, 研究杭州灣口外海域某大型海底麻坑內外的土體物理力學性質差異, 分析差異形成原因, 為提高海洋工程建設安全性提供支撐。

1 研究方法

1.1 研究區位置及聲學地層特征

研究海域位于杭州灣口外現代長江水下三角洲南緣, 中街山列島-東極鎮北側海域, 坐標范圍東經約122°41′23.7″~122°43′23.2″、北緯約30°13′26.2″~ 30°14′34.6″之間(見圖1)。該區第四紀以來形成了浙東南陸相松散碎屑沉積及濱海海陸交互相、海相松散沉積, 平均水深約28 m, 海底地形較為平坦, 主要物源來自長江及錢塘江攜帶的泥沙[19-20]。

圖1 研究區位置圖

研究區淺地層剖面顯示麻坑下方聲學反射信號受到明顯的干擾, 形成明顯的聲學屏蔽現象, 表明有淺層氣存在于地層中[21], 屏蔽層的頂界面在麻坑區抵達海底面(見圖2); 形狀為不規則橢圓形(見圖3), 南北向長度約400 m, 東西向寬度約150 m, 麻坑深度約1 m, 屬于大型麻坑[22]。

1.2 孔壓靜力觸探測試

為了對比海底麻坑內外土體物理力學性質差異, 在麻坑內外不同位置分別布置了4個CPTU測試站位, 貫入深度15 m, CPTU站位分布圖見圖3。

圖2 海底麻坑淺地層剖面圖

圖3 CPTU及鉆孔站位圖

1.3 鉆孔及實驗

為了進一步確定麻坑內外土體物理力學性質差異, 并與CPTU數據進行驗證, 在麻坑內外設置兩個鉆孔, 分別為Zk2(麻坑外)和Zk1(麻坑內), 如圖3。

鉆孔采用XY-2型液壓巖心鉆機配合500噸級錨固平臺, 工藝采用上提活閥式單層雙動巖心管內襯PVC管全深度取樣, 每回次進尺控制在2 m左右, Zk1孔位于麻坑南端中心, 完井深度70 m, Zk2孔位于Zk1孔西北向300 m處, 距離麻坑外緣約150 m, 完井深度50 m。由于Zk2孔的淺地層探測未發現淺層氣的反射特征, 因此可以將其認為未受淺層氣干擾的原始地層。

取回的鉆孔柱狀土樣分段進行室內土工試驗, 海上鉆探取樣后, 將鉆孔柱狀樣密封運輸至陸上室內實驗室, 以3 m為間隔分樣, 按《中華人民共和國行業標準: 土工試驗規程(SL237-1999)》分別測試土樣抗剪強度、液塑限、含水率、密度、壓縮系數等土體物理力學性質參數。

2 結果和討論

2.1 CPTU數據及分析

CPTU的數據無法直接反映土體的物理力學特征, 不過經過30多年的試驗和應用, 學者們建立了大量的兩者之間的經驗公式, 使CPTU數據的c和s等參數與土體的物理力學性質參數產生了聯系, 因此根據這些經驗公式來可以對土體的物理力學性質進行判斷。

關于黏性土的不排水抗剪強度u, 探頭在飽和黏性土中貫入時, 土體處于不排水條件,u可用下式估算[23]:

式中:c表示錐頭阻力;0表示原位總上覆應力;k表示錐頭系數(由經驗取得)。

CPTU測試結果見圖4, 將所選的4個CPTU站位(CP2、CP4位于麻坑內, CP3、CP6位于麻坑外)的c、s曲線以及u進行對比, 可以發現所有麻坑外站位的c均表現出隨探入深度增加而增大的趨勢, 且近似呈線性增加, 表明麻坑外站位的地層連續性較好, 沉積過程穩定; 麻坑內的站位c高于麻坑外的站位, 這種現象可能是流體或氣體釋放后, 土體孔隙度減小, 密度增加形成的;s曲線與u變化規律基本相同, 麻坑內站位的側摩阻力、不排水抗剪強度均高于麻坑外的站位; 測得的土體孔隙水壓力麻坑內外差異不明顯。

圖4 CPTU測試結果

關于黏性土的壓縮模量s, 一般均表示為

式中:表示經驗系數。

根據《工程地質手冊》, 地基土的承載力的確定可用經驗公式:

由此可知,0、s兩個參數均可由c推算, 且與其呈一階正相關, 因此他們的變化態勢與c相同, 即CPTU數據反映出麻坑內15 m以內深度的土體承載力、壓縮模量要高于麻坑外土體。

2.2 鉆孔樣實驗結果

取樣分析發現, 研究區內海底面下30 m內的土樣以黏土為主, 將Zk1、Zk2鉆孔的實驗室土工測試結果進行對比, 如圖5。

其中飽和度是根據土的三相比例換算公式得到的:

圖5 鉆孔土工試驗結果對比

對比兩個鉆孔土體的飽和度, 麻坑外Zk2鉆孔的土樣飽和度多在96%~100%之間, 說明該孔的土體基本未受淺層氣影響, 保持未受擾動的原狀態; 麻坑內Zk1鉆孔的土樣在深度30 m以內飽和度多在80%~90%, 均為非飽和土, 30 m到60 m區間飽和度提升到90%左右。對比發現, 在深度40 m以內麻坑外的Zk2鉆孔的值明顯大于麻坑內Zk1孔的值; 結合飽和度和孔隙率的變化及對比, 在鉆孔40 m以內的深度, 麻坑內土體較麻坑外稍顯密實, 同時s的對比也證明了這一點, 在40 m以內Zk1孔的壓縮模量明顯大于Zk2孔。相同深度上Zk1孔黏聚力和內摩擦角要大于Zk2孔, 說明麻坑內土體的黏聚程度和摩擦強度均要強于麻坑外的土體。

值得注意的是, 當鉆孔深度達到40 m以后, 兩個鉆孔幾乎各項土樣測試數據都有趨同的現象, 這說明麻坑內外土性在40 m以深的范圍接近相同, 由此推測研究區麻坑淺層氣對土性的影響主要是海底40 m以淺的土層。

2.3 麻坑內外土性差異分析

2.3.1 CPTU及鉆孔所反映的土性差異

對于CPTU數據主要參考c、s的差異和變化, 從中可推斷麻坑內外土體物理力學性質的差異, CPTU測試數據反映出麻坑內的土體土性差異: 麻坑內站位的原位測試結果c和s都大于麻坑外的站位; 通過經驗公式計算出的麻坑內土體的0、s、u都要高于麻坑外的土體。

鉆孔實驗參數所反映的土性差異與CPTU結果相同, 在深度40 m以內, 麻坑內土體的抗剪強度、壓縮模量均要強于麻坑外的土體, 而在飽和度、孔隙率、液塑性上要弱于麻坑外的土體, 這說明相較于麻坑外的土體, 麻坑內的土體具有高抗剪強度、更為壓縮、不飽和、孔隙率低的特征, 總的來看, 麻坑內的土體強度要高于麻坑外的土體。

綜合CPTU與鉆孔實驗結果, 兩者都反映出了麻坑內土體受淺層氣溢出影響發生了承載力增加、抗剪強度增加、更為壓縮的情況。這些變化主要發生在麻坑表層土體, 隨深度增加, 麻坑內土體的物理力學性質與麻坑外相同深度土體特性逐漸趨同, 但對比CPTU測試數據與鉆孔實驗數據發現兩組記錄數據發生趨同的深度不同, 推測是與取樣站位的位置有關, 鉆孔ZK1較麻坑內的CPTU站位更靠近麻坑中心, 接近主要的淺層氣溢出口, 因此土體受淺層氣溢出影響范圍更大。

2.3.2 麻坑內外土性差異形成原因

從研究區的沉積地層結構及區位分析, 該區的沉積環境穩定, 沉積物特性橫向變化不明顯, 因此位于麻坑內外土體的物理力學特性差異應該主要是由淺層氣的存在造成的, 前文已經說明, 麻坑內土體為非飽和土, 而麻坑外未受影響的土體為飽和土, 兩者的主要區別在于前者的孔隙中存在淺層氣, 包括游離氣和溶解氣, 而后者的孔隙中基本不存在游離淺層氣。

根據非飽和土的土力學原理, 非飽和土結構復雜, 其中固液氣三相組成變化繁多, 隨著飽和度的改變, 土體中的氣相賦存形式也發生改變, 這就會影響固液氣三相的組合形式, 使土體的物理力學性質發生變化。

海底麻坑是海底土層中淺層氣溢出形成的, 海底淺層沉積物中常含有豐富的有機質, 這些有機質經過一系列復雜的生物化學作用, 產生淺層氣, 少量的淺層氣物質先以溶解狀態賦存于孔隙水中, 隨著濃度的增大, 逐漸從飽和溶液中析出, 形成游離態的氣體。如果游離態氣體越來越多, 產生的氣體壓力增大, 會逐漸遷移和富集, 在一定的條件下形成高壓氣囊, 在壓力達到上覆蓋層承壓極限時會突破蓋層釋放, 導致儲氣土體的氣壓力快速下降, 孔隙增大, 而連續的海底流體流動會對淺層氣噴逸土層產生強烈的滲流破壞, 劇烈擾動儲氣土層和上覆沉積土層, 帶走大量的細土顆粒及水, 引起流土及上覆蓋層坍塌, 期間土層的壓縮性增大, 抗剪強度指標明顯降低, 引起土固結沉降, 產生較大的地表沉降。噴逸結束后, 麻坑初步成型, 麻坑內土體逐漸固結, 土體孔隙減小、密度增加, 重新固結的土體的強度將超過原始狀態。需要注意的是, 麻坑內淺層氣的埋藏深度、氣含量都是不確定的, 常引起不均勻沉降, 其破壞形式也不盡相同。

3 結論

本文分析了在研究區發現的大型麻坑內外布置的4個CPTU測試站位數據、2個鉆孔柱狀樣土工試驗數據, 對海底麻坑內外土體物理力學特性差異進行了研究, 認為:

1) 麻坑內海底土體相較于麻坑外土體具有抗剪強度高、壓縮模量大, 飽和度、孔隙率和含水量低的特征。麻坑內土體工程地質特性好于麻坑外的土體。

2) CPTU數據與鉆孔實驗數據均可體現出麻坑表層受淺層氣溢出影響的土體特性的變化。相比于傳統的鉆孔實驗, CPTU數據具有快速、連續性、分辨率高的特點, 因此更能細致的反映出這種變化。

3) 淺層氣在海底土體中的賦存形態是造成土體工程地質特性差異的主要原因。

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Study on the differences in physical and mechanical properties of soil inside and outside a seabed pockmark

HE Xu-tao1, ZHANG Xiu-feng1, SHU Qi1, LI Shi-qiang1, SONG Sheng2, PENG Wei-long1

(1. Zhoushan Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Zhoushan 316021, China; 2. Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China, Hangzhou 310012, China)

To analyze the differences in the physical and mechanical properties of soil inside and outside a pockmark, a 15-m pore pressure cone penetration test at four stations and the borehole column geotechnical test at two stations were conducted. The results showed that the soil phase in the pockmark had a higher shear strength, higher compressive modulus, lower saturation, porosity, and lower water content than those outside the pockmark. The occurrence of shallow gas in the subsea soil was the main reason for this difference.

pore pressure cone penetration (CPTU); seabed pockmark; soil mechanics

Apr. 15, 2019

[Fund of Zhejiang Electric Power Co., Ltd., No. 5211ZS16000C; National Natural Science Foundation of China, No. 5167090521; Scientific Research Fund of the Second Institute of Oceanography, MNR, No.SZ1919]

P751

A

1000-3096(2020)02-0131-07

10.11759/hykx20190415001

2019-04-15;

2019-06-03

浙江省電力有限公司基金資助項目(5211ZS16000C); 國家自然科學基金項目(5167090521); 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(SZ1919)

何旭濤(1973-), 男, 浙江舟山人, 本科, 主要從事海洋輸電技術研究, 電話: 0580-6257117, E-mail: hxt0580@ 163.com

(本文編輯: 劉珊珊)