基于動(dòng)三軸試驗(yàn)的埕島油田海底土動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律*

荊少東 于海濤 徐帥陵 侯方

1中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

2長(zhǎng)慶油田分公司隴東頁(yè)巖油開發(fā)項(xiàng)目部

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石油作為重要的能源，用途越來越廣泛，未來全球油氣資源消費(fèi)需求將呈現(xiàn)剛性增加。我國(guó)作為世界第一大石油進(jìn)口國(guó)，在陸上油氣資源不足、從海外開發(fā)及進(jìn)口油氣存在不確定因素的情況下，開發(fā)海洋油氣成為確保國(guó)家石油安全的重要途徑。先進(jìn)海洋工程結(jié)構(gòu)物中，自升式平臺(tái)的數(shù)量占最大的比例。埕島油田位于黃河入海口處的極淺海區(qū)，水深5～25m，已建成各種固定式采油平臺(tái)約100 座，配有11 個(gè)自升式移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行井下作業(yè)。海上自升式平臺(tái)工作時(shí)依靠樁腿的支撐立在海底進(jìn)行鉆井或其他支持作業(yè)，（圖1）。平臺(tái)就位作業(yè)一般采用插樁基礎(chǔ)，在實(shí)際插樁前對(duì)平臺(tái)進(jìn)行插樁計(jì)算是確保安全和避免發(fā)生刺穿事故的保障[1-4]。

圖1 移動(dòng)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mobile platform on-site operation and structure diagram

本文海底土的強(qiáng)度研究基于埕島油田服役的海上自升式移動(dòng)平臺(tái)，并參考前人所做的一些研究成果[5-10]，可為建立并完善海上自升式移動(dòng)平臺(tái)插樁穩(wěn)定性計(jì)算模型提供依據(jù)，為海上石油開采過程中自升式移動(dòng)平臺(tái)插樁就位施工提供基礎(chǔ)的技術(shù)支持和安全保障。

1 海底土物理性質(zhì)和靜力強(qiáng)度特性

為了明確埕島海域海底土的基本物理、力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)國(guó)標(biāo)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》中的操作方法，選取有代表性的原狀土樣開展基本物理指標(biāo)和靜力三軸固結(jié)不排水（CU）強(qiáng)度測(cè)試。

1.1 基本物理性質(zhì)

采用國(guó)標(biāo)土工試驗(yàn)規(guī)程SL237—1999 中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)海底土樣的基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析。

海底土樣的基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：海底土的天然含水率介于22.8%～27.9%，通常稍小于對(duì)應(yīng)的液限；土體孔隙比較高，介于0.67～0.71；飽和度也很高，一般大于90%，有些土樣的飽和度甚至達(dá)到了100%，處于完全飽和狀態(tài)，這與海底土的賦存環(huán)境是相一致的。依據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果可知，埕島海域海底土屬于細(xì)粒土，液塑限試驗(yàn)表明海底土的塑性指數(shù)IP介于7.2～9.6，根據(jù)GB 50021—2009《巖土工程勘察規(guī)范》可將其劃分為粉土類別。

鑒于埕島海域海底土為粉土，加之土體的飽和度和孔隙比較高，因此可以預(yù)見海底土在地震、波浪等外界動(dòng)荷載作用下具有發(fā)生液化破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

由圖2 可知，埕島海域海底土在0.04～0.1 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒組成保持較好的一致性，但在小于0.04 mm 粒徑范圍內(nèi)顆粒組成表現(xiàn)出較大的離散性，這與海底土復(fù)雜的水動(dòng)力沉積過程相吻合。整體而言，海底土的顆粒組成基本位于前人總結(jié)給出的可液化顆粒粒徑包裹范圍內(nèi)（圖2 中虛線），這進(jìn)一步說明了埕島海域海底土在動(dòng)力荷載作用下具有發(fā)生液化破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 埕島海域海底土顆粒組成特征Fig.2 Characteristics of submarine soil particle composition in Chengdao Waters

1.2 靜力固結(jié)不排水強(qiáng)度特性

1.2.1 靜三軸試驗(yàn)方案

采用GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和ASTM 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試分析。埕島海域海底土靜力固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)方案如表2 所示。

表1 海底土基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果匯總Tab.1 Test results table of basic physical properties of submarine soil

表2 海底土靜三軸試驗(yàn)加載方案Tab.2 Static triaxial test loading scheme

1.2.2 靜三軸試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)要素之間相對(duì)穩(wěn)定的聯(lián)系方式和相互作用的形式，稱為結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用時(shí)所表現(xiàn)出來的能力，稱為功能。所以，結(jié)構(gòu)和功能是一對(duì)范疇，相互聯(lián)結(jié)、不可分割［4］103。如果把黨的思想政治工作看成是一個(gè)有機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外在功能是一致的。思想政治工作在現(xiàn)代國(guó)家治理體系中的功能定位直接決定了其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)不能適應(yīng)需要，必須做出結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新和發(fā)展。

不同圍壓σ下埕島海域海底土固結(jié)不排水應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和孔壓響應(yīng)規(guī)律如圖3 和圖4 所示。

由圖3 可知，隨著軸向應(yīng)變?chǔ)興的增大，海底土的軸向偏應(yīng)力σd即剪切強(qiáng)度也不斷增大。大致以軸向應(yīng)變2.5%為界，應(yīng)變小于2.5%時(shí)剪切強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)龃蠖焖僭龃螅憩F(xiàn)出一定的彈性特征；當(dāng)應(yīng)變大于2.5%時(shí)剪切強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率快速減小，表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征。總之，不同圍壓下海底土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈應(yīng)變硬化特征，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線不存在明顯的峰值點(diǎn)，此處取軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力用于計(jì)算海底土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（內(nèi)聚力c和摩擦角φ）。

圖3 靜三軸CU 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relationship of static triaxial CU

圖4 靜三軸CU 孔壓響應(yīng)曲線Fig.4 Pore pressure response curve of static triaxial CU

由圖4 可知，靜力加載初期海底土均表現(xiàn)出剪縮特征，孔隙水壓力呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著加載過程持續(xù)有的土樣（如S-1）仍發(fā)生剪縮變形，孔隙水壓力持續(xù)增大，但增長(zhǎng)速率越來越小，直至剪切末段孔隙水壓力達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；相反，有的土樣（S-2）剪切后期呈現(xiàn)出一定的剪脹特征，即孔隙水壓力隨剪應(yīng)變的增大而減小，且固結(jié)圍壓越高，剪脹趨勢(shì)越明顯。當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)，海底土中超孔壓尚未達(dá)到負(fù)值，試樣內(nèi)部均未形成破裂面，土樣破壞形式如圖5 所示，即試樣中部發(fā)生鼓脹破壞。

圖5 海底土三軸固結(jié)不排水剪切破壞形式Fig.5 Undrained shear failure modes of triaxial consolidation of submarine soil

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可得到不同圍壓條件下土體破壞應(yīng)變?chǔ)興、試樣破壞時(shí)的偏應(yīng)力(σ1-σ3)以及孔隙水壓力u（表3），通過繪制總應(yīng)力和有效應(yīng)力摩爾庫(kù)倫圓及其強(qiáng)度包絡(luò)線，可計(jì)算得到土體的總應(yīng)力和有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)（圖6）。

表3 不同圍壓下海底土破壞應(yīng)變、偏應(yīng)力及孔壓Tab.3 Deformation strain，deviating stress，and pore pressure of submarine soil under different confining pressures

如圖6所示，試樣S-1總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c=16.3 kPa，φ=28.03°，有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c′=23.2 kPa，φ′=30.93°。試樣S-2總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c=12.4 kPa，φ=26.87°，有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c′=18.8 kPa，φ′=28.69°。

2 海底土的液化特性

前述試驗(yàn)表明埕島海域海底土具有較高的液化勢(shì)，在動(dòng)力荷載作用下易于發(fā)生液化破壞。為此，依托室內(nèi)動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，探討不同強(qiáng)度波浪荷載作用下埕島海域海底土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔壓響應(yīng)規(guī)律以及軸向動(dòng)應(yīng)變發(fā)展演變趨勢(shì)，給出不同動(dòng)力條件下海底土動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，以評(píng)估海底土的液化特性。

2.1 試驗(yàn)方案

表4 海底土動(dòng)三軸試驗(yàn)加載方案Tab.4 Loading scheme of triaxial test for submarine soil dynamics

圖6 埕島海域海底土總應(yīng)力和有效應(yīng)力摩爾-庫(kù)倫圓及強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.6 Mole-Coulomb circle and strength envelope of total stress and effective stress of submarine soil in Chengdao Sea area

圖7 海底土動(dòng)三軸試驗(yàn)典型曲線( σ=20 kPa，CSR=0.40)Fig.7 Typical curve of submarine soil triaxial test( σ=20 kPa， CSR=0.40)

2.2 動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.2.1 動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖7 是動(dòng)三軸試驗(yàn)過程中海底土軸向偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和加載時(shí)間之間的典型曲線。

試驗(yàn)采用應(yīng)力控制進(jìn)行加載，振動(dòng)過程中豎向動(dòng)應(yīng)力幅值保持不變。由圖7 可知，海底土初始軸向應(yīng)變以拉伸為主，壓縮變形較小，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部孔壓逐漸增大，有效圍壓逐漸減小，試樣抵抗外部動(dòng)荷載的能力不斷減弱，導(dǎo)致軸向壓縮變形隨振次的增加而不斷增大，直至壓縮彈性和塑性應(yīng)變之和達(dá)到5%。動(dòng)荷載加載初期海底土軸向動(dòng)應(yīng)變發(fā)展較快，隨加載過程繼續(xù)動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率有所遞減，直至達(dá)到5%的液化中止條件。

2.2.2 孔壓響應(yīng)規(guī)律

圖8 為海底土孔壓加載時(shí)間、孔壓-振次以及孔壓比-振次比之間的關(guān)系曲線。

不同試驗(yàn)條件下的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律大體呈兩種變化趨勢(shì)：①加載初期，孔壓增長(zhǎng)較快，達(dá)到一定程度后，增長(zhǎng)速率逐漸變小，最后漸趨于穩(wěn)定；②與初始加載相比，后期孔壓增長(zhǎng)速率相對(duì)較低，但整個(gè)加載過程中孔壓增長(zhǎng)速率變化不太顯著。需要注意的是，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，有些土樣孔壓尚未達(dá)到圍壓，因此，埕島海域海底土的液化判別宜綜合孔壓和應(yīng)變兩種破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考慮。

結(jié)合土體物理性質(zhì)及海底不均勻地層結(jié)構(gòu)分析上述孔壓發(fā)展規(guī)律，主要與以下幾方面因素有關(guān)：①初始振動(dòng)過程中，土顆粒相互擠壓并重新排列，土骨架發(fā)生變形，產(chǎn)生超孔隙水壓力，同時(shí)由于粉土的滲透系數(shù)較小，孔壓消散較為緩慢，導(dǎo)致孔壓急劇上升；②由于土中存在一定的黏粒，使粉土具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而阻礙和限制了孔壓的增加，導(dǎo)致后期孔壓增長(zhǎng)緩慢，直至穩(wěn)定仍達(dá)不到有效圍壓；③制樣過程中發(fā)現(xiàn)有些樣品中存在黏土和粉土互層，或者在試驗(yàn)結(jié)束后切開試樣，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部存在黏土團(tuán)，這種互層和黏土團(tuán)的存在導(dǎo)致顆粒重新排列能力較弱，最終阻礙孔壓積累，使得整個(gè)加載過程中孔壓積累速率趨于一致。

2.2.3 動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律

表5 為不同有效固結(jié)應(yīng)力條件下，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與液化破壞振次Nf的關(guān)系。圖9 給出了不同有效固結(jié)應(yīng)力條件下，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與破壞循環(huán)加載次數(shù)N的關(guān)系。由圖9 可知，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比隨循環(huán)加載次數(shù)的增大而不斷減小，衰減速率先快后慢，最終隨著加載次數(shù)的進(jìn)一步增大而漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為0.20。由于在不同有效固結(jié)應(yīng)力作用下，海底土循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比衰減趨勢(shì)比較接近，因此采用指數(shù)函數(shù)對(duì)兩種有效固結(jié)圍壓下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，得出擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.90。

圖8 海底土孔壓響應(yīng)規(guī)律( σ=20 kPa，CSR=0.40)Fig.8 Response law of pore pressure of submarine soil（σ=20 kPa， CSR=0.40）

表5 循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與液化破壞振次Nf 的關(guān)系Tab.5 Relationship between cyclic stress ratio and liquidation failure frequency Nf

圖9 海底土循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比CSR 與循環(huán)加載次數(shù)N 的關(guān)系Fig.9 Correlation of cyclic stress ratio CSR and cyclic loading times N of submarine soil

值得注意的是，海底土循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比CSR存在一臨界值，當(dāng)其大于臨界值時(shí)，在長(zhǎng)期往復(fù)荷載作用下，土體將發(fā)生液化破壞；若其小于臨界值，土體在往復(fù)荷載作用下不會(huì)發(fā)生液化破壞。根據(jù)動(dòng)三軸液化試驗(yàn)結(jié)果判斷，在有效固結(jié)壓力為20～40 kPa 范圍內(nèi)，海底土液化破壞（當(dāng)εd=5%時(shí)）的臨界循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比約為0.20。

3 結(jié)束語

利用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M波浪循環(huán)加載作用，測(cè)試了埕島油田海域海底原狀粉土的基本物理性質(zhì)、靜力三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度特性以及液化特性。重點(diǎn)探討了不同強(qiáng)度波浪荷載作用下海底土動(dòng)強(qiáng)度變化特性及孔壓響應(yīng)特征[12]，得出了以下研究結(jié)論：

（1）依據(jù)液塑限和顆分試驗(yàn)結(jié)果，埕島油田海域淺層海底土屬粉土，天然飽和度高，具有較高潛在液化風(fēng)險(xiǎn)。

（2）不同圍壓下海底土的固結(jié)不排水應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化特征，剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的拐點(diǎn)大致位于剪應(yīng)變2.5%位置。剪切破壞模式為試樣中部鼓脹破壞，未形成剪切破壞面。

（3）埕島海域海底土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c介于12.4～16.3 kPa，φ介于26.87°～28.03°，有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c′介于18.8～23.2 kPa，φ′介于28.69°～30.93°。

（4）埕島油田海域海底土動(dòng)孔壓隨循環(huán)加載次數(shù)的增加呈先快速增大而后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，相同圍壓下，施加的動(dòng)應(yīng)力越大，海底土超孔壓增長(zhǎng)得越快。在5%的動(dòng)應(yīng)變范圍內(nèi)，試驗(yàn)土樣的動(dòng)孔壓均小于有效圍壓，從工程角度分析，應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)比孔壓標(biāo)準(zhǔn)更適合用來評(píng)估埕島海域海底粉土的液化勢(shì)。

（5）埕島海域海底粉土動(dòng)應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)Nf增大呈先快速增大而后緩慢遞增趨勢(shì)，相同圍壓下，施加的動(dòng)應(yīng)力越大，海底土動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也越快。

（6）埕島海域海底土動(dòng)強(qiáng)度隨循環(huán)振動(dòng)次數(shù)Nf的增加呈指數(shù)形式減小，當(dāng)有效固結(jié)圍壓介于20～40 kPa 時(shí)，液化破壞（當(dāng)εd=5%時(shí)）的臨界循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比約為0.20。