大港油田埕海海洋土動(dòng)剪切模量與阻尼比試驗(yàn)研究

摘" " 要：大港油田埕海區(qū)塊是我國渤海灣海洋油氣的重要產(chǎn)區(qū)，位于渤海灣西部沿海，屬于地震高發(fā)區(qū)，因此，在該海域進(jìn)行海洋工程設(shè)計(jì)建造時(shí)，必須根據(jù)工程場(chǎng)地的動(dòng)剪切模量和阻尼比等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)。采用共振柱試驗(yàn)儀對(duì)大港埕海海域0～120 m不同深度的海洋土土樣進(jìn)行土體動(dòng)參數(shù)測(cè)試與研究。研究發(fā)現(xiàn)埕海海洋土動(dòng)剪切模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而降低、阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)圍壓與動(dòng)剪切模量、阻尼比近似成線性關(guān)系等規(guī)律。相關(guān)研究成果可為海洋工程場(chǎng)地的設(shè)計(jì)、施工及抗震分析提供技術(shù)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：埕海；海洋土；共振柱；動(dòng)剪切模量；阻尼比

Experimental study on dynamic shear modulus and damping ratio of Chenghai marine soil in Dagang Oilfield

QI Lei1， 2， BIAN Feng3， YAO Zhiguang1， 2， DENG Haifeng1， 2， XU Hao1， 2， LI Chun1， 2

1. CNPC Engineering Technology Reasearch Co.，Ltd.， Tianjin 300451， China

2. CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering， Tianjin 300451， China

3. No.4 Oil Production Plant of Dagang Oilfield， Tianjin 300283， China

Abstract：As an important producing area of offshore oil amp; gas in Bohai Bay， Chenghai Block of Dagang Oilfield is located in the west coast of Bohai Bay， a high incidence area of earthquakes. Therefore， seismic safety evaluation must be carried out according to dynamic parameters such as dynamic shear modulus and damping ratio of the engineering site in this area. The dynamic parameters of marine soil samples at different depths from 0 to 120 m in Chenghai sea area （Dagang） were measured and studied using resonance column tester. It is found that the dynamic shear modulus and damping ratio of the marine soil in the sea area decreases and increases respectively with the increase of the dynamic shear strain， and the confining pressure is approximately linear with the two. The relevant research results can provide technical reference for the design， construction and seismic analysis of offshore engineering sites.

Keywords：Chenghai; marine soil; resonance column; dynamic shear modulus; damping ratio

大港油田埕海區(qū)塊是我國渤海灣海洋油氣的重要產(chǎn)區(qū)，位于渤海灣西部沿海，靠近河北省黃驊市，屬于地震高發(fā)區(qū)，因此該區(qū)域海洋工程的設(shè)計(jì)建造必須開展場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)。GB/T 17503—2009《海上平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對(duì)地震安全性評(píng)價(jià)作出了明確規(guī)定[1]，動(dòng)剪切模量和阻尼比是工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)及地基動(dòng)力反應(yīng)分析的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，其取值的合理性將直接影響到工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前室內(nèi)土工試驗(yàn)方法主要有動(dòng)三軸試驗(yàn)、動(dòng)扭剪三軸試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和共振柱三軸試驗(yàn)等，例如卜屹凡等對(duì)動(dòng)三軸試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比 [2]，動(dòng)三軸的應(yīng)變范圍是10-4～10-2，共振柱的應(yīng)變范圍是10-6～10-4。有學(xué)者對(duì)渤海灣海洋土的動(dòng)剪切模量和阻尼比做了相關(guān)的研究，例如：呂悅軍等采用動(dòng)三軸方法對(duì)渤中等3個(gè)場(chǎng)址的海底土進(jìn)行了動(dòng)剪切模量、阻尼比的試驗(yàn)研究[3]；楊傳成等對(duì)新北油田海洋土進(jìn)行了動(dòng)剪切模量、阻尼比分析，給出了各類土動(dòng)剪切模量和阻尼比隨剪應(yīng)變變化的推薦值[4]。但對(duì)于大港油田，尤其是埕海海域海洋土動(dòng)剪切模量和阻尼比方面的文獻(xiàn)較少，且渤海灣不同海域的土體類型、沉積結(jié)構(gòu)等有很大差異，考慮到海洋土的特殊性和海域的區(qū)域性，其他海域土層的推薦值只能作為參考，因此針對(duì)大港埕海海域的海洋土開展動(dòng)剪切模量和阻尼比實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

1" " 項(xiàng)目場(chǎng)址環(huán)境地質(zhì)條件

大港油田埕海區(qū)塊基準(zhǔn)面水深在5.5～7.0 m之間，水深由西南向東北呈緩慢加深趨勢(shì)。埋深120.0 m深度范圍內(nèi)，地層從上而下呈層狀分布，主要揭示為全新統(tǒng)（Q4）、上更新統(tǒng)（Q3）和中更新統(tǒng)（Q2）的海相、陸相及海陸交互沉積地層，場(chǎng)區(qū)土按成因年代可分為9層，主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉砂等。各土層總體上土質(zhì)尚均勻，從上而下土質(zhì)漸好。海床泥面以下50.0 m深度范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)土、黏性土，僅17.0～29.0 m段分布有粉砂層；海床泥面以下50.0～100.0 m主要為黏性土， 57.0～61.6 m段為粉土層；100.0 m以下主要是粉質(zhì)黏土，108.4～120.0 m段為粉土層。

2" " 試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法

2.1" " 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用共振柱法，試驗(yàn)儀為中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TSH-100型共振柱測(cè)試儀，如圖1所示。該設(shè)備由美國GCTS公司生產(chǎn)，主要由壓力控制柜、數(shù)字伺服控制器、壓力室、試樣測(cè)試平臺(tái)和采集系統(tǒng)等部分組成。共振柱測(cè)試儀通過浮動(dòng)扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器來施加剪切扭矩（角位移），采用非接觸光纖位移傳感器來精準(zhǔn)測(cè)量試樣的剪切應(yīng)變，測(cè)量精度可達(dá)10-6。通過土體應(yīng)變響應(yīng)曲線可以獲得共振頻率、最大剪切應(yīng)變、剪切波速、剪切模量、阻尼比等參數(shù)[5]。

2.2" " 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)期間，試樣底帽與底座固定，頂帽與浮動(dòng)扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器相連。根據(jù)試驗(yàn)工況利用伺服控制器施加固結(jié)圍壓，軸向位移傳感器記錄固結(jié)期間試樣軸向變形。試樣固結(jié)完成后，通過浮動(dòng)扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器將諧波扭矩施加到土樣頂部，并在一定頻率范圍內(nèi)施加具有恒定振幅的扭轉(zhuǎn)諧波載荷，待土樣達(dá)到共振頻率之后，停止加載，土樣由共振轉(zhuǎn)為自振，最后測(cè)試得出土體應(yīng)變響應(yīng)曲線。具體步驟為：第一，將原狀土樣制成直徑50 mm、高100 mm的實(shí)心圓柱土樣，然后放入真空飽和缸中進(jìn)行真空抽氣飽和；第二，將試樣安裝在儀器底帽上，頂部與浮動(dòng)扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器以及位移傳感器相連接，軸向位移調(diào)零，封閉壓力室；第三，根據(jù)土層深度，按天然應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土樣進(jìn)行等向固結(jié)，待土樣平均應(yīng)變率小于1×10-3 %/min時(shí)，應(yīng)變恒定，孔壓基本消散，固結(jié)完成；第四，在試樣頂部施加激振，待掃頻達(dá)到共振頻率后，土樣進(jìn)行自振，獲取土體應(yīng)變響應(yīng)曲線并計(jì)算出動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)谩?dòng)剪切模量G、阻尼比λ等試驗(yàn)值；第五，激振頻率逐級(jí)提高，重復(fù)第四步；第六，采用Hardin-Drnevich或DaVidenkov等模型對(duì)土的G/Gmax～γ關(guān)系以及阻尼比關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，獲取全應(yīng)變范圍的動(dòng)剪模量、阻尼比關(guān)系[6]。

2.3" " 試驗(yàn)工況

選取埕海范圍內(nèi)5個(gè)不同位置進(jìn)行原位鉆孔取樣，為方便對(duì)比分析，位置編號(hào)為Z1、Z2、Z3、C1、C3，取土深度為4.3 ～119.2 m。本海域主要以粉質(zhì)黏土為主，沿海床泥面以下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土。因?yàn)榉圪|(zhì)黏土在埕海海域最具代表性，選取10～15個(gè)深度的典型粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，部分試驗(yàn)土樣取土深度和主要物性指標(biāo)如表1所示。

3" " 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用共振柱試驗(yàn)儀對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)取圍壓值等于土樣原位置上覆土層厚度與相應(yīng)的有效容重的乘積。Gmax為試驗(yàn)剪應(yīng)變達(dá)到1 × 10-6時(shí)的剪切模量，部分試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖7所示。

從埕海不同場(chǎng)址的共振柱動(dòng)剪切模量、阻尼比試驗(yàn)結(jié)果（圖2～圖7）可以看出，埕海等海洋土其動(dòng)剪切模量、阻尼比與陸上土體的總體規(guī)律是一致的[7-9]，主要規(guī)律如下：

1）動(dòng)剪切模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而降低，前期降低較快，后期變化逐漸平緩；

2）阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而增大，前期增加較快，后期變化逐漸平緩；

3）對(duì)于動(dòng)剪切模量，在相同動(dòng)剪應(yīng)變的條件下，圍壓越大動(dòng)剪切模量越大；

4）對(duì)于阻尼比，在相同動(dòng)剪應(yīng)變的條件下，圍壓越大阻尼比越小。

在同一動(dòng)剪切應(yīng)變下，圍壓與G/Gmax的關(guān)系見圖8，圍壓與λ的關(guān)系見圖9。

分析圍壓與G/Gmax的關(guān)系、圍壓與λ的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

1）動(dòng)剪切模量方面。圍壓與動(dòng)剪切模量近似成線性關(guān)系，動(dòng)剪切模量隨著圍壓的增大而線性增大；由于圍壓與動(dòng)剪切模量比關(guān)系曲線的斜率較小，說明雖然圍壓越大，動(dòng)剪模量越大，但圍壓對(duì)動(dòng)剪切模量的影響相對(duì)較小。

2）阻尼比方面。圍壓與阻尼比也近似成線性關(guān)系，阻尼比隨著圍壓的增大而線性降低；小應(yīng)變時(shí)圍壓大小對(duì)阻尼比的影響不明顯，但隨著應(yīng)變?cè)龃?，圍壓?duì)阻尼比的影響增強(qiáng)。

由于海洋土更符合“應(yīng)變軟化”規(guī)律[10]，因此三參數(shù)的Davidenkov模型比Hardin-Drnevich模型更適用于埕海海域。Davidenkov模型的函數(shù)關(guān)系式為[11]：

[G=Gmax1-H（γ）]" "（ 1 ）

其中，函數(shù)[H（γ）]定義為：

[H（γ）=1+" " " " " " " A]" " "（ 2 ）

式中：A、B和[γ0]為與土的性質(zhì)有關(guān)的擬合參數(shù)。

由此模型可繪出從10-6～10-1剪應(yīng)變幅值范圍內(nèi)的曲線。

采用Davidenkov模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合采用了Python中的scipy模塊提供的curve_fit函數(shù)，阻尼比處理方法與此類似。

埕海不同位置的海洋土動(dòng)剪切模量比隨動(dòng)剪應(yīng)變的變化曲線如圖10所示，從圖中可看出動(dòng)剪模量比隨著深度增加整體變化不大。綜合圖8～圖10可以給出埕海海洋土動(dòng)剪模量比與阻尼比的推薦值，如表2所示。

4" " 結(jié)束語

本文采用中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的共振柱測(cè)試儀對(duì)大港埕海海域不同深度的海洋土土樣進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)動(dòng)剪切模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而降低、阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而增大的規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了圍壓與動(dòng)剪切模量、阻尼比近似成線性關(guān)系等規(guī)律。相關(guān)研究成果對(duì)于地震動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

由于動(dòng)剪切模量、阻尼比的變化規(guī)律除了與受到的圍壓有關(guān)外，還可能與埕海海域土層的應(yīng)力歷史、土體類型等因素有關(guān)，相關(guān)因素在本文中暫未考慮，其可作為后續(xù)進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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作者簡(jiǎn)介：

祁" " 磊（1982—），男，山東煙臺(tái)人，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事與海洋工程相關(guān)的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-01-19