鄧海峰，許 浩，姚志廣，張愛(ài)霞，祁 磊，李 春

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

已探明南海油氣儲(chǔ)量約230億t～300億t，同時(shí)蘊(yùn)藏著巨大的“可燃冰”資源，其中70%資源蘊(yùn)藏在深水區(qū)域(中國(guó)國(guó)土資源部)。

目前中海油在南海海域已建并投產(chǎn)油氣田10余個(gè)，同時(shí)將推出南海22個(gè)對(duì)外開(kāi)放合作區(qū)塊，其中深水(水深大于500 m)作業(yè)區(qū)塊5個(gè)，海域面積約占總面積的48%，部分海域水深大于1 500 m，屬于超深水油氣田。此外，南海水深超過(guò)1 300 m的可燃冰資源已試采成功，二次試采及后續(xù)的商業(yè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃也已列入國(guó)家重大發(fā)展規(guī)劃中。

深水海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)需依托合理可靠的工程地質(zhì)參數(shù)，以規(guī)避由海洋巖土問(wèn)題帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，涵蓋井口穩(wěn)定性、系泊基礎(chǔ)和水下基盤等淺基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性、海底管道在位穩(wěn)定性等問(wèn)題。

中國(guó)南海深水淺層沉積物多為飽和黏土，與淺水表層海洋土相比，具有含水率高、可塑性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、強(qiáng)度沿深度線性增加規(guī)律明顯等特征。

深水海洋結(jié)構(gòu)物建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性的高標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巖土參數(shù)的合理準(zhǔn)確選取提出了更高的要求，常規(guī)方法已不能滿足深水使用要求。

為此，國(guó)內(nèi)外逐步開(kāi)發(fā)應(yīng)用了多項(xiàng)高級(jí)土工試驗(yàn)技術(shù)，例如采用等速率固結(jié)試驗(yàn)(CRS)補(bǔ)充常規(guī)分級(jí)固結(jié)試驗(yàn)(ODE)、單剪(SS)和k0固結(jié)三軸拉伸和壓縮試驗(yàn)Ck0UC/E補(bǔ)充常規(guī)三軸試驗(yàn)(UU/CU/CD)、采用SHANSEP測(cè)試分析技術(shù)預(yù)測(cè)土體強(qiáng)度等，成熟的應(yīng)用單位包括國(guó)內(nèi)的中海油、國(guó)外的挪威土工研究所(NGI)和輝固公司(Fugro)等。

目前，綜合采用常規(guī)和高級(jí)試驗(yàn)方法對(duì)深水海洋黏土工程特性測(cè)試分析的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道，本文以中國(guó)南海深水表層黏土為例，基于現(xiàn)場(chǎng)獲取的原狀土樣，采用多種室內(nèi)高級(jí)土工試驗(yàn)方法對(duì)該區(qū)域高塑性海洋黏土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了綜合測(cè)試與分析，以期為南海深水海洋結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供工程地質(zhì)參數(shù)分析方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

在海床以下100 m深度內(nèi)進(jìn)行連續(xù)取樣，獲得原狀土樣78個(gè)，按照ASTM相關(guān)的土工試驗(yàn)規(guī)范對(duì)土體的顆粒組成、碳酸鈣含量、有機(jī)質(zhì)含量、含水率、液塑限等物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并判定了試樣質(zhì)量，以此作為強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)方案編制的基礎(chǔ)。

1.1 土體物理特性

100 m深度內(nèi)均為黏土，黏粒含量占比達(dá)90.01%～100.24%，顆粒比重Gs范圍2.72～2.73，平均值為2.724，液限范圍50.05%～85.22%，平均值為64.04%，塑限范圍25.15%～40.34%，平均值為32.06%，塑性指數(shù)Ip范圍25.29～59.76，平均值為44.28，屬于高塑性黏土膜，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，顆粒成分及基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 代表性級(jí)配曲線

表1 顆粒成分及基本物理力學(xué)參數(shù)

碳酸鈣和有機(jī)質(zhì)含量范圍分別為15.21%～20.19%和3.22%～5.54%，其中碳酸鈣含量對(duì)土體強(qiáng)度具有顯著影響，這種影響在砂土中表現(xiàn)更為明顯，但在黏土中也不容忽視。

海床以下15.0 m內(nèi)土體的靈敏度St(原狀土與擾動(dòng)土的不排水抗剪強(qiáng)度比值)范圍4.0～7.5，即土體受擾動(dòng)后，土顆粒間的原有結(jié)構(gòu)受到明顯破壞，強(qiáng)度顯著降低，表明土體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)；15 m深度以下靈敏度范圍2.5～4.0，結(jié)構(gòu)性減弱。超固結(jié)比范圍0.8～1.2，基本為正常固結(jié)黏土。

1.2 強(qiáng)度測(cè)試方案

為了研究土體強(qiáng)度各向異性特征、驗(yàn)證SHANSEP方法在該海域的適用性、分析不同試驗(yàn)方法下的強(qiáng)度規(guī)律等，制定了如表2所示的試驗(yàn)方案。

表2 土體強(qiáng)度測(cè)試方案

另外，從20 m～100 m深度范圍內(nèi)選取了24組試樣，開(kāi)展了高壓三軸不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)(UU)，圍壓均為2 900 kPa，為常規(guī)三軸設(shè)備能達(dá)到的最大圍壓。

采用原狀土制備試樣，CRS、SS試驗(yàn)執(zhí)行ASTM標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，UU、ODE等常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)執(zhí)行土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[3]，具體試驗(yàn)過(guò)程可見(jiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且在后續(xù)章節(jié)中對(duì)主要控制條件做了詳細(xì)描述。

2 原位應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力歷史

圖2為土體原位有效豎向應(yīng)力和前期固結(jié)壓力沿深度方向分布規(guī)律，用于強(qiáng)度計(jì)算和歸一化處理。

圖2 原位豎向有效應(yīng)力及應(yīng)力歷史

原位豎向有效應(yīng)力近似呈線性增加趨勢(shì)，水平有效應(yīng)力可根據(jù)Ck0UC/E(k0固結(jié)不排水壓縮/拉伸)試驗(yàn)結(jié)果中的k0推算獲得。

前期固結(jié)壓力分別采用一維等速率固結(jié)試驗(yàn)(CRS)(應(yīng)變速率為2.0×10-6/s～5.0×10-6/s)和常規(guī)分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)(ODE)進(jìn)行測(cè)試，典型的CRS試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖3所示。CRS試驗(yàn)僅允許試樣上部排水，通過(guò)安裝在試樣下部的孔壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力，加載過(guò)程中確保超孔隙水壓力小于0.1倍豎向固結(jié)應(yīng)力。

圖3 代表性CRS結(jié)果曲線(16 a)

與ODE方法相比較，CRS的主要優(yōu)點(diǎn)是，大量且連續(xù)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可提高連續(xù)土體變形參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確度。同時(shí)結(jié)合超孔隙水壓力可以對(duì)有效應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對(duì)固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的海洋黏土，該方法可節(jié)省大量時(shí)間。

NGI(挪威土工研究所)采用在第一次加卸載前，維持固結(jié)壓力(1倍或2倍前期有效固結(jié)壓力)恒定不變，直至豎向變形穩(wěn)定的方式獲得24 h ODE固結(jié)試驗(yàn)曲線，具體做法可參考文獻(xiàn)[4]。

3 強(qiáng)度特性分析

3.1 三軸壓縮試驗(yàn)

首先施加20 kPa圍壓使試樣自立(k=1)，隨后以體應(yīng)變與軸向應(yīng)變相等為反饋條件，以超孔隙水壓力增長(zhǎng)速率不宜過(guò)快為控制條件(固結(jié)過(guò)程中超孔壓接近于0)，自動(dòng)調(diào)節(jié)圍壓和偏應(yīng)力大小，最終達(dá)到穩(wěn)定的k0固結(jié)狀態(tài)，k值變化過(guò)程見(jiàn)圖4。剪切應(yīng)變速率為1 mm/min，應(yīng)變達(dá)到20%(壓縮量2 cm)停止試驗(yàn)。

圖4 k值變化及k0與塑性指數(shù)關(guān)系

k0范圍在0.45～0.60之間，擬合得到k0與塑性指數(shù)Ip間關(guān)系曲線，可以看出，Ip在25～50范圍內(nèi)時(shí)，k0值隨Ip呈線性增加趨勢(shì)，擬合結(jié)果良好。

Ck0UC試驗(yàn)的力學(xué)參數(shù)列于表3。根據(jù)k0固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖5)可以看出，軸向應(yīng)變較小時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力峰值，隨后試樣發(fā)生顯著應(yīng)變軟化，表明土體原狀特性良好。

表3 Ck0UC力學(xué)參數(shù)匯總

圖5 Ck0UC應(yīng)力-應(yīng)變和有效應(yīng)力路徑曲線

3.2 強(qiáng)度各向異性

三軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。詳細(xì)的力學(xué)參數(shù)列于表4。

表4 Ck0UE力學(xué)參數(shù)匯總

圖6 Ck0UC應(yīng)力-應(yīng)變和有效應(yīng)力路徑曲線

本次采用活塞式取土器獲取試樣，室內(nèi)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示三軸拉伸試驗(yàn)測(cè)試獲得的不排水抗剪強(qiáng)度低于三軸壓縮試驗(yàn)，即SuCk0UE/SuCk0UC=0.67～0.71(高塑性)。

為了探討不同測(cè)試方法下土體強(qiáng)度間的關(guān)系，引用挪威德拉門海洋土的各向異性強(qiáng)度規(guī)律，并與其進(jìn)行對(duì)比。

Lunne T[5]采用自制大尺寸塊狀取土器在Lierstranda(距離挪威德拉門中心幾十千米)進(jìn)行取樣：SuCk0UE/SuCk0UC=0.42/0.37(高/低塑性)。

Bjerrum[6]采用活塞式取土器在挪威德拉門中心獲取試樣：SuCk0UE/SuCk0UC=0.38/0.26(高/低塑性)。

不同或同一地區(qū)不同位置處土體各向異性程度存在差異的主要原因是：(1) 不同取樣方式對(duì)土體擾動(dòng)程度不同，塊狀取土器擾動(dòng)較活塞取土器?。?2) 土性本身存在差異。

3.3 三軸不固結(jié)不排水強(qiáng)度

試樣圍壓均為2 900 kPa，采用應(yīng)變控制加載，軸向應(yīng)變速率1.0 mm/min，最大應(yīng)變15%。三軸不固結(jié)不排水應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖7。

圖7 三軸不固結(jié)不排水應(yīng)力-應(yīng)變曲線

結(jié)果表明，不同深度處土體破壞形式相近，存在單一或多個(gè)剪切破裂面，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈軟化趨勢(shì)，破壞應(yīng)變沿深度方向變化規(guī)律不明顯。如圖8如示，不同埋深z范圍內(nèi)破壞應(yīng)變?chǔ)臿與歸一化抗剪強(qiáng)度比值Su/σ′存在一定規(guī)律如下：

(1)

圖8 歸一化抗剪強(qiáng)度與破壞應(yīng)變關(guān)系曲線

3.4 SHANSEP試驗(yàn)結(jié)果

SHANSEP試驗(yàn)(Stress History and Normalized Soil Engineering Properties)是室內(nèi)試驗(yàn)克服土樣擾動(dòng)性的一種正確評(píng)價(jià)黏土固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度的方法，該方法首先由Ladd等[7]提出。SHANSEP試驗(yàn)通過(guò)k0條件下固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，認(rèn)為只有固結(jié)壓力為土樣原位前期固結(jié)壓力1.5倍～2.5倍，才能克服土樣擾動(dòng)的影響，測(cè)得的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度才更能反映土的原位強(qiáng)度特征。同時(shí)基于臨界狀態(tài)理論提供了一個(gè)合理的歸一化模式，若場(chǎng)地土質(zhì)條件均勻，應(yīng)力歷史情況明確，可根據(jù)該方法推算不同的鉆孔、不同深度處場(chǎng)地土的強(qiáng)度剖面，進(jìn)而顯著降低鉆孔取樣費(fèi)用和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作量，適用于結(jié)構(gòu)性不強(qiáng)、低靈敏性和非自然膠結(jié)的黏土。周松望[8]針對(duì)南海某石油平臺(tái)場(chǎng)址兩種黏土層，采用CPT、單剪試驗(yàn)方法對(duì)其不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比驗(yàn)證了該方法用于評(píng)價(jià)南海黏土強(qiáng)度的適用性，詳細(xì)步驟參考文獻(xiàn)[8]。

本次靜單剪試驗(yàn)按照ASTM(D6528—07)[2]進(jìn)行，試樣直徑5 cm，高度2 cm，為k0固結(jié)不排水剪切。固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為軸向應(yīng)變每小時(shí)小于0.05%。剪切速率為5%/h，剪切過(guò)程中保持體積不變，即軸向位移小于0.0025 mm。

典型的單剪試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 代表性單剪試驗(yàn)結(jié)果曲線

進(jìn)一步地，歸一化形式如下：

(2)

需對(duì)參數(shù)s，m進(jìn)行標(biāo)定。

根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果和其他常規(guī)物理參數(shù)指標(biāo)，確定該地層100 m深度范圍內(nèi)土體強(qiáng)度剖面近似線性變化，因此根據(jù)表5中的單剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖10所示，其中，s、m范圍分別在0.24～0.26和0.79～0.85之間。

表5 SHANSEP方法參數(shù)標(biāo)定用試樣力學(xué)參數(shù)

圖10 歸一化不排水抗剪強(qiáng)度與超固結(jié)比關(guān)系曲線

周松望[8]針對(duì)南海某井場(chǎng)SHANSEP試驗(yàn)結(jié)果顯示，s、m范圍分別在0.20～0.23和0.70～0.77之間，但由于文中所述井場(chǎng)海洋土抗剪強(qiáng)度略大，因此本次文中參數(shù)值稍大。結(jié)果同時(shí)表明，采用歸一化抗剪強(qiáng)度和超固結(jié)比擬合曲線冪指數(shù)擬合效果良好，可推廣應(yīng)用于同一井場(chǎng)不同深度處海洋土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)。

如表6所示，埋深60 m以內(nèi)選取s=0.26，m=0.79；埋深超過(guò)60 m選取s=0.24，m=0.85，進(jìn)而對(duì)不同深度處海洋土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。OCR采用CRS試驗(yàn)值，以提高客觀性并規(guī)避人為影響。

表6 單剪試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)匯總

根據(jù)詹云霞等[9]可知，南海飽和軟黏土與天津渤海海域以及New Jersey區(qū)域黏土歸一化抗剪強(qiáng)度接近，但要比挪威海域的Drammen黏土和重塑的Boston blue黏土分別高22.4%和27.8%，相關(guān)結(jié)果列于表7。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了不同海域飽和軟黏土的力學(xué)特性存在較大差異，研究南海飽和原狀土強(qiáng)度特性很有必要。

表7 國(guó)內(nèi)外黏土歸一化剪應(yīng)力值

表8給出了根據(jù)SHANSEP試驗(yàn)、三軸UU試驗(yàn)、室內(nèi)微型電動(dòng)十字板和原位CPT測(cè)試資料解釋的土的強(qiáng)度。

表8 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用原位CPT數(shù)據(jù)解釋黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，采用Wroth[10]建議的方法確定。SHANSEP試驗(yàn)結(jié)果與CPT結(jié)果更趨于一致。由于原位CPT克服了土樣擾動(dòng)因素的影響，其結(jié)果更能反映土的原位真實(shí)強(qiáng)度，同時(shí)也說(shuō)明了SHANSEP方法能夠考慮土樣擾動(dòng)的影響，驗(yàn)證了該方法適用于中國(guó)南海黏土強(qiáng)度測(cè)試評(píng)價(jià)。

3.5 不同試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度對(duì)比

如圖11所示，由于15 m深度內(nèi)的靈敏度較大，土體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，因此單剪試驗(yàn)結(jié)果僅考慮埋深大于30 m土樣，以提高該試樣方法的合理性和準(zhǔn)確性。

圖11 不同試驗(yàn)方法下歸一化抗剪強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律

針對(duì)大多數(shù)海洋黏土，單剪試驗(yàn)強(qiáng)度近似等于三軸拉伸和壓縮強(qiáng)度的平均值(Randolph)[12]。但這種情況一般發(fā)生在土體超固結(jié)大于2的情況。本次土樣屬于輕微超固結(jié)(超固結(jié)比大于且接近1)，單剪試驗(yàn)強(qiáng)度近似接近于UU和Ck0UE強(qiáng)度。此外，區(qū)別于其他試驗(yàn)結(jié)果，歸一化單剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度沿深度變化不大，歸一化比值近似為0.3。

結(jié)合圖11的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析不同試驗(yàn)方法下土體不排水抗剪強(qiáng)度結(jié)果，得出如下規(guī)律：

(3)

由于在不同試驗(yàn)方法下，試樣的約束條件、加載方式和破壞模式不同，導(dǎo)致土體強(qiáng)度存在差異。對(duì)于約束條件，Ck0UC和Ck0UE試驗(yàn)中試樣處于k0固結(jié)狀態(tài)、SS試驗(yàn)中試樣處于側(cè)限狀態(tài)并無(wú)環(huán)向變形、UU試驗(yàn)中試樣未進(jìn)行固結(jié)而直接剪切；對(duì)于加載方式，Ck0UC試樣在k0狀態(tài)下受壓縮剪切、Ck0UE試樣在k0狀態(tài)下受拉伸剪切、SS試樣在側(cè)限狀態(tài)下受水平方向剪切且試樣體積不變、UU試樣在未固結(jié)狀態(tài)下受豎向壓縮剪切；對(duì)于破壞模式，Ck0UC/E、UU試樣將呈現(xiàn)鼓脹或斜面剪切破壞、SS試驗(yàn)中土體在水平面內(nèi)發(fā)生剪切破壞。

在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)基礎(chǔ)周邊土體的應(yīng)力狀態(tài)和潛在的破壞模式，合理選擇上述試驗(yàn)方法后，測(cè)試獲得土體強(qiáng)度參數(shù)，并可參考式(3)結(jié)果。

3.6 強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)k0固結(jié)不排水剪切過(guò)程有效應(yīng)力路徑關(guān)系曲線，可以得出三軸壓縮有效內(nèi)摩擦角范圍為26.57°～30.96°，有效黏聚力范圍為10 kPa～20 kPa。三軸拉伸有效內(nèi)摩擦角為32.00°。

根據(jù)單剪試驗(yàn)應(yīng)力路徑(如圖12所示)可知，有效內(nèi)摩擦角約為27.5°，總內(nèi)摩擦角約為18.4°。

圖12 單剪試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑曲線

4 結(jié) 論

本文基于南海某井場(chǎng)海洋黏土，采用不同試驗(yàn)方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，初步結(jié)論和建議如下：

(1) ODE和CRS試驗(yàn)在確定超固結(jié)比方面存在明顯差異，本次試驗(yàn)中OCRCRS/OCRODE約為1.25～1.50。

(2) 三軸壓縮試驗(yàn)中，應(yīng)變較低時(shí)即出現(xiàn)應(yīng)變軟化，表明原狀效果良好，同時(shí)擬合得到靜止側(cè)壓力系數(shù)與塑性指數(shù)近似呈線性關(guān)系，即k0=0.0055Ip+0.3。

(3) 基于單剪試驗(yàn)驗(yàn)證了SHANSEP方法在確定該海域黏土強(qiáng)度的適用性，并擬合得到歸一化模式中參數(shù)取值：埋深在60 m以內(nèi)，s=0.26，m=0.79；埋深超過(guò)60 m，s=0.24，m=0.85。

(5) 三軸壓縮試驗(yàn)確定的有效內(nèi)摩擦角為26.57°～30.96°，三軸拉伸有效內(nèi)摩擦角為32.00°；單剪試驗(yàn)確定的有效、總內(nèi)摩擦角分別為27.5°和18.4°。