荊少東 于海濤 徐帥陵 侯方

1中石化石油工程設(shè)計有限公司

2長慶油田分公司隴東頁巖油開發(fā)項目部

隨著經(jīng)濟和科學(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需求將呈現(xiàn)剛性增加。我國作為世界第一大石油進口國，在陸上油氣資源不足、從海外開發(fā)及進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家石油安全的重要途徑。先進海洋工程結(jié)構(gòu)物中，自升式平臺的數(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約100 座，配有11 個自升式移動平臺進行井下作業(yè)。海上自升式平臺工作時依靠樁腿的支撐立在海底進行鉆井或其他支持作業(yè)，（圖1）。平臺就位作業(yè)一般采用插樁基礎(chǔ)，在實際插樁前對平臺進行插樁計算是確保安全和避免發(fā)生刺穿事故的保障[1-4]。

圖1 移動平臺現(xiàn)場作業(yè)和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mobile platform on-site operation and structure diagram

本文海底土的強度研究基于埕島油田服役的海上自升式移動平臺，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平臺插樁穩(wěn)定性計算模型提供依據(jù)，為海上石油開采過程中自升式移動平臺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)國標SL237—1999《土工試驗規(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和靜力三軸固結(jié)不排水（CU）強度測試。

1.1 基本物理性質(zhì)

采用國標土工試驗規(guī)程SL237—1999 中規(guī)定的試驗方法對海底土樣的基本物理性質(zhì)進行測試分析。

海底土樣的基本物理性質(zhì)測試結(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)顆分試驗結(jié)果可知，埕島海域海底土屬于細粒土，液塑限試驗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、波浪等外界動荷載作用下具有發(fā)生液化破壞的風(fēng)險。

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），這進一步說明了埕島海域海底土在動力荷載作用下具有發(fā)生液化破壞的風(fēng)險。

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)不排水強度特性

1.2.1 靜三軸試驗方案

采用GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》和ASTM 相關(guān)標準進行測試分析。埕島海域海底土靜力固結(jié)不排水三軸剪切試驗方案如表2 所示。

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

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

1.2.2 靜三軸試驗結(jié)果討論與分析

系統(tǒng)內(nèi)部各個要素之間相對穩(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有機運轉(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εd的增大，海底土的軸向偏應(yīng)力σd即剪切強度也不斷增大。大致以軸向應(yīng)變2.5%為界，應(yīng)變小于2.5%時剪切強度隨應(yīng)變增大而快速增大，表現(xiàn)出一定的彈性特征；當應(yīng)變大于2.5%時剪切強度的增長速率快速減小，表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征?？傊煌瑖鷫合潞５淄翍?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，此處取軸向應(yīng)變15%對應(yīng)的偏應(yīng)力用于計算海底土的固結(jié)不排水抗剪強度指標（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趨勢，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，但增長速率越來越小，直至剪切末段孔隙水壓力達到相對穩(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，剪脹趨勢越明顯。當剪應(yīng)變達到20%時，海底土中超孔壓尚未達到負值，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)上述試驗結(jié)果可得到不同圍壓條件下土體破壞應(yīng)變εd、試樣破壞時的偏應(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)力摩爾庫倫圓及其強度包絡(luò)線，可計算得到土體的總應(yīng)力和有效應(yīng)力強度參數(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)力強度參數(shù)c=16.3 kPa，φ=28.03°，有效應(yīng)力強度參數(shù)c′=23.2 kPa，φ′=30.93°。試樣S-2總應(yīng)力強度參數(shù)c=12.4 kPa，φ=26.87°，有效應(yīng)力強度參數(shù)c′=18.8 kPa，φ′=28.69°。

2 海底土的液化特性

前述試驗表明埕島海域海底土具有較高的液化勢，在動力荷載作用下易于發(fā)生液化破壞。為此，依托室內(nèi)動三軸液化試驗，探討不同強度波浪荷載作用下埕島海域海底土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔壓響應(yīng)規(guī)律以及軸向動應(yīng)變發(fā)展演變趨勢，給出不同動力條件下海底土動強度的變化規(guī)律，以評估海底土的液化特性。

2.1 試驗方案

表4 海底土動三軸試驗加載方案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-庫倫圓及強度包絡(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 海底土動三軸試驗典型曲線( σ=20 kPa，CSR=0.40)Fig.7 Typical curve of submarine soil triaxial test( σ=20 kPa， CSR=0.40)

2.2 動三軸試驗結(jié)果討論與分析

2.2.1 動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖7 是動三軸試驗過程中海底土軸向偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和加載時間之間的典型曲線。

試驗采用應(yīng)力控制進行加載，振動過程中豎向動應(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)變之和達到5%。動荷載加載初期海底土軸向動應(yīng)變發(fā)展較快，隨加載過程繼續(xù)動應(yīng)變增長速率有所遞減，直至達到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。

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

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)強度和粘結(jié)強度，進而阻礙和限制了孔壓的增加，導(dǎo)致后期孔壓增長緩慢，直至穩(wěn)定仍達不到有效圍壓；③制樣過程中發(fā)現(xiàn)有些樣品中存在黏土和粉土互層，或者在試驗結(jié)束后切開試樣，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部存在黏土團，這種互層和黏土團的存在導(dǎo)致顆粒重新排列能力較弱，最終阻礙孔壓積累，使得整個加載過程中孔壓積累速率趨于一致。

2.2.3 動強度變化規(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)動應(yīng)力比衰減趨勢比較接近，因此采用指數(shù)函數(shù)對兩種有效固結(jié)圍壓下的試驗數(shù)據(jù)進行了曲線擬合，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)動應(yīng)力比CSR存在一臨界值，當其大于臨界值時，在長期往復(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)荷載作用下不會發(fā)生液化破壞。根據(jù)動三軸液化試驗結(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εd=5%時）的臨界循環(huán)動應(yīng)力比約為0.20。

3 結(jié)束語

利用室內(nèi)動三軸試驗?zāi)M波浪循環(huán)加載作用，測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)不排水抗剪強度特性以及液化特性。重點探討了不同強度波浪荷載作用下海底土動強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。

（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)力強度指標c介于12.4～16.3 kPa，φ介于26.87°～28.03°，有效應(yīng)力強度指標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，相同圍壓下，施加的動應(yīng)力越大，海底土超孔壓增長得越快。在5%的動應(yīng)變范圍內(nèi)，試驗土樣的動孔壓均小于有效圍壓，從工程角度分析，應(yīng)變標準比孔壓標準更適合用來評估埕島海域海底粉土的液化勢。

（5）埕島海域海底粉土動應(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，相同圍壓下，施加的動應(yīng)力越大，海底土動應(yīng)變增長也越快。

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