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海洋岩土工程

顾小芸

(中国科学院力学研究所)

        20世纪70年代末80年代初,加速开发海洋石油资源已经成为未来我国能源战略的重中之重。根据我国海洋石油开发事业的需要,钱寿易先生决定开辟海洋土力学研究。在他带领下中国科学院力学研究所的科研人员与刚成立的中国海洋石油总公司建立了合作关系。紧接着,原南京工学院、大连理工大学、同济大学和清华大学也投入了相当力量到海洋岩土工程中。二十多年过去了,我国的海洋岩土工程事业经过从无到有、参照国际经验和有所创新几个阶段,得到了蓬勃发展。大连理工大学成立了海岸和近海工程国家重点实验室,天津大学成立了天津市港口与海洋工程重点实验室。清华大学、浙江大学、同济大学等也都有各自的特色。除学会所属单位外,中科院所属两个海洋所、国家海洋局两个海洋所、地矿部海洋地质局和青岛海洋大学也都做出了贡献。
        本文主要从海洋岩土工程与陆地岩土工程不同的角度分五个方面进行阐述。
        1.场地调查

        海上场地调查是海洋岩土工程的第一关。
        1980年,中日两国开始合作开发中国第一个海上油田——渤海湾的埕北油田(图1)。海上钻探取土都是日方进行,只是根据合作协定,土样不能带出国门,因此由渤海石油公司以反承包方式进行室内土工试验。但试验必须在日方技术人员的指导下进行,甚至连一个小小的比重计都要用日本进口的。1982年,力学所的研究人员以该实验室人员老师的身份参加到渤海石油公司去进行土工试验。经过一段时间的接触,日方技术人员发现我们能回答他们有些回答不了的问题,我们还发现了他们插桩计算中的错误,于是把试验把关问题全部交给了我们。我们还把埕北油田的许多钻孔资料综合整理,得到了该区域海底土层土工特性的全貌,成为第一个反映我国海区海底土性的论文。
        根据国际经验,一个重要的生产平台的场址调查需要地球物理、地质和土工的综合调查和评价。中国科学院具备综合性多学科的特点。1984年,在钱寿易的领导下,中国科学院力学所、武汉岩土力学所、南海海洋所、青岛海洋所和国家地震局工程力学所联合起来,与南海西部石油公司合作,进行了“南海北部湾W11—1海区工程地质调查和评价”。这是完全由我们中国人自己干的项目。两个海洋所进行地球物理调查和与沉积物应力历史有关的地质试验和分析;钻取土样、原位CPT试验和船上简易土工试验由南海西部石油公司的503船进行(我们的人参加);岸上土工试验和场址评价则由我们土工人员进行。
        70年代以后,国际上已认识到,对海洋工程地质条件的了解不能局限于某一结构物的场地,必须扩大调查区域范围以了解海底大面积土体滑移的可能性。对于比较成熟的地区,可以将众多的钻孔资料连成片分析。而对于新开发的或边远的海域,则有必要先做大面积的调查。80年代初美国公司对非洲象牙海岸进行的调查就是区域性工程地质调查的先行。80年代后期,地矿部广州海洋地质局在联合国开发计划署(UNDP)的资助下,进行了珠江口盆地陆架区的区域性工程地质调查,面积达七万平方公里。调查内容包括各种地球物理测量、每一区块(7800km2)1个120m深的钻孔取原状土样和相应的CPT试验、每20 km2范围取一个海底浅层柱状样,以及少量浅层原位试验。中国科学院力学研究所与其合作,进行了更为细致的室内静动力性质试验和岩土工程评价。评价工作做得越细致,能为工程提供越多的信息。此后,中国科学院在南海西部也进行了几个区块的区域性工程地质调查和评价。
        90年代初,中国科学院力学所和青岛海洋所共同进行了近海平台和海底管线场地调查与评价的UNDP项目,并制定了规范。之后,将所得成果用于南海西部的几个平台和管线的实际设计中。
        天津大学先后参与了我国渤海、南海及东海数十个大型油气田开发中的海洋平台场地特性评价研究工作。
        2. 海洋土特性和室内土工试验
        1) 海洋土特性
        除南海的钙质砂以外,我国大多数海洋土与陆地土没有本质上的区别。
        中国科学院武汉岩土力学所和力学所进行过一些钙质砂的试验。发现其具有高碳酸钙成分、颗粒比重大(达2.8)、颗粒破碎、胶结性强的特点,影响到它有非常大的内摩擦角(达51 ~52 )和明显的剪缩性。剪缩性影响了许多工程特性,例如沉桩时桩的侧阻力不是增加而是减小,因此要特殊对待。
        由于海上取土特别昂贵,进行土样制备以与原状土比较,值得提倡。大连理工大学在这方面做了大量工作。
        2) 室内试验
         (1) 由于海洋土的宝贵,试验中要注意如下几点:
        ——重视物理性质和力学性质参数之间的关系。
        ——为减少土样的用量,三轴试验中采用一个土样多级试验的方法是有益的。
        ——海上取样,尤其是浅层柱状样,其扰动性较大。用美国MIT提出的归一化方法进行试验以减少扰动性影响,是值得推荐的。
        ——在条件许可的情况下,应将室内土工试验值与原位试验值比较。
         (2) 动力试验
        模拟波浪荷载的动力试验是重要一环。试验频率为0.1Hz。用得最多的是动三轴仪。天大、清华、大工、同济、浙大等高校都进行过高质量的海洋土动三轴试验。动力试验主要包括波浪荷载下土的强度-变形特性、砂土液化试验和测量海底粘土受波浪作用后的强度软化值。
        动单剪试验比动三轴试验更接近波浪荷载的实际应力状态且节省土样,值得推崇。
        扭剪试验具有主应力旋转的特点,最接近波浪条件下的应力状态。这方面的试验国际上也还处于研究阶段。大连理工大学近海工程国家实验室是该方面领先的单位。他们对进口的仪器进行开发与完善,自行开发计算机自动控制与数据采集处理系统,为研究复杂应力条件下土的静动力变形与强度特性创造实验技术条件。
        通过对海洋软土、砂土和粉土进行大量的不同静动应力组合及复杂应力路径下的土工实验,一方面通过多因素相关性分析建立软土软化变形、砂质土孔隙水压力增长的经验模式,另一方面结合近代土力学中临界状态和稳定状态等概念,构造海洋软土和砂质土的弹塑性本构模型和确定参数,又通过特定应力路径的土工试验进行实验验证,是大连理工大学、天津大学等高校研究的一大特色。
        天津大学还将随机场理论应用于渤海海洋地基土中。
        3. 海底自由场地的岩土工程评价
        1)海底土层对波浪的反应
        海底土层与陆地土层最大的不同就是长期受到波浪荷载的作用。波浪感应产生的海底压力又会在海底土层中引起反应。土中的有效应力和孔隙压力可用计算得到。80年代后期,力学所、清华大学、大连理工大学等都从线性波理论出发进行过这方面的计算。为了验证理论计算,清华大学在波浪槽中进行了模型试验。模型试验中还观察到砂波形成的现象。
        近年来,大连理工大学和力学所又在Biot 多孔介质动力固结理论的基础上,对有限厚度砂质海床与非线性波浪的相互作用进行了有限元数值模拟。通过参量研究,分析了波浪非线性、海床非均质性和相对厚度等因素对海床土层内超孔隙水压力分布的影响。
        2)海底土体滑移
        大陆架的坡度非常缓,从陆上滑坡的理念,不会去考虑其滑移。但是,1969年,美国墨西哥湾的大风暴使不到1度的缓坡产生滑移,造成平台的倾覆。其原因是波浪荷载造成土中孔隙压力增加,土层欠固结状态和天然气含量也增加了孔隙压力;以及土质特别软,在波浪的反复荷载作用下强度又比原来的静强度有所下降。从此,在海底土质比较软的地区有必要分析海底土体滑移的可能性。力学所对南海珠江口盆地卫滩北区和浙江象山港附近的海域,根据波浪和土性情况进行计算,表明海底滑移可能性的存在。在象山港,因为有国家海洋局提供的海底地形资料,计算结果还得到了验证。青岛海洋大学和美国专家合作研究了黄河三角洲的海底土体滑移。
        3)砂土液化分析
        对于水深小于150m的非地震活动区,波浪荷载是引起砂土液化的诱发力。波浪和地震虽都是周期荷载,但其传播方向不同(前者自上向下,后者自下向上),特点不同(前者有主应力方向旋转的特点,后者无),频率不同(前者约0.1Hz,后者1Hz),历时不同(地震历时以秒、分计算,风暴浪历时以小时、天计算)。在具有足够土工试验资料的情况下可以计算孔隙压力增长和随时间消散两种作用下的孔隙压力反应。利用能测孔隙压力的CPT资料判定液化势,也是很好的方法。有限元计算得到土层中孔隙压力与有效应力之比也可判断砂土液化。这方面力学所做了一定工作。
        4. 平台地基的稳定性
        1) 导管架平台的桩基分析
        海上施工是安装导管架平台的难点。早在1979年,前南京工学院唐念慈先生开始将波动方程用于渤海油田的打桩分析中。
        80年代中期W11-1海区工程地质调查和评价项目中,力学所参照API规范进行了平台的桩基分析。除计算轴向承载力、抗拔力外,波浪引起的水平荷载作用下桩的性能分析,也就是挠度和横向土反力间的关系(P-Y关系),是海洋平台中特有的内容。除此以外,还进行了轴向荷载和沉降特性分析以及沉桩可能性分析。后来在UNDP项目中又进一步规范化和编制了程序,得以应用到南海北部湾海区的多个平台设计中。
        此外,80年代后期起,同济大学和力学所等对桩土相互作用和群桩分析又作了更为深入的研究。
        天津大学更进一步在液化土层中桩基承载特性与设计方法,以及大直径、超长桩在深海恶劣环境和复杂地质条件下打桩机理与分析方法方面进行了研究。
        2) 重力式平台地基稳定性分析
        90年代以前,重力式平台和导管架平台是两种最常见的近海平台。在我们的海洋工程工作还处于起步阶段时,自然要从这两种平台开始着手。80年代中力学所在进行W11-1海区工程地质调查和评价项目时,因为当时没有具体的设计目标,既进行了重力式平台的地基稳定性分析,也进行了导管架平台的桩基分析。重力式平台方面,进行了地基承载力计算,地基滑动稳定分析,平台基础的接触应力和裙板贯入阻力,和平台地基的变形分析。
        大连理工大学从80年代中期开始用能量方法进行了重力式平台的地基稳定性分析。
        但由于我国油田的实际情况,没有建造重力式平台。
        3) 负压桶形基础的分析
        90年代中,在北海油田挪威建立了第一个桶形基础的平台。其外形像一只倒扣在土中的桶且靠负压沉贯而得名。这种平台具有结构形式简单、插入深度浅、安装就位方便、可重复使用、造价低等优点。在我国应有很好的前景。
        90年代末期,在渤海建立桶形基础的平台提上了日程。胜利石油管理局与国家海洋局第一研究所合作进行了负压沉贯的模型试验,天津大学进行了负压沉贯阻力和桶基沉贯渗流场的数值计算,为21世纪初建立负压桶形基础平台作了准备。
        但是,已建的两个平台规模都很小,水深很浅,已积累的经验也不够。天大、浙大、力学所和清华等又对桶形基础地基的竖向承载力、水平承载力、抗拔力和冰载影响等进行了小模型试验、离心机模型试验和数值计算。
        4) 海洋结构物地基动力分析
        虽然目前国际上还在采用API(93)规范,其基本思想还是极限平衡方法(即使周期荷载的效应也包括在内),但是近十年的研究表明,考虑弹塑性体的有限元方法得到的结果更接近实际。因此,地基动力分析方面的前沿计算工作是十分重要的。大连理工大学发展了下列两种分析方法:(1)基于安定性分析理论建立了重力式海洋结构与地基在变值加载条件下承载力的有限元数值计算方法;(2)基于Swipe加载方法与土的循环强度概念对于重力式基础、大圆筒结构、桶形基础、吸力式沉箱结构地基承载特性的弹塑性有限元分析。天津大学也进行了地基动力稳定理论、分析方法与可靠度设计。
        5. 海底管线及其他

        1) 海底管线
        海底管线(图2)是输送石油的交通要道。90年代修改的国际设计规范中,管道在位稳定性的考虑是基于80年代中后期西方几个大国联合进行的管土相互作用实验。但是,该实验是在机械的循环加载条件下进行的。实际上,波浪是水动力。水动力既作用于管道,也作用于土。因此应该考虑波-管-土的耦合效应。90年代后期,力学所首次利用U型振荡水流槽进行了波-管-土相互作用的试验,得到了水动力参数、砂土粒径和管重间的关系。试验结果与国外的实验结果有一定可比性,但物理意义更明确,可以避免许多不必要的经验参数。在此基础上,提出了一种有别于传统设计规范的管道稳定性分析方法,并给出了具体设计步骤。但真要将这种方法应用到实际中去,还要进行更系统的研究和得到国际权威的认可。此外,还进行了非线性波浪作用下海底埋管与海床相互作用的数值模拟,得到管道周围海床孔隙水压力分布的规律。也研究了回填土特性对管线附近土体孔隙水压力的瞬态响应规律。
        大连理工大学在海底管线稳定性计算中假定管线是弹性可变形体,考虑土与管线之间的接触效应,并考虑土体和管线的惯性力效应,对波浪荷载作用下海底埋置管线的内应力及其周围海床中动力响应进行了有限元数值分析,探讨了海底管线的上升力,各参数对管线几何尺寸的影响,以及土性参数对管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响。
        天津大学在海底管线稳定性方面也进行了一定工作。
        波-管-土耦合效应的一个重要标志是冲刷。它是海床以上的涡流与海床以下的渗流共同作用造成的。冲刷造成的悬空是海底管线工程中经常遇到的棘手问题。力学所分别进行了波浪和海流环境载荷下的管线冲刷实验。还对海流作用下的海底管道悬空进行了数值模拟。计算结果表明,管道下方渗流出口处土体的渗透破坏将诱导管道发生悬空。
        大连理工大学最近还对海底管线的损伤机理和健康诊断进行研究。
        2)其他结构-海床动力相互作用分析
        大连理工大学在结构-海床动力相互作用分析方面做了许多工作. 他们利用SWANDYNE II动力有限元程序,对Pastor-Zienkiwicz Mark III的广义塑性模型进行二次开发,以考虑海床动力响应的行波效应。同时又对通用有限元分析软件ABAQUS进行二次开发,并采用了改进的剑桥动力本构模型,对软基上深埋式大圆筒结构与地基耦合系统建立了平面应变弹塑性有效应力分析模型。
        同期他们还进行了波浪作用下防波堤结构-海床的耦合效应分析。
        天津大学在围海造路地基处理等方面也进行了相当工作。
        回顾二十多年海洋岩土工程的历程,我们感到欣慰,这是岩土工程界人士共同努力的结果。目前,我国的油气开发工程正向深海区发展,新的课题已摆在我们前面。祝愿在今后的五十年中以创新的姿态迎接更大的辉煌!