海洋工程勘探装备与勘察关键技术研究及应用

建设海洋强国是国家重大战略任务,近十年来,海洋生产总值增长60%,海洋生产总值占GDP总量比重在全国达到9%,2030年海洋生产总值占GDP总量比重在全国将超过15%.此外,国家"十四五"可再生能源发展规划明确指出,要有序推进海上风电基地建设、稳步发展潮汐能发电、开展潮流能和波浪能示范、探索开发海岛可再生能源,开发海洋产业也是实现"十四五"可再生能源发展规划和实现"双碳"目标的重要举措.海洋工程建设是海洋经济的重要组成,海洋工程相关的生产总值占海洋生产总值的15%左右,海洋新能源工程、跨海通道、海洋牧场、海洋堤坝等海洋工程前景广阔.但是,以往海洋工程勘察存在一些重大的问题,包括勘探装备适用性差、效率低、安全性能不足、成本高;勘察方法单一且适用性差,造成勘察精度不足;工程地质没有系统的评价体系、场地地基和参数评价针对性差,导致评价结果误差较大.这些问题都会影响海洋工程的安全性、可靠性和经济性,甚至造成桩基溜桩、突涌水涌泥、地基长期沉降、堤坝失稳等海洋工程事故.因此,进行海洋工程勘察的系统研究和总结十分必要.

黄海海域风电工程软弱海床强度CPTU原位解译方法

孔压静力触探试验(CPTU)是目前中国海上风电场工程勘察中应用最多的原位测试方法之一,其缺点在于土体参数无法直接获取,需要通过解译获得,而不同地区的解译参数存在场地特异性。该文依托黄海海域江苏某海上风电工程,开展室内三轴UU、固结快剪、三轴CU试验和原位CPTU,得到江苏海域的黏性土强度随深度的关系,可用于江苏海域黏性土强度的快速评估。基于修正剑桥模型和三轴CU试验得到江苏海域黏性土强度的理论计算公式。基于固结快剪和三轴试验结果得到江苏海域不同黏性土层强度的CPTU解译参数Nkt值的范围分别为11.93~19.99和8.45~16.68,建议采用固结快剪标定得到的Nkt总平均值14.44作为黏性土最优强度(中值)的解译参数。最终建立CPTU孔压比Bq和Nkt的关系,采用建立的Nkt与Bq的关系可较好解译黄海海域黏性土的不排水抗剪强度su,通过标定建立Nkt-Bq关系的方法也可应用于其他海洋岩土工程项目中。

基于球形静力触探的嘉兴海域软黏土强度特性研究

针对海上风力机基础设计中的软黏土强度评价问题,通过在浙江嘉兴海域开展球形静力触探试验和室内试验,标定得到适合中国浙江嘉兴海域淤泥质粉质黏土的球形静力触探因子N_(ball)。采用固结快剪试验结果标定得到的N_(ball),DS范围为6.70~14.91,总平均值为10.58,标准值为10.91;采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU范围为7.75~23.75,总平均值为17.44,标准值为19.03。采用标定得到的N_(ball)值可较好地解译嘉兴海域软黏土的强度,建议采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU的标准值19.03作为强度下限值解译参数,采用固结快剪试验得到的N_(ball),DS的标准值10.91作为最优强度(中值)解译参数。

基于孔压静力触探的杭州湾海域软黏土强度解译参数研究

我国海域广泛分布有低强度软黏土,其工程特性评价将直接影响风机基础设计和安全运行。孔压静力触探是目前海洋勘察中使用最多的原位测试手段,其优点在于对土体扰动小,缺点在于需要通过解译获取土体参数,而不同地区的解译参数往往存在场地特异性。依托浙江杭州湾嘉兴海域某海上风电工程,开展了室内试验和原位孔压静力触探试验(piezoncone penetration test,简称CPTU),标定得到了适合我国浙江杭州湾海域的淤泥质粉质黏土的CPTU锥尖因子N_(kt)范围为14.15~30.18,总平均值为20.25。标定结果显示杭州湾海域淤泥质粉质黏土锥尖因子N_(kt)与孔压比B_(q)呈现负相关性,而与含水率w、孔隙比e、液限w_(L)、塑限w_(p)、塑性指数I_(p)呈现正相关性,并得到了N_(kt)与孔压比B_(q)和塑性指数I_(p)的多元回归分析公式。将建立的N_(kt)关系式应用于临近平湖海域的风电场工程中,结果显示采用含水率w、孔隙比e与锥尖因子N_(kt)的关系式以及孔压比B_(q)和塑性指数I_(p)的多元回归分析公式,可以较好地解译杭州湾海域软黏土的强度,不仅适用于淤泥质粉质黏土地层,还可以应用于淤泥质黏土和粉质黏土地层,具有较好的场地适用性。

三维水下黏质斜坡海床变形冲蚀特征试验研究

以舟山某海域的某三维斜坡海床为原型,开展一系列大型波浪港池试验,探究波浪作用下三维黏质斜坡海床的孔压响应、变形及冲蚀破坏特征。研究结果表明:当波高较小时,黏质斜坡海床内部的超孔压累积不明显,多表现为振荡孔压;当波高逐渐增大时,黏质斜坡发生由坡顶到坡脚的浅层破坏,在靠近坡脚处出现明显的黏土碎屑状堆积,海床内超孔压表现为先累积后消散,其变化规律与海床冲蚀失稳特征密切相关。

考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型

温度变化对土体性质和行为的潜在影响已成为许多岩土工程设计和应用的重要组成部分。针对粉土中孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的温度效应及部分排水状态,提出了基于小孔扩张理论的计算模型和分析方法。采用一种能够表征粉土强度温度效应的本构模型,给出了完全不排水和排水条件下的解析解;以Bourke粉土为例,分析了温度对扩张压力的影响,揭示了扩张压力随温度升高而减小的规律。采用一种线性映射方法给出了部分排水条件下的小孔扩张半解析解,并基于物理模型试验的结果得出了排水状态与温度的相关关系,建立了考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型。研究了不同贯入速率下温度对CPTu测试结果的影响,结果表明,温度升高导致锥尖阻力与锥肩孔压减小,且变化幅度随超固结比的增加而增大,通过试验结果与计算模型预测结果的对比验证了模型的可靠性。

海床加固对海上风电单桩基础的动力特性影响

建立海上风电单桩基础浅层土体三维数值有限元模型,分析不同范围、不同形状海床加固方式,以及作用不同幅值、不同方向循环荷载单桩基础的累积变形、振动特性动力响应影响,为加固体应用于单桩桩周土体加固工程提供优化建议。结果表明:不同加固条件下,风力机一阶自振频率改变较为显著;加固后单桩基础相较于未加固单桩基础,在循环荷载作用下,单桩桩身位移、转角和内力响应极值均有所减小,泥面位移极值最多可降低81%;桩周土体剪应力与剪应变亦减小,随着循环次数增加,剪应变增幅减少,土体塑性区域变小。

基于地应力与岩石抗压强度变异性的岩体爆破响应特征研究

为研究不同地应力和不同抗压强度对岩体爆破效果的影响,采用颗粒流软件进行数值模拟,监测岩石试样不同位置处的应力峰值变化及岩体爆破破坏特征。结果表明,地应力的增加使测量点的峰值应力明显增加,同时也抑制了裂缝的发展;随着抗压强度的提高,剪切裂缝的数量不断增加,拉伸裂缝的数量不断减少,23.5~43.5 MPa时的效果最为明显;抗压强度的变化对应变能的峰值影响较大。

考虑初始嵌入深度变异性的海底管道整体侧向屈曲分析

海底管道是海洋油气工程的重要组成部分,在高温高压运行状态下易发生整体屈曲,开裂破坏后造成油气泄露。海床土体对管道的侧向抗力是影响其屈曲的关键因素,而管道侧向抗力发挥与初始嵌入深度密切相关。构建了海底管道整体屈曲数值模型,对初始嵌入深度等因素进行不确定性分析,揭示了初始嵌入深度变异性对管道屈曲的影响机制。研究发现:当初始嵌入深度越大、初始缺陷越小时,管道临界屈曲轴力越大,屈曲位移越小;管道嵌入深度变异性的存在会导致管道更易屈曲,并诱发不对称的三阶屈曲或更高阶屈曲;管道嵌入深度在空间上的变异性对屈曲发生概率P(p<p_(det))存在影响,而相关性的改变对管道屈曲影响较小;管道存在屈曲模式转变界限升温,当屈曲升温大于界限升温时,管道发生跳跃型屈曲,反之则发生分岔型屈曲。

台州滨海软黏土强度特性室内外联合标定

我国滨海地区广泛分布有低强度、高压缩性软黏土,其工程特性评价对工程建设影响极大。孔压静力触探(CPTU)对土体扰动小,是目前最常用的原位测试方法之一。但是CPTU测试成果需要通过解译才可实现对土体力学特性的评价,不同地区存在地区特异性。针对台州滨海地区深厚软黏土场地,开展了孔压静力触探试验和室内试验,系统地研究了台州滨海软黏土的强度特征。基于重塑台州软黏土固结快剪试验,得到了台州软黏土的归一化强度与超固结比(OCR)的关系式,其应力历史及归一化土工程特性(SHANSEP)法经验系数a为0.226,经验系数b为0.761;标定得到了台州软黏土的CPTU触探因子Nkt的范围为10.23~16.88,总平均值为14.08;基于SHANSEP公式和Nkt法解译得到的土体不排水抗剪强度su,获取了台州软黏土的原位超固结比OCR连续剖面;并标定得到了不同地层的OCR解译经验系数k的范围为0.315~0.570,建议采用k=0.33对台州软黏土超固结比OCR进行解译。

建筑对软土层地表沉降数值模拟分析

本文依托宁波舟山港梅山滚装及杂货码头二期工程拟新建码头项目,利用离散元模拟软件PFC3D,研究上层建筑对软土层的地表沉降问题。建立不同土层模型进行单向施向用以模拟建筑物荷载,模型颗粒的微观变化规律来预计实际土体情况。施加压力过程中对模型中颗粒的位移场、应力场以及能量场进行分析。结果表明:1)随着加压的时间推进,地表的沉降量增加,位移变化从地层表面部分向底层部分,四周向中心扩展,直到整个模型形成均匀沉降,最大位移约为2.0mm左右。2)同时在不同土层的上表面设置测量圆监测应力变化。应力变化规律符合加载过程,下土层由于承受上层土压力因而应力整体更大。3)通过能量监测系统获取试样能量变化,从监测结果可知动能和应变能在加载初期迅速增长,随后趋于稳定状态运行,能摩擦能随着加载过程持续增长。

地震作用下南黄海海上风电场水平场地液化特性分析

江苏近海属南黄海海域,是我国海上风电场最集中的地区,目前约占全国总装机容量的70%~75%,该区覆盖层厚度大,桩长深度范围(一般40~60 m)多为粉砂、粉土、粉质黏土地层,尤其是泥面以下20 m深度为易液化粉砂-粉土地层。而南黄海地区亦是我国的地震多发区,因此,研究了该区海上风电场水平场地的地震液化特性。首先基于南黄海某海上风电场50个机位的钻探资料统计特征建立了地层概化模型;随后通过动三轴试验和共振柱试验标定了土体动力分析参数;然后反演了3条地震波(EL-Centro波、Northridge波、Kobe波),将地表附近地震动峰值加速度PGA分别调整为0.05g、0.10g、0.20g、0.40g并进行场地液化分析,重点分析了地震作用下地层的超孔压比、总沉降、分层沉降等特性。研究发现,该区地层为可液化地层。当PGA=0.05g时,各层监测点的超孔压比均小于1.0,地层总沉降为1 cm左右;当PGA为0.10g和0.20g时,仅表层(12 m内)地层完全液化,地层总沉降分别为10 cm和17 cm;PGA=0.40g输入时,泥面下20 m地层均完全液化,地层总沉降为30 cm左右。不同地震作用下,表层土体沉降占比最大,当PGA为0.10g及0.20g时,表层土体沉降约占总沉降的95%以上。因此,该区海上风机桩基础设计应考虑地震作用下场地的上述液化特性。

不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

随着微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度(0.5、0.7和1.0 mol/L)条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。

海底滑坡中滑水效应的危害

海底滑坡是危害最大的海洋地质灾害之一,可以沿海底斜坡搬运超大体积的沉积物,并作高速运动。滑水是海底滑坡高速和长距离滑动的主要原因,涉及复杂的滑坡体-环境水相互作用。本文采用新型数值方法物质点法对滑水的危害性进行研究,分别对室内试验和真实滑坡案例中滑坡体的运动过程进行了反分析。考虑滑水发生的力学条件,将上部流体拖曳阻力、底部海床阻力和滑水发生时的水垫层阻力共同作用于滑坡体,得到的滑坡体运动距离与试验和观测结果一致。分析了滑坡体在滑水发生后的动力特性,研究表明滑水大幅增强了海底滑坡的运动距离和滑动速度。