海底麻坑一般是指海底面呈现如月球表面一般的坑洼地貌, 被普遍认为是由于深部流体通过流体通道在海底强烈快速喷逸或缓慢渗漏亦或是浅层气逸散剥蚀海底松散沉积物而形成的残留海底地貌^[1]。自1970年被首次发现以来, 越来越多的海底麻坑在全球范围内特别是在大陆边缘海底被发现, 突显出其在指示海底流体活动和海洋地质灾害方面具有重要意义, 许多学者对此进行了大量有意义的研究^[2-6]。

海底浅层气在东海近岸海域多有分布, 主要集中于长江水下三角洲和浙江近岸海域的第四纪沉积地层中, 如长江口南支沿岸、长江口外海域、杭州湾至舟山群岛地区海域等。第四纪沉积层土体粒径往往粗细相间、海相陆相交互, 其中淤泥质粉质黏土层和淤泥质黏土层富含有机质, 是常见烃源层, 且同时具有盖层作用, 粗颗粒砂质沉积物因孔隙度较大, 可形成储集层, 因此导致浅层气在第四纪地层中的分布常常具有多层性, 储集层一般与烃源层互相叠加, 高压气囊主要分布在古河道、河口湾和分支河道河口湾中部或边缘。浙江沿海第四系一般可分为第一含气层系(全新统)和第二含气层系(上更新统), 最浅埋深一般为0~30 m。在长江水下三角洲, 浅层气主要分布在自岸滩至25 m水深范围内的三角洲前缘与前三角洲沉积区内, 在长江口东南可达35m水深或更深的陆架上。

随着海洋工程活动的大量增加, 作为常见的海底微地貌类型海底地貌, 海底麻坑不可避免地会与海洋工程活动产生区域重叠, 而海底麻坑的不均匀沉降等特征可能引起严重的工程危害^[7]。为了提高海洋工程的稳定性及安全性, 加强对海底麻坑土体物理力学特性的研究尤为重要。

现代静力触探技术(cone penetration testing, CPT)发展于20世纪60年代, 其作用是根据探头贯入时候的阻力(锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s)和贯入深度获得这些静力触探参数随深度的变化曲线图, 并以此对土体类型及物理力学性质进行判别^[8-11]。其后又发展出了可进行孔隙水压力测量的孔压静力触探(CPTU), 相较于传统的钻探方法, CPTU测试能够提供高分辨率连续的原位测试数据, 消除了取样过程中的干扰对测试分析的影响, 减少了取样及样品分析等工作量, 节约成本且大大提高了效率。在海洋工程勘察中, 由于取样的困难及取样方式的限制, 我们很难利用传统的取样实验的方式获得高精度的测试数据, 而CPTU测试技术可以很大程度上的克服这些困难, 使我们获得连续的海底土体原位数据^[12-15]。近年来, 海洋孔压静力触探(CPTU)技术因其高效、准确的优势, 在海洋工程勘测及工程地质灾害调查中得到广泛应用:梁文成等^[16]在港珠澳大桥岛隧工程地质勘察工作中成功利用CPTU技术进行了工程地质物理力学特性分析; 陈磊^[17]利用CPTU技术对海上某井位进行准确的地质分层; 彭鹏等^[18]采用CPTU方法对三亚新机场海洋软土工程特性进行评价, 均取得了良好的效果。可见静力触探技术在工程中的应用具有重要的意义, 可以对海底土的工程特性作比较全面的分析和评价。

本文利用在杭州湾口外软土海底采集的钻孔分析数据以及孔压静力触探(CPTU)分析数据, 研究杭州湾口外海域某大型海底麻坑内外的土体物理力学性质差异, 分析差异形成原因, 为提高海洋工程建设安全性提供支撑。

1 研究方法 1.1 研究区位置及声学地层特征

研究海域位于杭州湾口外现代长江水下三角洲南缘, 中街山列岛-东极镇北侧海域, 坐标范围东经约122°41′23.7″~122°43′23.2″、北纬约30°13′26.2″~ 30°14′34.6″之间(见图 1)。该区第四纪以来形成了浙东南陆相松散碎屑沉积及滨海海陆交互相、海相松散沉积, 平均水深约28 m, 海底地形较为平坦, 主要物源来自长江及钱塘江携带的泥沙^[19-20]。

研究区浅地层剖面显示麻坑下方声学反射信号受到明显的干扰, 形成明显的声学屏蔽现象, 表明有浅层气存在于地层中^[21], 屏蔽层的顶界面在麻坑区抵达海底面(见图 2); 形状为不规则椭圆形(见图 3), 南北向长度约400 m, 东西向宽度约150 m, 麻坑深度约1 m, 属于大型麻坑^[22]。

1.2 孔压静力触探测试

为了对比海底麻坑内外土体物理力学性质差异, 在麻坑内外不同位置分别布置了4个CPTU测试站位, 贯入深度15 m, CPTU站位分布图见图 3。

1.3 钻孔及实验

为了进一步确定麻坑内外土体物理力学性质差异, 并与CPTU数据进行验证, 在麻坑内外设置两个钻孔, 分别为Zk2(麻坑外)和Zk1(麻坑内), 如图 3。

钻孔采用XY-2型液压岩心钻机配合500吨级锚固平台, 工艺采用上提活阀式单层双动岩心管内衬PVC管全深度取样, 每回次进尺控制在2 m左右, Zk1孔位于麻坑南端中心, 完井深度70 m, Zk2孔位于Zk1孔西北向300 m处, 距离麻坑外缘约150 m, 完井深度50 m。由于Zk2孔的浅地层探测未发现浅层气的反射特征, 因此可以将其认为未受浅层气干扰的原始地层。

取回的钻孔柱状土样分段进行室内土工试验, 海上钻探取样后, 将钻孔柱状样密封运输至陆上室内实验室, 以3 m为间隔分样, 按《中华人民共和国行业标准:土工试验规程(SL237-1999)》分别测试土样抗剪强度、液塑限、含水率、密度、压缩系数等土体物理力学性质参数。

2 结果和讨论 2.1 CPTU数据及分析

CPTU的数据无法直接反映土体的物理力学特征, 不过经过30多年的试验和应用, 学者们建立了大量的两者之间的经验公式, 使CPTU数据的q_c和f_s等参数与土体的物理力学性质参数产生了联系, 因此根据这些经验公式来可以对土体的物理力学性质进行判断。

关于黏性土的不排水抗剪强度C_u, 探头在饱和黏性土中贯入时, 土体处于不排水条件, C_u可用下式估算^[23]:

$ {\mathit{C}_u} = \frac{{\left( {{q_{\rm{c}}} - {\sigma _0}} \right)}}{{{N_k}}}, $

(1)

式中: q_c表示锥头阻力; σ₀表示原位总上覆应力; N_k表示锥头系数(由经验取得)。

CPTU测试结果见图 4, 将所选的4个CPTU站位(CP2、CP4位于麻坑内, CP3、CP6位于麻坑外)的q_c、f_s曲线以及C_u进行对比, 可以发现所有麻坑外站位的q_c均表现出随探入深度增加而增大的趋势, 且近似呈线性增加, 表明麻坑外站位的地层连续性较好, 沉积过程稳定; 麻坑内的站位q_c高于麻坑外的站位, 这种现象可能是流体或气体释放后, 土体孔隙度减小, 密度增加形成的; f_s曲线与C_u变化规律基本相同, 麻坑内站位的侧摩阻力、不排水抗剪强度均高于麻坑外的站位; 测得的土体孔隙水压力麻坑内外差异不明显。

关于黏性土的压缩模量E_s, 一般均表示为

$ {\mathit{E}_s} = a{q_{\rm{c}}}, $

(2)

式中: a表示经验系数。

根据《工程地质手册》, 地基土的承载力的确定可用经验公式:

$ {\mathit{f}_0} = 112{q_{\rm{c}}} + 5, $

(3)

由此可知, f₀、E_s两个参数均可由q_c推算, 且与其呈一阶正相关, 因此他们的变化态势与q_c相同, 即CPTU数据反映出麻坑内15 m以内深度的土体承载力、压缩模量要高于麻坑外土体。

2.2 钻孔样实验结果

取样分析发现, 研究区内海底面下30 m内的土样以黏土为主, 将Zk1、Zk2钻孔的实验室土工测试结果进行对比, 如图 5。

其中饱和度是根据土的三相比例换算公式得到的:

$ \mathit{n} = 1 - \frac{\rho }{{{\rho _{\rm{s}}}\left( {1 + \omega } \right)}}, $

(4)

$ {\mathit{S}_r} = \frac{{\omega {G_{\rm{s}}}}}{\varepsilon }, $

(5)

式中: n为孔隙率; ρ为土的密度; ρ_s为土粒比重, ${\rho _{\rm{s}}} = {G_{\rm{s}}}\rho _{\rm{W}}^{4℃}$, $\rho _{\rm{W}}^{4℃}$为4℃时纯蒸馏水的密度; S_r为土的饱和度。

对比两个钻孔土体的饱和度, 麻坑外Zk2钻孔的土样饱和度多在96%~100%之间, 说明该孔的土体基本未受浅层气影响, 保持未受扰动的原状态; 麻坑内Zk1钻孔的土样在深度30 m以内饱和度多在80%~90%, 均为非饱和土, 30 m到60 m区间饱和度提升到90%左右。对比n发现, 在深度40 m以内麻坑外的Zk2钻孔的值明显大于麻坑内Zk1孔的值; 结合饱和度和孔隙率的变化及对比, 在钻孔40 m以内的深度, 麻坑内土体较麻坑外稍显密实, 同时E_s的对比也证明了这一点, 在40 m以内Zk1孔的压缩模量明显大于Zk2孔。相同深度上Zk1孔黏聚力和内摩擦角要大于Zk2孔, 说明麻坑内土体的黏聚程度和摩擦强度均要强于麻坑外的土体。

值得注意的是, 当钻孔深度达到40 m以后, 两个钻孔几乎各项土样测试数据都有趋同的现象, 这说明麻坑内外土性在40 m以深的范围接近相同, 由此推测研究区麻坑浅层气对土性的影响主要是海底40 m以浅的土层。

2.3 麻坑内外土性差异分析 2.3.1 CPTU及钻孔所反映的土性差异

对于CPTU数据主要参考q_c、f_s的差异和变化, 从中可推断麻坑内外土体物理力学性质的差异, CPTU测试数据反映出麻坑内的土体土性差异:麻坑内站位的原位测试结果q_c和f_s都大于麻坑外的站位; 通过经验公式计算出的麻坑内土体的f₀、E_s、C_u都要高于麻坑外的土体。

钻孔实验参数所反映的土性差异与CPTU结果相同, 在深度40 m以内, 麻坑内土体的抗剪强度、压缩模量均要强于麻坑外的土体, 而在饱和度、孔隙率、液塑性上要弱于麻坑外的土体, 这说明相较于麻坑外的土体, 麻坑内的土体具有高抗剪强度、更为压缩、不饱和、孔隙率低的特征, 总的来看, 麻坑内的土体强度要高于麻坑外的土体。

综合CPTU与钻孔实验结果, 两者都反映出了麻坑内土体受浅层气溢出影响发生了承载力增加、抗剪强度增加、更为压缩的情况。这些变化主要发生在麻坑表层土体, 随深度增加, 麻坑内土体的物理力学性质与麻坑外相同深度土体特性逐渐趋同, 但对比CPTU测试数据与钻孔实验数据发现两组记录数据发生趋同的深度不同, 推测是与取样站位的位置有关, 钻孔ZK1较麻坑内的CPTU站位更靠近麻坑中心, 接近主要的浅层气溢出口, 因此土体受浅层气溢出影响范围更大。

2.3.2 麻坑内外土性差异形成原因

从研究区的沉积地层结构及区位分析, 该区的沉积环境稳定, 沉积物特性横向变化不明显, 因此位于麻坑内外土体的物理力学特性差异应该主要是由浅层气的存在造成的, 前文已经说明, 麻坑内土体为非饱和土, 而麻坑外未受影响的土体为饱和土, 两者的主要区别在于前者的孔隙中存在浅层气, 包括游离气和溶解气, 而后者的孔隙中基本不存在游离浅层气。

根据非饱和土的土力学原理, 非饱和土结构复杂, 其中固液气三相组成变化繁多, 随着饱和度的改变, 土体中的气相赋存形式也发生改变, 这就会影响固液气三相的组合形式, 使土体的物理力学性质发生变化。

海底麻坑是海底土层中浅层气溢出形成的, 海底浅层沉积物中常含有丰富的有机质, 这些有机质经过一系列复杂的生物化学作用, 产生浅层气, 少量的浅层气物质先以溶解状态赋存于孔隙水中, 随着浓度的增大, 逐渐从饱和溶液中析出, 形成游离态的气体。如果游离态气体越来越多, 产生的气体压力增大, 会逐渐迁移和富集, 在一定的条件下形成高压气囊, 在压力达到上覆盖层承压极限时会突破盖层释放, 导致储气土体的气压力快速下降, 孔隙增大, 而连续的海底流体流动会对浅层气喷逸土层产生强烈的渗流破坏, 剧烈扰动储气土层和上覆沉积土层, 带走大量的细土颗粒及水, 引起流土及上覆盖层坍塌, 期间土层的压缩性增大, 抗剪强度指标明显降低, 引起土固结沉降, 产生较大的地表沉降。喷逸结束后, 麻坑初步成型, 麻坑内土体逐渐固结, 土体孔隙减小、密度增加, 重新固结的土体的强度将超过原始状态。需要注意的是, 麻坑内浅层气的埋藏深度、气含量都是不确定的, 常引起不均匀沉降, 其破坏形式也不尽相同。

3 结论

本文分析了在研究区发现的大型麻坑内外布置的4个CPTU测试站位数据、2个钻孔柱状样土工试验数据, 对海底麻坑内外土体物理力学特性差异进行了研究, 认为:

1) 麻坑内海底土体相较于麻坑外土体具有抗剪强度高、压缩模量大, 饱和度、孔隙率和含水量低的特征。麻坑内土体工程地质特性好于麻坑外的土体。

2) CPTU数据与钻孔实验数据均可体现出麻坑表层受浅层气溢出影响的土体特性的变化。相比于传统的钻孔实验, CPTU数据具有快速、连续性、分辨率高的特点, 因此更能细致的反映出这种变化。

3) 浅层气在海底土体中的赋存形态是造成土体工程地质特性差异的主要原因。