Экспериментальное исследование характеристик динамической сдвиговой жесткости и коэффициента затухания морских грунтов в заливе Линдинъяна, Китай

Почему донный грунт важен для крупных прибрежных проектов

Когда мы представляем себе гигантские морские переходы, такие как мост Гонконг—Чжухай—Макао, обычно внимание привлекают башни, тросы и транспорт. Но настоящая история начинается ниже ватерлинии, где слои мягкой ила, песка и глины тихо держат всю конструкцию и одновременно проводят сейсмические волны. В этом исследовании поставлен практический вопрос с большими последствиями для безопасности и стоимости: как ведут себя эти подводные грунты в заливе Линдиньяна при встряхивании и могут ли инженеры предсказать это поведение без бесконечных и дорогих бурений и испытаний?

Заглянуть под мост

Исследователи изучали донные отложения под и вокруг морского перехода в Южно‑Китайском море, в районе с умеренной, но периодической сейсмичностью. Морское дно там далеко не однородно. Оно представляет собой мягкие поверхностные илы, более толстые слои морских глин, смешанных с песком, и более глубокие песчаные горизонты, все отложенные реками и приливами за тысячи лет. Поскольку эти слои определяют, как колебания распространяются вверх к фундаментам мостов, команда сначала картировала скорость распространения сдвиговых волн — поперечных вибраций, похожих на землетрясенные — на разных глубинах и в разных типах грунта, используя приборы, опущенные в офшорные скважины.

Поиск лучших способов предсказать скорость распространения колебаний

Инженеры обычно характеризуют жесткость грунта через скорость сдвиговой волны, величину, которая, как ожидается, обычно растет с глубиной по мере уплотнения грунта. Ранее на суше предлагались простые формулы, связывающие глубину с этой скоростью, и эти формулы широко используются в сводах правил. Сравнив эти уравнения со сотнями измерений из 24 скважин, авторы обнаружили, что они достаточно хорошо работают для песчаных слоев под заливом: изогнутое квадратичное уравнение, зависящее только от глубины, дает точные прогнозы для крупного, мелкого и супесчаного песка. Но тот же подход не годится для когезионных материалов, таких как супесчаная глина и смеси глины с песком, поведение которых также определяется сцеплением зерен, химией воды и микроструктурой.

Добавление веса грунта в уравнение

Чтобы исправить это, команда предложила новый метод прогнозирования для когезионных морских грунтов, который сочетает глубину с естественной влажной плотностью грунта — по сути, с тем, насколько тяжел объем осадка находится на месте. Нормализуя скорость сдвиговой волны по плотности и подбирая простую линейную зависимость от глубины, они получили уравнение, которое отражает, как более жесткие, плотные глины на больших глубинах проводят волны быстрее, чем мягкие, легкие глины у поверхности. Испытания показали, что эта двухфакторная модель существенно снижает ошибки прогнозирования по сравнению с существующими формулами, не только в заливе Линдиньяна, но и при проверке на независимых данных из залива Бохай. Для инженерной практики это означает меньше офшорных испытаний, необходимых для построения надежной картины того, как быстро будут распространяться колебания через дно моря.

Как мягкие донные грунты реагируют на встряхивание

Однако скорость волны дает лишь часть картины. Донный грунт также ведет себя нелинейно: при малых деформациях он почти упруго возвращается, но при более сильном встряхивании разуплотняется и поглощает больше энергии. Чтобы изучить это поведение, исследователи взяли тщательно сохраненные керны разных морских грунтов с различных глубин и испытали их в резонансной колонне, которая прокручивает образцы при контролируемой амплитуде. По результатам этих тестов они рассчитали динамический модуль сдвига (показатель жесткости при вибрации) и коэффициент затухания (сколько энергии теряется за цикл). Во всех типах грунтов наблюдалась общая закономерность: по мере роста деформации жесткость падает, а затухание растет; донные грунты в заливе Линдиньяна в целом показали низкую жесткость и относительно высокое затухание по сравнению со многими наземными грунтами.

Глубина меняет соотношение мягкости и прочности

Далее команда изучила, как эти характеристики меняются с глубиной залегания. Они обнаружили, что полевые данные и лабораторные измерения согласуются: максимальная жесткость при малых деформациях устойчиво увеличивается по мере углубления грунтов под дном моря, в то время как затухание, как правило, уменьшается. Иными словами, глубокие слои более плотные и меньше поглощают энергию. Используя широко применяемое математическое описание нелинейности грунтов (модель Давиденкова), они установили, что базовые параметры формы кривой почти не меняются с глубиной для каждого типа грунта, но характерная деформация, обозначающая начало сильной нелинейности, линейно растет по мере углубления. Это означает, что глубокие отложения могут выдерживать большие амплитуды встряхивания прежде, чем начнут заметно размягчаться — тренд, который авторы описали простыми формулами по глубине и набором рекомендуемых параметров для различных песков и глин.

Что это означает для более безопасных морских сооружений

Для неспециалистов главный вывод заключается в том, что прочность и «поглощающая шок» способность морских грунтов под крупными офшорными проектами теперь могут предсказываться более надежно с помощью относительно простых измерений глубины и плотности. Песчаные слои следуют уточненной версии ранних формул по глубине, тогда как глины требуют новой двухфакторной зависимости, предложенной здесь. В сочетании с описаниями, зависящими от глубины, того, как жесткость и затухание меняются при встряхивании, эти инструменты помогают инженерам строить более точные компьютерные модели того, как мосты, туннели и ветряные установки, закрепленные в донных отложениях, будут реагировать на землетрясения и волны, повышая безопасность и уменьшая необходимость дорогостоящих офшорных испытаний.

Цитирование: Wu, Y., Qin, B., Fu, Y. et al. Experimental investigation of dynamic shear stiffness and damping ratio characteristics of marine soils in Lingdingyang Bay, China. Sci Rep 16, 13118 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42997-9

Ключевые слова: морская геотехническая инженерия, скорость сдвиговой волны, донные отложения, динамическое поведение грунтов, реакция площадки на землетрясение