中国灵鼎洋湾近海土壤动力剪切刚度与阻尼比特性试验研究

为什么海床对大型海岸工程至关重要

当我们想象像港珠澳大桥这样的跨海巨构时，通常关注的是桥塔、缆索和车流。但真正的关键在水线以下，那里的软泥、砂和粘土层默默承托着整个结构，同时传递地震波。本研究提出了一个具有重大安全与成本意义的务实问题：灵鼎洋湾的这些水下土层在振动时如何表现，工程师能否在无需大量昂贵钻探与试验的前提下预测这种表现？

探查桥下海床

研究人员考察了南海跨海大桥下方及周边的海底，该区域有中等但周期性的地震活动。海床并不均一，表层为软泥，下面是夹砂的海相粘土厚层，进一步向下为砂层，这些沉积在数千年间由河流与潮汐堆积而成。由于这些层位决定了地震振动向上到达桥基的传播方式，团队首先通过放入近海钻孔的仪器绘制了剪切波——类似地震的横向振动——在不同深度和土层中的传播速度分布。

寻找更好的振动速度预测方法

工程上常用剪切波速来表征土体刚度，该速度通常随深度增加而上升，因为土体被压实。此前陆地研究提出了将深度与波速联系起来的简单公式，并被广泛写入设计规范。通过将这些经验公式与来自24个钻孔的数百组测量值比较，作者发现对海湾下的砂性层这些公式适用：仅以深度为变量的二次曲线方程能够较准确地预测粗砂、细砂和粉砂质砂的波速。但对具凝聚性的材料如粉质粘土及粘土-砂混合层，同样的方法失效，因为它们的表现还受颗粒间粘结、水体化学和微观结构等因素影响。

将土体重度纳入考量

为了解决这一问题，团队为凝聚性海土提出了一种新的预测方法，将深度与土体原状含水密度结合起来——即单位体积沉积物在原位的重量。通过以密度归一化剪切波速并用深度拟合一条简单的直线关系，他们建立了一个方程，能够反映出更深处更致密、更刚硬的粘土比表层更软更轻的粘土传播波更快的情况。试验表明，与既有公式相比，这种双因素模型显著降低了预测误差，不仅适用于灵鼎洋湾，在与渤海湾的独立数据对比中也表现良好。对工程实践来说，这意味着为构建可靠的海床波速剖面可以减少海上试验次数。

软海床土在振动下的响应

然而，仅知波速只能讲部分故事。海床土在动力下表现出非线性：在小应变下近乎弹性回复，但在较强振动下会变软并吸收更多能量。为研究这种行为，研究人员带回并精心保存了不同深度的海土取芯，并在共振柱试验装置中对样品在受控振幅下扭转测试。从这些试验中计算出动力剪切模量（振动时的刚度度量）和阻尼比（每周期损失能量的比例）。在所有土类型中都观察到共同规律：随应变增大，刚度下降、阻尼上升，且灵鼎洋湾的海土总体上表现为较低的刚度和相比许多陆地土更高的阻尼。

深度改变软弱与强度的平衡

接着团队考察了这些性质随埋藏深度的变化。田野数据与实验室测量一致：小应变下的最大刚度随海床埋深稳步增加，而阻尼则趋于减小。换言之，深层更致密、吸能性更低。采用广泛使用的土体非线性数学描述（Davidenkov模型），他们发现对每种土类而言，基本的曲线形状参数随深度几乎保持恒定，但标志着强烈非线性开始的特征应变随深度线性增长。这意味着深层沉积物在明显变软之前能承受更大的振动幅度，作者用简单的深度相关公式和一组推荐参数为不同砂类和粘土给出了刻画。

对更安全的近海结构意味着什么

对非专业读者而言，主要结论是：在重大近海工程下方，海土的强度与“减震”能力现在可以通过相对简单的深度和密度测量更可靠地预测。砂性层遵循对早期深度公式的改进版本，而粘土则需要本文提出的新的双因素关系。将这一点与关于刚度和阻尼随振动变化的深度依赖描述相结合，这些工具可帮助工程师构建更精确的数值模型，预测锚固于海床的桥梁、隧道和风电塔在地震与波浪作用下的响应，从而在降低昂贵海上试验需求的同时提高安全性。

引用: 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

关键词: 海洋岩土工程, 剪切波速, 海底沉积物, 土体动力学行为, 地震场地反应