海底地层土工试验物理力学指标随深度变化关系研究

海底地层土工试验物理力学指标随深度变化关系研究

潘淡浓

宏润建设集团股份有限公司   上海  200235

[摘要]：土工试验是获取岩土体物理力学指标的重要途径，岩土体物理力学指标又决定着建构筑物的基础形式。本文以厦门某海底通道工程地质勘察工作为研究背景，现场取样开展了室内土工试验，获取了多组物理力学指标，并采用数据拟合，对各指标与深度相关性进行了分析。结果表明：（1）含水量、孔隙比、液性指数和深度呈二次非线性关系，随深度增加有减小的趋势；湿密度和深度呈二次非线性关系，随深度增加有增加的趋势；塑性指数、压缩系数、压缩模量与深度变化无明显的关系。（2）孔隙比、压缩系数、液性指数和含水量有较好的相关性，且孔隙比和压缩系数也有明显的相关性；而孔隙比大小和液性指数的变化关系不大。

[关键词]：海底地层；土工试验；物理力学指标；淤泥质粉质粘土；深度

中图分类号：TU411；         文献标识码：A   

随着我国经济的不断发展，工程建设从陆地向海洋不断延伸，海底通道、海上桥梁、海底管道等大型工程不断涌现，同时这些工程相对应的勘察工作也面临着越来越多的挑战。海底地层的勘察与陆地地层勘察有着一定的差异，在地质构造运动过程以及海水压力作用下，海底底床和近表层沉积地层的物理力学性质发生变化，物理力学性质指标的关系也更为复杂[1-3]。通过对海底地层土壤的物理力学指标间的相互关系的研究，探究土壤间的内在关系，可以更加了解海底地层土壤间的作用联系，本文以厦门某通道工程海底地层勘察工作为研究背景，现场取样开展室内土工试验，获取了多组物理力学指标关系数据，为海底地层岩土体的工程性质分析提供基础。

1  工程概况

1.1 基本概况

本文的依托工程为厦门某海底通道工程的东延伸段。项目起点位于厦门本岛北部埭辽水库东侧，顺接“枋钟路下穿金尚路通道工程”的终点，路线向东沿枋钟路旧路进行加宽改造，然后设置通道穿越本岛东侧海域后，在翔安侧刘五店村登陆，下穿拟建的滨海东大道，并设置互通式立体交叉与其衔接。在互通区东侧顺接现状翔安南路，并对其进行加宽改造。

1.2 勘察方法及工作量

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001，2009年版)[4]在勘区完成勘察工作，一共钻探75个钻孔（见图1），陆域15个，海域60个。海上勘探采用具有专门钻探平台的船舶，陆域勘探采用钻机钻探。其中，勘察工作量完成岩土体取样1300多件，岩石试验260多件，土工试验500多组等。通过研究勘探成果，海底地层岩性为第四系全新统海积层，中部为第四系残积层，下伏基岩为喜山其侵入煌斑岩和燕山晚期第二次侵入的含黑云母角闪花岗岩。

2  土工试验物理力学指标试验结果

2.1土工试验的内容和指标

对于细粒土（包括呈为细粒土状的残积土、全、强风化岩），试验指标包括天然含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑限、液限指数、塑限指数、颗粒分析、体积压缩系数、直剪快剪和固结快剪强度指标；对于软土，除上述试验指标外，还包括前期固结压力、压缩指数、固结系数（垂直和水平两个方向的固结系数）、渗透系数，三轴试验包括不固结不排水三轴剪切试验强度指标和固结不排水三轴剪切试验有效粘聚力和有效内摩擦角、无侧限抗压强度等参数。

2.2土工试验结果选取

依托工程海底地层有特殊性岩土，包括软土、残积土和风化岩。在前期勘察和多组土工试验数据分析知道，淤泥质粉质粘土物理力学性质差，在海域大部分地段均有分布，常见于河床表层，约1～7m厚，其土样的主要物理力学性质结果见表1所示。由表可知，淤泥质粉质粘土具高含水量、大孔隙比、高压缩性、渗透性差、抗剪强度低，触变性及流变性强的特征。故下文综合多组土工试验数据，对海底地层淤泥质粉质粘土的含水量、湿密度、孔隙比、塑性指数、液性指数、压缩系数、压缩模量这几类物理力学指标的关系进行分析。

表1  淤泥质粉质黏土土样的主要物理力学性质结果

3   物理力学性质指标随深度变化关系

3.1 含水量、湿密度、孔隙比、液性指数指标

含水量、湿密度、孔隙比、液性指数随地层中淤泥质粉质粘土深度变化关系分别如图2～图5所示。①从图2含水量与深度变化关系可知，随着深度增加，含水量整体上呈降低的趋势，深度与含水量呈二次曲线相关性，拟合关系大致为h=82.92896-3.20282W+0.03164W2。②从图3湿密度与深度变化关系可知，随着深度增加，湿密度整体上呈升高的趋势，其与深度呈二次函数非线性关系，基本接近拟合曲线，其中与深度的拟合关系大致为

h=629.95855-734.53188ρ0+214.52436ρ02。③从孔隙比与深度变化关系可知，随着深度增加，孔隙比整体呈降低的趋势，其与地层深度呈二次曲线相关，拟合关系大致为h=63.13845-85.02889e+29.23328e2。④从液性指数与深度变化关系可知，随着深度增加，液性指数整体呈降低的趋势，其与地层深度呈非线性相关，拟合曲线大致为h=14.81624-9.48722IL+1.70319IL2。

3.2 塑性指数、压缩系数和压缩模量指标

塑性指数、压缩系数、压缩模量随地层中淤泥质粉质粘土深度变化关系分别如图6、图7和图8所示。①从图6可知，随着深度增加，塑性指数整体呈上升的趋势，数据具有较大离散性；塑性指数与深度的拟合关系为h=0.28644IP-0.79355。②从图7可知，随着深度增加，压缩系数整体大致呈降低的趋势，但相关性不强，数据离散性较大；压缩系数与深度的拟合关系大致为h=-6.07196a1-2+8.79418。③从图8可知，压缩模量与深度几乎没有相关性，数据离散性大；压缩模量与深度的拟合关系大致为h=2.05386Es-1.92513。

4  物理力学指标间的相互关系

土体的物理力学指标是评价工程基础的基本定性数据，其物理意义不尽相同，但又具有密切的相互内在关系。其中图8～图10是海底地层中的淤泥质粉质粘土土样分析得出的部分物理力学指标间的相互关系。

4.1含水量、孔隙比和压缩模量关系分析

由图9孔隙比和含水量关系可知道，土样的孔隙比和含水量呈一次线性关系，拟合曲线为：e=0.04048+0.02593W，随着含水量的增加，孔隙比也增大，土样中的孔隙认为被大多液态水所充满，体现该地区淤泥质粉质粘土具有高含水量、大孔隙比。

由图10压缩系数与孔隙比关系曲线和图11压缩系数与含水量关系曲线可以知道，土样的压缩系数和孔隙比以及和含水量呈二次曲线关系，随着孔隙比、含水量的增加，其压缩系数也在增大，其拟合曲线分别为：a1-2=2.63542-3.83072e+1.9087e2、a1-2=5.88341-0.26037e+0.00325e2。

4.2含水量、孔隙比和液性指数关系分析

由图12可知，土样的液性指数和含水量呈二次非线性关系，拟合曲线为：IL=-35.32709+1.62661W-0.01761W2，随着含水量的增加，液性指数有先增大后减小趋势；图13表明，液性指数值和孔隙比的变化关系不大，曲线拟合程度差。

5  结 语

本文以厦门某通道工程海底地层勘察工作为研究背景，现场取样开展了室内土工试验，获取了多组物理力学指标，主要得出以下结论：

（1）淤泥质粉质粘土的含水量、湿密度、孔隙比、塑性指数、液性指数、压缩系数、压缩模量与地层深度存在一定关系。其中，含水量、孔隙比、液性指数和深度呈二次非线性关系，随深度增加有减小的趋势；湿密度和深度呈二次非线性关系，随深度增加有增加的趋势；塑性指数、压缩系数、压缩模量与深度变化无明显的关系。

（2）淤泥质粉质粘土的不同的物理力学指标间存在关系，孔隙比、压缩系数、液性指数和含水量有较好的相关性，且孔隙比和压缩系数也有明显的相关性；而孔隙比大小和液性指数的变化关系不大。

参考文献：

[1] 魏巍, 马媛, 苏东甫. 深水区海底勘察装备技术发展现状与趋势[J]. 海洋开发与管理, 2015, (08): 12-15.

[2] 汤民强, 蒋俊杰, 郑西来. 海洋环境工程勘察行业现状和发展趋势[J]. 中国科技信息, 2008, (13): 24-25.

[3] 唐苗苗. 港珠澳大桥海底隧道开始地质勘察[J]. 中华建筑报, 2007-05-15(003).

[4] GB50021-2001(2009版)，岩土工程勘察规范[M].北京：中国建筑工业出版社， 2009.