南海深海海底沉積物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

陳 聰，龍建軍，李趕先

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州 510301)

南中國(guó)海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)、油氣、生物等一系列資源，對(duì)南海進(jìn)行環(huán)境、地質(zhì)等調(diào)查研究非常必要［1］。海底沉積物(以下簡(jiǎn)稱沉積物)是海洋物理和工程研究的重要對(duì)象，開(kāi)展海洋的相關(guān)研究及開(kāi)發(fā)建設(shè)，在地質(zhì)上迫切需要了解沉積物的結(jié)構(gòu)特征和工程力學(xué)性質(zhì)［2］。三軸試驗(yàn)是測(cè)定土樣的靜力、動(dòng)力特性的主要試驗(yàn)方法，因此用三軸試驗(yàn)測(cè)定的沉積物的力學(xué)性能參數(shù)，可為海洋研究和開(kāi)發(fā)提供參考。

由于沉積物(尤其是深海沉積物)樣品難以取得，對(duì)沉積物力學(xué)性能開(kāi)展試驗(yàn)研究的報(bào)導(dǎo)甚少。Stoll在20世紀(jì)90年代指出沉積物的抗剪強(qiáng)度是研究聲波在沉積物中傳播特性的重要參數(shù)，提出了測(cè)量沉積物在不同壓應(yīng)力下的聲波傳播參數(shù)的試驗(yàn)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性［3］。隨后Stoll等采用土力學(xué)中的貫入試驗(yàn)對(duì)沉積物的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)指出沉積物的貫入阻力主要決于沉積物的不均勻度和貫入速度［4］。盧博等用物理等技術(shù)方法，綜合分析了沉積物結(jié)構(gòu)特征和工程力學(xué)性質(zhì) ，得出了沉積物聲學(xué)物理參數(shù)和應(yīng)力—應(yīng)變性質(zhì)之間的關(guān)系［5］。隨后盧博等又對(duì)沉積物通過(guò)隨受控應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程的聲學(xué)測(cè)量，得到聲速隨加載變化的基本規(guī)律并分析其物理機(jī)制，其試驗(yàn)研究所用的受控應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程是不加圍壓、不排水狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)［6］。

為模擬深海不同的壓力環(huán)境，在試驗(yàn)研究過(guò)程中對(duì)沉積物試驗(yàn)樣品施加接近海底水壓力的不同圍壓開(kāi)展三軸試驗(yàn)，測(cè)定沉積物的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，以期分析沉積物樣本的物理力學(xué)關(guān)系。

1 試驗(yàn)原理及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原理

采用三軸試驗(yàn)方法研究沉積物的力學(xué)性能，其主要目的:一是測(cè)定不同沉積物樣品的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線;二是測(cè)定沉積物樣品的三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線圖，以求得抗剪強(qiáng)度的相關(guān)參數(shù);三是分析沉積物樣品的破壞點(diǎn)應(yīng)力值隨含水量、濕密度及孔隙度的變化規(guī)律。

沉積物樣品的抗剪強(qiáng)度:

式中:τf為抗剪強(qiáng)度(最大剪應(yīng)力);c為對(duì)于黏性土，顆粒間由于水膜或膠結(jié)物所產(chǎn)生的黏聚力;σ為法向應(yīng)力;φ 為摩擦角［7］。

式(1)稱為庫(kù)倫(Culomb)定律。抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是先測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)c和φ的值，然后根據(jù)不同的法向應(yīng)力σ求得不同的剪切強(qiáng)度τf。用三軸試驗(yàn)測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)，有幾種不同的方法。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程的排水條件，通?？梢苑譃椴还探Y(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)、固結(jié)排水剪(CD)［7］。本試驗(yàn)選擇不固結(jié)不排水剪的試驗(yàn)方法，即UU試驗(yàn)，以模擬沉積物海底承載過(guò)程。試驗(yàn)在地聲實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，使用TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行測(cè)量。

表1 試驗(yàn)樣品分組編號(hào)、物理性質(zhì)、站位水深及圍壓情況Tab.1 Packet number，physical property，water depth and confining pressure of the test samples

1.2 試驗(yàn)樣品制備

由于海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)與巖石和泥巖截然不同，特別是在抵抗單軸應(yīng)力的應(yīng)變過(guò)程中，抗壓強(qiáng)度比巖石和泥巖要低很多［8］。經(jīng)前期的初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海底沉積物樣品不適合做單一試樣的多級(jí)加荷試驗(yàn)。故根據(jù)試驗(yàn)需要，把沉積物試驗(yàn)樣品分為6組，每組3個(gè)樣品，共18個(gè)樣品。每一組樣品中的3個(gè)沉積物試驗(yàn)樣品均取自同一海域，海底埋深相近，物理性質(zhì)相似。試驗(yàn)中用每組樣品中的三個(gè)相似樣品分別做單一圍壓下的三軸試驗(yàn)。其樣品分組編號(hào)、物理性質(zhì)及試驗(yàn)圍壓(周?chē)鷫毫σ驭?表示)如表1所示。

1.3 試樣安裝和剪切試驗(yàn)過(guò)程

樣品的安裝和剪切試驗(yàn)過(guò)程按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123-1999要求進(jìn)行［9］。根據(jù)所取沉積物樣品的不同埋深及試驗(yàn)條件，試驗(yàn)的三級(jí)圍壓取值分別為300、500、700 kPa。

樣品初始直徑68 mm，長(zhǎng)度125 mm，按UU試驗(yàn)的剪切應(yīng)變速率宜為每分鐘應(yīng)變?yōu)?.5%～1.0%的要求，試驗(yàn)的剪切應(yīng)變速率取0.9 mm/min。試驗(yàn)每產(chǎn)生0.5 mm變形值，測(cè)記一次測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值，并記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或出現(xiàn)倒退時(shí)，本級(jí)圍壓下的剪切試驗(yàn)結(jié)束。

按相同的方法進(jìn)行第二級(jí)、第三級(jí)圍壓下的剪切試驗(yàn)，注意三級(jí)圍壓的軸向應(yīng)變累積不超過(guò)20%。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

1)軸向應(yīng)變計(jì)算:

式中:ε1為軸向應(yīng)變(%);Δh1為剪切過(guò)程中試樣的高度變化(mm);h0為試樣初始高度(mm)。

2)試樣面積校正:

式中:Aa為試樣的校正斷面積(cm2);A0為試樣的初始斷面積(cm2)。

3)主應(yīng)力差計(jì)算:

式中:σ1-σ3為主應(yīng)力差(kPa);σ1為大主應(yīng)力(kPa，即軸向應(yīng)力);σ3為小主應(yīng)力(kPa，即周?chē)鷫毫?;C 為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)(N/0.01 mm);R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)(0.01 mm)。

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

1)沉積物樣品軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分組編號(hào)32的樣品在第一級(jí)圍壓σ3=300 kPa(即樣品GD-12)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

同理可得第二級(jí)圍壓σ3=500 kPa，第三級(jí)圍壓σ3=700 kPa的計(jì)算結(jié)果。

2)沉積物樣品破壞點(diǎn)應(yīng)力值

以主應(yīng)力差(σ1-σ3)為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?chǔ)?為橫坐標(biāo)，繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。圖1為分組編號(hào)為32的沉積物樣品在不同圍壓下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線。

圖1 第32組沉積物樣品主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線Fig.1 Relationship curve between the principal stress difference and axial strain of the thirty-second group of sediment samples

本試驗(yàn)所用的試驗(yàn)樣品組是來(lái)源于同一個(gè)柱狀樣，取自不同深度的一段樣品。

取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)，無(wú)峰值時(shí)取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)［10］。如圖1所示，三級(jí)不同圍壓下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線皆出現(xiàn)峰值。圍壓σ3=300 kPa時(shí)，破壞點(diǎn)為22.43 kPa;圍壓σ3=500 kPa時(shí)，破壞點(diǎn)為14.38 kPa;圍壓σ3=700 kPa時(shí)，破壞點(diǎn)為15.81 kPa。同理可得其他各組沉積物樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線及各曲線的破壞點(diǎn)應(yīng)力值，如表3所示。

表2 第32組沉積物樣品在第一級(jí)圍壓下的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of the thirty-second group of sediment samples under the first stage confining pressures

表3 各組沉積物樣品破壞點(diǎn)應(yīng)力值Tab.3 Stress value of failure point of each sediment sample

3)沉積物強(qiáng)度與破壞應(yīng)變表

圖2 第32組沉積物樣品的三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線圖Fig.2 The shear strength envelope diagram of triaxial test of the thirty-second group of sediment samples

表4 各組沉積物樣品的強(qiáng)度參數(shù)Tab.4 Strength parameters of each group of sediment samples

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 海底沉積物力學(xué)分類

天然土按應(yīng)變的分類方法可分為脆性黏土、半脆性黏土和塑性黏土，其各自對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表5 自然土分類表Tab.5 Natural soil classification

統(tǒng)計(jì)本試驗(yàn)的6組18個(gè)試驗(yàn)樣品，可得各個(gè)試驗(yàn)樣品的破壞應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表6 各試驗(yàn)樣品的破壞應(yīng)變表Tab.6 Failure strain of each test sample

對(duì)照表5可知，沉積物試驗(yàn)樣品的破壞應(yīng)變絕大多數(shù)落在8%～14%之間，可以判定海底沉積物同陸地上的半脆性黏土相似。由式(1)可知表4中cu表示黏性土顆粒間由于水膜或膠結(jié)物所產(chǎn)生的黏聚力，這也是區(qū)分自然土為脆性黏土或塑性黏土的關(guān)鍵參數(shù)。試驗(yàn)中得出cu值如表4所示，數(shù)值相對(duì)于σtanφu偏小，這也符合沉積物為半脆性黏土的分類判據(jù)。

3.2 海底沉積物力學(xué)物理特性分析

利用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，用沉積物試驗(yàn)樣品的破壞點(diǎn)應(yīng)力值與試驗(yàn)樣品的含水量、孔隙度和濕密度分別做相關(guān)性分析，得出各自的回歸相關(guān)二維圖，如圖3～5所示。

圖3 沉積物破壞點(diǎn)應(yīng)力值與含水量關(guān)系Fig.3 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the moisture content

圖4 沉積物破壞點(diǎn)應(yīng)力值與孔隙度關(guān)系Fig.4 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the porosity

如圖3～4所示，沉積物的破壞點(diǎn)應(yīng)力值隨含水量、孔隙度的變化趨勢(shì)相似，都是先隨著含水量、孔隙度的增大而增大，然后隨著含水量、孔隙度的增大而減小，并分別在含水量40%～45%之間以及在孔隙度50%～55%之間取得最大值。沉積物的破壞點(diǎn)應(yīng)力值隨含水量、孔隙度的變化趨勢(shì)之所以相似，是因?yàn)楹客紫抖戎g存在正相關(guān)的關(guān)系。Lee指出飽和黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度主要取決于沉積物受壓破裂時(shí)作用在破裂面上的有效法向應(yīng)力和沉積物的含水量［11］。同陸地上的黏土相似，沉積物當(dāng)含水量較低時(shí)，顆粒間由于水膜或膠結(jié)物所產(chǎn)生的黏聚力也較小，從而影響沉積物的抗剪強(qiáng)度，破壞點(diǎn)的應(yīng)力值也就偏小。另一方面，當(dāng)沉積物的孔隙度增大時(shí)，沉積物在壓縮過(guò)程中的有效承載面積也將減小，從而影響沉積物的抗剪強(qiáng)度，破壞點(diǎn)的應(yīng)力值也相應(yīng)變小。這也就解釋了沉積物破壞點(diǎn)應(yīng)力值隨含水量、孔隙度如上所述的變化趨勢(shì)，并在中間某一區(qū)間內(nèi)取得最大值的原因。

如圖5所示，沉積物的破壞點(diǎn)應(yīng)力值隨濕密度增加呈下降趨勢(shì)。因?yàn)槌练e物的抗剪強(qiáng)度更多的是取決于其中顆粒間的組合結(jié)構(gòu)形式;此外在相同體積下，濕密度增大，含水量減小，黏聚力下降。

由于沉積物試驗(yàn)樣品較少和沉積物樣的類型的不同，沉積物的破壞點(diǎn)應(yīng)力值與同含水量、孔隙度和濕密度的相關(guān)系數(shù)比預(yù)期偏低。

圖5 沉積物破壞點(diǎn)應(yīng)力值與濕密度關(guān)系Fig.5 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the wet density

4 結(jié)語(yǔ)

1)試驗(yàn)得出各沉積物試驗(yàn)樣品的強(qiáng)度參數(shù)，分析表明其力學(xué)性能與陸地的半脆性黏土相近。

2)沉積物的破壞點(diǎn)應(yīng)力值與沉積物的含水量、孔隙度具有相關(guān)性，且其破壞點(diǎn)應(yīng)力值在含水量40%～45%之間以及在孔隙度50%～55%之間分別取得最大值。

從巖土力學(xué)的角度研究海底沉積物的力學(xué)性能，對(duì)于海洋工程建設(shè)實(shí)踐具有重要的參考價(jià)值。為了有效預(yù)報(bào)海底沉積物的力學(xué)性能，尚需要更多地開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究。

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