膠州灣沉積物聲學(xué)與巖土工程性質(zhì)關(guān)系研究

鄭杰文，劉保華，闞光明，劉曉磊，李官保，裴彥良

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，山東 青島 266237；2.深?；毓芾碇行模綎| 青島 266237；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；4.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266061)

膠州灣沉積物聲學(xué)與巖土工程性質(zhì)關(guān)系研究

鄭杰文1，劉保華2，闞光明3，劉曉磊4，李官保3，裴彥良3

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，山東 青島 266237；2.深海基地管理中心，山東 青島 266237；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；4.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266061)

基于膠州灣近岸海洋沉積物柱狀樣品聲學(xué)物理與力學(xué)性質(zhì)實驗室測量計算與原位力學(xué)性質(zhì)測量等方法，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法對該海域不同類型沉積物聲學(xué)物理力學(xué)性質(zhì)開展了實驗研究。研究結(jié)果表明：膠州灣近岸不同類型沉積物壓縮波速與剪切波速差異明顯。其中，粉砂質(zhì)砂壓縮波速與剪切波速最高，黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土壓縮波速次之，黏土最低；同一類型沉積物壓縮波速差值普遍低于50 m/s，剪切波速差值普遍低于20 m/s；不同類型沉積物動彈性模量與動剪切模量的變化規(guī)律與聲學(xué)性質(zhì)基本一致，但其變化趨勢不顯著；沉積物聲學(xué)性質(zhì)與物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間表現(xiàn)為良好的二次函數(shù)關(guān)系，聲學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)間的相關(guān)程度顯著高于力學(xué)性質(zhì)，在測試指標(biāo)量值范圍內(nèi)，沉積物壓縮波速與剪切波速隨沉積物容重與強度的增長而增長，隨沉積物含水量與孔隙度的增長而降低。

巖土工程；沉積物；聲學(xué)；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)

0 引 言

海洋沉積物聲學(xué)性質(zhì)測量與其影響因素及機理研究，是海底聲學(xué)研究的一項重要研究內(nèi)容，其主要研究要素包括壓縮波速、剪切波速、聲衰減、聲阻抗、頻散因子等，其主要物理影響因素包括粒度組分、容重、含水量、孔隙度等，其主要力學(xué)影響因素包括壓縮模量、剪切模量、剪切強度、貫入強度等[1]。早在20世紀(jì)50年代，美國等國家就已經(jīng)開始了對聲波在沉積物中傳播速度和衰減的測量。

20世紀(jì)70年代，伴隨海底探測需求和現(xiàn)代聲吶技術(shù)的發(fā)展，地聲學(xué)作為一門與水聲學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等密切相關(guān)的交叉學(xué)科，逐漸發(fā)展起來[2-4]。我國在海底沉積物地聲屬性方面開展研究始于20世紀(jì)70年代末，并取得了一批具有國際水平的研究成果，架設(shè)了海洋聲波傳播問題與海底工程地質(zhì)特性之間的橋梁，梁元博和盧博指出海洋沉積物聲學(xué)特性的研究是一項多學(xué)科、跨學(xué)科領(lǐng)域的互相滲透、互相交叉的前緣課題，需要開展大量基礎(chǔ)理論的研究，才能夠保持我國海洋沉積聲學(xué)研究位于國際先進行列[5]。聲波在海洋沉積物中的傳播過程與影響機理的研究成果在準(zhǔn)確認(rèn)知水下聲場結(jié)構(gòu)特征，實現(xiàn)海洋聲場準(zhǔn)確預(yù)測，開展海洋工程地質(zhì)條件勘查與穩(wěn)定性評價，進行海洋工程場地分區(qū)與底質(zhì)分類等方面具有重要應(yīng)用價值[6]。

研究區(qū)域為黃海之濱膠州灣海域，研究工作基于現(xiàn)場原位測量與實驗室測量，對沉積物樣品進行了聲學(xué)物理與力學(xué)性質(zhì)測試分析。該區(qū)位于大沽河入海口西側(cè)附近海域，屬于陸相沉積與海相沉積環(huán)境相互作用地帶，海底沉積物特性典型，工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地層結(jié)構(gòu)特殊[7]。研究區(qū)濱臨青島膠州市縣級市，是青島藍(lán)色經(jīng)濟建設(shè)的重點支持區(qū)域，近年來海洋工程建設(shè)積極活躍，成為海洋工程地質(zhì)學(xué)家與工程師們關(guān)注的熱點區(qū)域。

筆者基于膠州灣的不同類型沉積物樣品的聲學(xué)性質(zhì)(壓縮波速、剪切波速)、物理性質(zhì)(容重、含水量、孔隙度)與力學(xué)性質(zhì)(錐尖阻力、剪切強度、貫入強度、動彈性模量、動剪切模量、動泊松比)的測量與計算，分析膠州灣海底沉積物聲學(xué)特性與工程地質(zhì)特性的分布特征，為該區(qū)工程地質(zhì)活動與場地評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；并對該區(qū)海底沉積物聲學(xué)特性的影響因素及機理進行了探討，為進一步構(gòu)建完善的地聲模型提供理論指導(dǎo)。

1 方 法

1.1 粒度組分測試

對采集的沉積物柱狀原狀樣品進行15 cm間隔樣品切割，每段樣品分別進行平行樣品粒度組分測試，總計進行30組測試分析。粒度測試采用英國Malvern 2000激光粒度儀進行不同粒度組分測試(砂粒0.064～4 mm；粉粒0.004～0.064 mm；黏粒<0.004 mm)，采用謝帕德三角圖分類方法對樣品進行沉積物分類(圖1)。

圖1 謝帕德三角分類Fig. 1 Shepard triangular diagram of sediment classification

1.2 物理性質(zhì)測量

對分割制備的聲學(xué)測試樣品，均進行濕容重與含水量測試以及孔隙度與干容重的計算。濕容重采用環(huán)刀法進行測試，含水量采用烘干法測試，均為3組平行測試求均值。孔隙度由式(1)計算得到；干容重由式(2)計算得到。

(1)

(2)

式中：e為孔隙度，無量綱；γd為干容重，kN/m3；γ為濕容重，kN/m3；w為含水量，%；Gs為顆粒體積質(zhì)量，取實驗測量經(jīng)驗值27.1 kN/m3。

1.3 力學(xué)性質(zhì)測量與計算

對聲學(xué)測試樣品，分別采用微型剪切儀與筆式貫入儀進行了剪切強度、貫入強度的實驗室測量；采用普氏貫入儀與便攜式靜力觸探設(shè)備進行了貫入強度與錐尖阻力的原位測試。依據(jù)式(3)～式(5)進行沉積物樣品動彈性模量、動剪切模量與動泊松比的計算。

(3)

(4)

(5)

式中：Ed為沉積物動彈性模量，kPa；Gd為沉積物動剪切模量，kPa；μd為沉積物動泊松比，ρ為沉積物密度，g/cm3；Vp為沉積物壓縮波速，m/s；Vs為沉積物剪切波速，m/s。

1.4 聲學(xué)性質(zhì)測量

沉積物壓縮波速采用自主設(shè)計研發(fā)的聲學(xué)測試設(shè)備，利用WSD-3數(shù)字聲波儀，采用投射法對沉積物樣品進行頻率為200 kHz的壓縮波速測量[8]。沉積物剪切波速采用英國GDS彎曲元測量單元，匹配自主設(shè)計研制的測量控制架，進行了2 kHz的剪切波速測量[9]。測試溫度均在室溫20°～22°范圍內(nèi)，壓縮波速與剪切波速測量值受溫度影響很小。沉積物樣品聲速測量在常溫常壓測量環(huán)境下進行。

2 結(jié) 果

筆者在膠州灣采集沉積物重力柱狀樣品，長度為1～3 m，共采集10個重力柱狀樣品。在實驗室內(nèi)以15 cm間隔對沉積物樣品進行分割，總計測試30組樣品。測試項目包括沉積物粒度組分、物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì)，如表1。

表1 膠州灣沉積物物理力學(xué)性質(zhì)與聲學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

基于沉積物樣品粒度測試分析得出膠州灣沉積物主要有粉砂質(zhì)砂、黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土、黏土等7種類型。沉積物平均粒徑為3.606～7.616 μm，砂粒含量為5.20%～29.37%，黏粒含量為2.11%～34.46%，分選系數(shù)為1.123～2.075，屬于分選程度普遍較好的陸源碎屑沉積物。沉積物物理性質(zhì)表現(xiàn)為區(qū)域非均勻性特征，濕容重為17.5～22.7 kN/m3，干容重為12.4～19.2 kN/m3，含水量為22.3%～42.8%，孔隙度為0.38～0.97。沉積物力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為中低強度特征，存在顯著非均勻分布特征。實驗室測量剪切強度為0.30～1.82 kPa，筆式貫入強度為0.1～1.4 N；現(xiàn)場測量普氏貫入強度為4.0～22.5 N，錐尖阻力為0.04～0.47 MPa。研究區(qū)沉積物動力特性分異顯著，彈性承載性普遍偏低，動彈性模量為0.084～0.681 MPa，動剪切模量為0.028～0.227 MPa，可推測膠州灣沉積物密實度存在非均勻特征，該推測與計算得到的孔隙度的非均勻分布特征一致。研究區(qū)沉積物聲學(xué)特性因其物理特性的分異同樣存在非均勻分布特征。壓縮波速為1 392～1 666 m/s，普遍處于中等偏低水平；剪切波速為39.9～100.5 m/s，處于中等偏低水平。

3 討 論

3.1 沉積物類型對聲學(xué)性質(zhì)影響

利用聲學(xué)方法對沉積物進行分類的研究始于20世紀(jì)60年代，基于海底反射系數(shù)與沉積物粒徑、孔隙度的關(guān)系，提出了利用垂直入射聲脈沖的海底反射系數(shù)勘測海底沉積物類型；之后，海洋學(xué)家研究了10 kHz以下的低頻垂直入射波傳播特性與沉積物類型間的相互關(guān)系[10]。

筆者基于膠州灣柱狀樣品聲學(xué)實驗室測量，研究了不同類型沉積物在200 kHz頻率的壓縮波速〔圖2(a)〕與2 kHz頻率的剪切波速的變化規(guī)律〔圖2(b)〕。從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)：粉砂質(zhì)砂壓縮波速最高，在1 612～1 666 m/s范圍；黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土壓縮波速次之，這3類沉積物壓縮波速相差不明顯，普遍在1 530～1 639 m/s范圍，其中，砂質(zhì)粉砂是膠州灣沉積物的主要類型；黏土沉積物壓縮波速最低(1 392～1 399 m/s)，該類型沉積物在膠州灣淺表層(埋深3 m范圍內(nèi))分布較少；黏土質(zhì)粉砂壓縮波速(1 454～1 520 m/s)介于黏土與前5中類型沉積物之間，也是膠州灣近岸海域的主要沉積物類型。

圖2 沉積物類型與壓縮波速和剪切波速柱狀圖Fig. 2 Histogram of sediment types, compressional wave speed and compressional wave speed

每一種類型沉積物壓縮波速最大變化量普遍低于50 m/s。闞光明等在南黃海中部開展的海底沉積物原位30 kHz頻率的壓縮波速測量顯示，最大原位聲速為1 607 m/s，為粉砂質(zhì)砂[11]，與文中實驗室測量結(jié)果一致，但其原位壓縮波速低于文中實驗室測量結(jié)果。沉積物物理性質(zhì)差異、聲波頻散與物理擾動導(dǎo)致的沉積物液化固結(jié)后失水壓密對測量數(shù)據(jù)的差異均具有不同程度的影響[12]。

不同類型沉積物的剪切波速變化規(guī)律基本與壓縮波速變化規(guī)律一致，但與壓縮波速相比〔圖2(a)〕，不同類型沉積物剪切波速變化差異性偏低〔圖2(b)〕。剪切波速最高的粉砂質(zhì)砂剪切波速在69.3～100.5 m/s范圍；剪切波速次之的黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土剪切波速在48.9～77.4 m/s范圍；剪切波速最低的黏土沉積物剪切波速在39.9～41.3 m/s。每一種類型沉積物剪切波速相差普遍低于20 m/s。闞光明等[13]與孟祥梅等[8]在南黃海中部采集的沉積物柱狀樣品的剪切波速測量結(jié)果顯示其不同分布區(qū)域的沉積物剪切波速在12.05～74.55 m/s范圍，普遍低于筆者測量結(jié)果；其剪切波速最高值出現(xiàn)于粉砂質(zhì)砂，最低值出現(xiàn)于黏土沉積物，與筆者測量的結(jié)果一致。

3.2 沉積物類型對動力性質(zhì)的影響

海底沉積物動力性質(zhì)是海洋工程地質(zhì)環(huán)境評價與巖土工程研究的一項重要內(nèi)容。動彈性模量與動剪切模量是表征沉積物動力性質(zhì)的兩個重要參數(shù)。動彈性模量量化了沉積物軸向上抵抗彈性變形的能力；動剪切模量量化了沉積物剪切面上抵抗彈性變形的能力?；诔练e物壓縮波速與剪切波速計算分別得到沉積物動彈性模量與動剪切模量是海底聲學(xué)在海洋工程地質(zhì)與巖土工程研究領(lǐng)域中的一項重要應(yīng)用[6]。

由于粒度、礦物組分與結(jié)構(gòu)的差異，不同類型沉積物動力行為特性也存在差異。從圖3中可以看出：動彈性模量與動剪切模量最高值出現(xiàn)在粉砂質(zhì)砂類型沉積物，與壓縮波速與剪切波速最高值出現(xiàn)在粉砂質(zhì)砂類型沉積物一致(圖2)。

但由于該類型沉積物含水量偏高且存在差異，該類型沉積物動模量差異顯著(0.308～0.681 GPa； 0.103～0.227 GPa)；黏土沉積物動彈性模量與動剪切模量均最低(0.084～0.091 GPa；0.03～0.028 GPa)。其他類型沉積物動模量居于兩者之間(0.108～0.399 GPa；0.036～0.106 GPa)。總體而言，膠州灣同一類型沉積物動模量差異與不同類型沉積物動模量差異相差不明顯，說明沉積物類型對膠州灣沉積物動彈性變形穩(wěn)定性及其非均勻分布影響不顯著。

圖3 沉積物類型與動彈性模量和動剪切模量柱狀圖Fig. 3 Histogram of sediment types, dynamic elasticity modulus and dynamic shear modulus

3.3 沉積物物理性質(zhì)對聲學(xué)性質(zhì)影響

河口海岸帶沉積物類型主要為陸源碎屑沉積，在后沉積固結(jié)作用下形成典型結(jié)構(gòu)特征的海洋沉積物。作為海陸交互作用活躍地帶，在海洋水動力(波浪、海流、潮汐等)、生物(主要指生物擾動)和生物地球化學(xué)(礦物分解、沉淀及原位氣泡形成)的相互作用下，近岸淺水環(huán)境淺表沉積物(上部幾米深度范圍)沉積物分布時空變化劇烈，形成普遍存在的非均勻沉積分布特征[1]。不同類型沉積物具有不同的礦物與粒度組成、形成不同的組構(gòu)、結(jié)構(gòu)排列和顆粒定向性、顆粒間相互作用以及顆粒與有機質(zhì)或孔隙流體的相互作用，這些參數(shù)控制著沉積物的物理性質(zhì)與沉積物聲學(xué)與土工響應(yīng)過程。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)膠州灣沉積物壓縮波速與剪切波速與沉積物濕容重、干容重、含水量、孔隙度這4類物理性指標(biāo)間表現(xiàn)出較好的二次函數(shù)關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)均在0.80以上。在膠州灣沉積物物理性質(zhì)測量指標(biāo)量值范圍內(nèi)，壓縮波速與剪切波速隨濕容重與干容重的增長而增長，隨含水量與孔隙度的增長而降低。孟祥梅等[8]與潘國富等[14]采用100 kHz聲波頻率在南黃海中部及其他典型海域采集的沉積物樣品的測試同樣發(fā)現(xiàn)較為一致的變化規(guī)律；闞光明等[11]在南黃海中部開展的原位測量也發(fā)現(xiàn)一致的變化規(guī)律，但二次函數(shù)系數(shù)存在差異，二次函數(shù)的差異即表征為沉積物聲學(xué)性質(zhì)的區(qū)域差異。

3.4 沉積物靜力學(xué)性質(zhì)對聲學(xué)性質(zhì)影響

沉積物靜力學(xué)性質(zhì)描述的是沉積物的強度問題。對同一類型沉積物而言，密實度越大，強度則越大；對不同類型沉積物而言，沉積物強度則是沉積物組成結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)耦合作用的綜合反映。沉積物壓縮波速與剪切波速與不同類型沉積物強度的關(guān)系研究對于無損判斷沉積物工程地質(zhì)性質(zhì)具有重要意義。

對于膠州灣近岸沉積物聲學(xué)與靜力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的描述定性而言，沉積物強度越高，則沉積物壓縮波速與剪切波速越高(圖5)。與現(xiàn)場測量獲取的普氏貫入強度與錐尖阻力相比，實驗室測量獲取的剪切強度與貫入強度與沉積物實驗室測量獲取的壓縮波速與剪切波速相關(guān)程度更高。樣品輸運過程中的物理擾動與溫度變化是導(dǎo)致這一差異的重要因素[7]。與沉積物物理性質(zhì)指標(biāo)比較而言，沉積物力學(xué)性質(zhì)與聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系大致滿足二次函數(shù)相關(guān)性，但其相關(guān)程度顯著低于沉積物物理性質(zhì)與聲學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

圖4 沉積物壓縮波速與物理性質(zhì)關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship curve between sediment compression wave speed and shear wave speed for physical properties

圖5 沉積物壓縮波速與靜力學(xué)性質(zhì)關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship between sediment compressional wave speed and shear wave speed for static mechanical properties

4 結(jié) 論

筆者基于膠州灣沉積物柱狀樣品的采集與實驗室分段物理力學(xué)性質(zhì)測試與計算以及原位力學(xué)參數(shù)的測試，分析了該區(qū)域沉積物的變形強度特征；采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，研究了沉積物聲學(xué)-物理-力學(xué)性質(zhì)間的相互關(guān)系，得出以下結(jié)論。

1)膠州灣近岸沉積物普遍發(fā)育類型有粉砂質(zhì)砂、黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土、黏土等7種；沉積物物理力學(xué)性質(zhì)與聲學(xué)性質(zhì)存在較為顯著的非均勻分布特征；該區(qū)域淺表沉積物總體處于中低強度與非穩(wěn)定性沉積區(qū)域。

2)膠州灣近岸不同類型沉積物壓縮波速與剪切波速差異明顯，普遍表現(xiàn)為粉砂質(zhì)砂最高，黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土壓縮波速次之，黏土最低，同一類型沉積物壓縮波速差值普遍低于50 m/s，剪切波速差值普遍低于20 m/s；不同類型沉積物動彈性模量與動剪切模量的變化規(guī)律與聲學(xué)性質(zhì)基本一致，但其變化趨勢低于不同類型沉積物聲學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。

3)膠州灣近岸沉積物聲學(xué)性質(zhì)與物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間表現(xiàn)為較為良好的二次函數(shù)關(guān)系。在測試指標(biāo)量值范圍內(nèi)，沉積物壓縮波速與剪切波速隨沉積物容重與強度的增長而增長，隨沉積物含水量與孔隙度的增長而降低；沉積物聲學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)間的相關(guān)程度顯著高于力學(xué)性質(zhì)。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Correlation Between Sediment Acoustics and Geotechnical Properties in Jiaozhou Bay

ZHENG Jiewen1, LIU Baohua2, KAN Guangming3, LIU Xiaolei4, LI Guanbao3, PEI Yanliang3

(1.Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, Shandong, P.R.China;2.National Deep-Sea Base Management Center, Qingdao 266237, Shandong, P.R.China;3.First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, Shandong, P.R.China;4.China Ocean University, Qingdao 266061, Shandong, P.R.China)

Sediment columnar samples were collected from coastal areas of Jiaozhou Bay to conduct the measurement of acoustics and physical and mechanical properties, together with in-situ measurement of mechanical properties. Mathematical statistics was used to analyze the sediment acoustics and physical and mechanical properties of different types of sediments in the above sea. The study demonstrates that a significant discrepancy of compression wave speed and shear wave speed exists in different types of sediments at coastal areas of Jiaozhou Bay. Among them, compression wave speed and shear wave speed of silty sand are the highest. The compression wave speed of clayed sand, sandy silt, sandy clay, and silty clay take the secondary place, and that of clay is the lowest. The discrepancy of compression wave speed is generally lower than 50 m/s and shear wave speed is generally lower than 20 m/s for the same type of sediments. The variation rule of the dynamic elasticity modulus and dynamic shear modulus of different types of marine sediments is basically accordant with the acoustics properties, but with a non-obvious variation. There is a good quadric relationship between sediment acoustics and physical properties, and the relevance degree between acoustics and physical properties is obviously higher than sediment mechanical properties. In addition, within the range of the measured parameters of sediment physical and mechanical properties, sediment compression wave speed and shear wave speed are increased with the increase of sediment bulk density and strength, while decreased with the increase of sediment water content and porosity.

geotechnical engineering; sediments; acoustics; physical properties; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.11

2015-10-26；

2015-12-26

國家自然科學(xué)基金項目(41506077; 41330965)；海洋所專項基金項目(GY0215G06)；海洋公益性專項項目(201405032; 201405036-2)

鄭杰文(1984—)，女，河北衡水人，博士后，主要從事海洋沉積聲學(xué)與海洋地質(zhì)工程方面的研究。E-mail：jiewen@fio.org.cn。

O319.56

A

1674- 0696(2017)05- 057- 07