菲律賓馬尼拉灣海洋土物理力學性質(zhì)分析

陶旭光，榮艷麗，劉 冰

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

引 言

菲律賓等東南亞國家及我國南海地區(qū)海域勘探鉆取的土樣由于長期處在含有大量鹽分的海水中，受海進、海退、海流、古氣候和陸源物質(zhì)來源不同等影響，出現(xiàn)含水率高、孔隙比大，但力學強度較高，即存在物理指標和力學參數(shù)相互矛盾的現(xiàn)象，與陸地土和東海近岸海洋土大不相同，如何評價它們的物理力學性質(zhì)、解釋產(chǎn)生特殊工程性質(zhì)的原因，是巖土工程勘察需要解決的問題。

1 區(qū)域地質(zhì)構造和工程地質(zhì)分層

本文研究的海洋土取自菲律賓馬尼拉灣，屬于呂宋島弧的巴丹段（中呂宋）西海岸，此區(qū)段有數(shù)量很大的活動火山，其中大多數(shù)火山活動發(fā)生在第四紀和晚上新世，最古老的熔巖噴發(fā)于晚中新世。主要巖石類型是安山巖，個別為玄武巖和流紋巖，覆蓋層為第四系[7-8]。該海域水深4.0～13.0 m，勘探揭示的土層及工程地質(zhì)分層如表1所示。位置及區(qū)域地質(zhì)構造見圖1。

表1 馬尼拉灣某海域地層

圖1 研究項目位置（★所示）及區(qū)域地質(zhì)構造

2 物理力學指標測試、分析

本文樣品的物理性指標測試及定名采用ASTM標準，力學性指標測試采用GB/T 50123-1999標準。

2.1 基本物理性質(zhì)指標分析

表2 馬尼拉灣Ⅱ1、Ⅳ2層基本物理性質(zhì)指標

從表2看，馬尼拉灣海洋土無論是淤泥質(zhì)軟土層還是力學指標較好的高液限黏土層都表現(xiàn)出含水率高、孔隙比大、密度小的物理性質(zhì)。隨機抽取洋山港、馬尼拉灣、上海陸地鉆孔（以黏性土土層為主）數(shù)據(jù)進行三大基本物理性質(zhì)指標對比（圖2、圖3、圖4），選擇的三個鉆孔土層均以黏性土為主，上部為軟土層，下部出現(xiàn)不同厚度的灰綠色黏性土層。

1）天然含水率ω

圖2 ω-h關系曲線對比

從圖2可以看出：洋山港、上海陸地土的天然含水率均隨深度有逐漸變小的趨勢，但馬尼拉灣海洋土變化趨勢不明顯且深度上下差異化較大。馬尼拉灣發(fā)育的灰綠色高液限黏土層的天然含水率大于洋山港、上海陸地軟土層的天然含水率。馬尼拉灣海洋土的天然含水率測試值最大達 280.9 %。選取的鉆孔中，馬尼拉灣10.0 m、14.0 m、34.0 m處為高液限黏土夾砂層，上海14.0 m處為粉砂層。

2）天然密度ρ

圖3 ρ-h關系曲線對比

從圖2、圖3可以看出：洋山港、馬尼拉灣、上海陸地土的天然密度與天然含水率呈反比關系，含水率大密度較小，含水率小密度較大。馬尼拉灣發(fā)育的灰綠色高液限黏土層的天然密度小于洋山港、上海陸地軟土層的天然密度。馬尼拉灣上部淤泥的天然密度測試值最小為1.15 g/cm3。

3）孔隙比e0

圖4 e0-h關系曲線對比

從圖4可以看出：洋山港、上海陸地土的天然孔隙比均隨深度有逐漸變小的趨勢，但馬尼拉灣海洋土變化趨勢不明顯且深度上下差異化較大。馬尼拉灣發(fā)育的灰綠色高液限黏土層的天然孔隙比大于洋山港、上海陸地軟土層的天然孔隙比。馬尼拉灣上部淤泥的天然孔隙比測試值最大為6.200。

4）比重Gs

土的比重定義是土粒的質(zhì)量與同體積4℃純水的質(zhì)量之比。樣品的比重測試標準采用ASTM D854-10，實測值在2.32～2.71之間，相比一般的陸地土比重值（2.68～2.76）偏小且變化范圍大。這是海洋土的比重受到了含鹽度和含水率兩方面的影響，所以測試比重時，土樣不應長時間放置于空氣中，避免水分蒸發(fā)過程中鹽分隨著析出，造成局部鹽分的聚集，影響試驗結果的準確性[9]。

2.2 液塑限指標分析

試驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)Ⅳ2層灰綠色高液限黏土風干失水后顏色變化明顯，粗顆粒團塊處有白色鹽分和不明針狀礦物析出（圖 5）?？紤]土中的有機質(zhì)、某些化學組成和部分結合水在風干（烘干）失水過程中發(fā)生不可逆的變化，會改變土粒間的連結，使土的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化。本文進行了Ⅳ2層烘干前后的液限、塑限對比試驗。

圖5 風干失水后表面有鹽分和礦物析出

表3 烘干前后界限含水率變化

從表 3看出，Ⅳ2層灰綠色高液限黏土烘干后液限、塑限變小，土的可塑性降低。如果采用烘干土進行界限含水率試驗且根據(jù)塑性圖或塑性指數(shù)來分類，會造成較大誤差，甚至把土類弄錯，因此建議馬尼拉灣海洋土應采用新鮮樣進行界限含水率試驗。

2.3 壓縮指標分析

在壓縮試驗圖表分析過程中發(fā)現(xiàn)Ⅳ2層灰綠色高液限黏土的性狀與洋山港、上海陸地的灰綠色土層有較多不同點。

1）壓縮模量Es與固結壓力P的關系

圖6為壓縮模量Es與固結壓力P的關系曲線，從圖6可以看出：①當P值增大時，馬尼拉灣海洋土試樣的Es值上升，在P=PC（約500 kPa）值附近出現(xiàn)下降段，至800 kPa降至最低值，而后又重新上升。該試樣抵抗變形的能力很大程度取決于土中膠結物質(zhì)產(chǎn)生的結構附加強度，具有彈性變形特點。②當P值增大時，上海試樣的Es值一直呈上升趨勢，未出現(xiàn)下降區(qū)段，PC值約410 kPa。該試樣抵抗變形的能力基本全由顆粒之間的連結所決定，這種連結主要取決于土體的密度，具有塑性變形特點。③當P值增大時，洋山港試樣在0～200 kPa區(qū)段Es值出現(xiàn)“倒大”現(xiàn)象，即Es值下降，200 kPa處最小，繼而上升，在P=PC（390 kPa）值附近出現(xiàn)下降后隨即又重新上升。該試樣抵抗變形的能力取決于膠結物質(zhì)產(chǎn)生的膠結和土顆粒之間的連結兩部分，故變化趨勢較復雜。

上述三個試樣均是力學性質(zhì)較好的灰綠色黏性土，三種壓縮模量Es與固結壓力P變化曲線均在以往的地基土測試中出現(xiàn)。但馬尼拉灣試樣Es下降段的出現(xiàn)與洋山港、上海相比延后很多，同時Es值最低，孔隙比從初始e0=2.272至加壓3 200 kPa時仍大于1.150，相比上海試樣有難以壓密的特點。出現(xiàn)這種不同性狀，原因很可能在于馬尼拉灣海洋土膠結物質(zhì)的復雜性。

圖6 壓縮模量Es與固結壓力P的關系曲線

2）PC、CC、CS值分析

馬尼拉灣發(fā)育的灰綠、褐黃、黑灰色土層都具有較高的前期固結壓力值，如ZK1-12-7黑灰色高液限黏土PC=950 kPa，超固結比大于7（圖7）。

馬尼拉灣海洋土在漫長的地質(zhì)歷史年代中受過較高的固結壓力，后來因地質(zhì)構造等作用而卸荷，但根據(jù)現(xiàn)有區(qū)域構造資料看，不可能有那么高的先期固結壓力。從灰綠色黏土隨固結壓力增加時壓縮模量Es值增大非常緩慢來看，該土是“具有天然膠結的靈敏黏土”。對具有天然膠結的黏土而言，一般PC值遠大于其歷史真正承受過的最大固結壓力。實際上它相當于沿著一維固結的有效應力路徑加載時，試樣發(fā)生屈服時的最大主應力[10]。

圖7 ZK1-12-7試樣e-logP曲線

受含水率影響，Ⅳ2層灰綠色高液限黏土測得的CC、CS值均較大，如表4所示。海洋土同陸地土一樣，壓縮指數(shù)與天然含水率在數(shù)值上存在相近的關系（圖8）；回彈指數(shù)和壓縮指數(shù)的比值離散性較大（圖9），其中統(tǒng)計的 50個試樣數(shù)據(jù)，約 70 %的CS/CC值在0.17～0.34之間。

表4 固結指標對比

圖8 壓縮指數(shù)Cc值與天然含水率w相關曲線

圖9 回彈指數(shù)Cs值與壓縮指數(shù)Cc值相關曲線

2.4 抗剪強度指標分析

馬尼拉灣Ⅳ2層灰綠色高液限黏土雖含水率較上海的淤泥質(zhì)土層還高，孔隙比也在 1.5～2.2之間，但其抗剪強度卻很高，黏聚力在32～55 kPa之間，與上海的灰綠色土層相當，甚至某些層位試樣的內(nèi)摩擦角異常大，一般在 14°～26°之間。這與馬尼拉灣頻繁多變的海洋沉積環(huán)境、火山作用以及膠結物質(zhì)的分布極不均勻有密切關系。

3 特殊工程地質(zhì)性質(zhì)成因分析

針對馬尼拉灣海洋土出現(xiàn)物理指標與力學指標相互矛盾的現(xiàn)象，土試人員進行了一系列的原因分析：

1）根據(jù)土暴露在空氣中能迅速變?yōu)榛尹S、褐黃色可判斷有機質(zhì)和游離氧化鐵的存在。本次測試有機質(zhì)含量大都在5 %以上，對土起到了一定的膠結作用；游離氧化鐵的存在造成土具有含水率高，孔隙比大，但力學強度較高的工程性質(zhì)特點，此類研究文獻[11]很多，本文不做深入分析。

2）從土在風干過程中有明顯的鹽分析出，馬尼拉灣海洋土含鹽量高于洋山港、中國南海等地的海洋土，事實上通過對洋山港、湛江、馬尼拉灣三地的試樣溶液（土水比 1:20）進行電導率測試，K馬尼拉灣=995＞K洋山港=405＞K湛江=275 us/cm，也證明了這個推斷。

3）我們在測試區(qū)鄰近區(qū)域進行砂源調(diào)查時，發(fā)現(xiàn)土的碳酸鹽含量分布極不均勻，有些層位上是零而在另一些層位上可達40 %。本文中的Ⅳ2層灰綠色高液限黏土層兩個測試點都在15 %左右，是中國南海海洋土的3倍以上。

碳酸鹽含量高的土往往具有砂質(zhì)黏土相似的壓密性質(zhì)并對前期固結壓力的確定有影響，即能形成“表觀先期固結壓力”[12]，這種土的最大特點是很難壓實，無法達到非碳酸鹽土那樣低的孔隙比，剪切破壞呈現(xiàn)出脆弱性（圖10）。

圖10 Ⅳ2層灰綠色土UU應力應變曲線

4）馬尼拉灣海洋土的顏色特別復雜豐富，測試土樣包括了灰色、黑色、褐色、紫色、紅色、黃色、綠色等等，說明土的化學成分和形成環(huán)境變化復雜。M.J. Defant等[13]認為呂宋島弧巖石都是鈣堿性的，在堿性環(huán)境中進行腐殖質(zhì)的累積也就出現(xiàn)了褐色土壤；此外，濕、熱成土條件下，游離氧化鐵的含量和價態(tài)變化造成紅色、黃色、綠色土壤出現(xiàn)。

上述的游離氧化物、碳酸鹽、氯鹽、有機質(zhì)都屬于土的膠結物質(zhì)，在漫長的地質(zhì)年代中對馬尼拉灣海洋土逐漸產(chǎn)生較強的附加結構強度，從而決定了土的強度和穩(wěn)定性。綜合分析判斷，馬尼拉灣海洋土的工程性質(zhì)指標與國內(nèi)陸地土的很大不同是由顆粒間的膠結作用差異所導致的。

4 結 語

對馬尼拉灣海洋土的礦物成分、沉積環(huán)境及歷史成因的分析工作，是勘察人員進行工程地質(zhì)分層的定性和定量依據(jù)。

馬尼拉灣海洋土具有含水率高、孔隙比大、密度小的物理性質(zhì)，甚至剪切強度偏大的灰綠色土層的含水率、孔隙比比上?；疑倌噘|(zhì)土層還大。海洋土比重實測值在 2.32～2.71之間，相比一般的陸地土比重值（2.68～2.76）偏小且變化范圍大。測試比重時，土樣不應長時間放置于空氣中，避免水分蒸發(fā)過程中鹽分隨著析出，造成局部鹽分的聚集，影響試驗結果的準確性。Ⅳ2層灰綠色高液限黏土風干失水后可塑性降低。海洋土較高的碳酸鹽含量導致Ⅳ2層灰綠色高液限黏土具有砂質(zhì)黏土相似的壓密性質(zhì)，并對前期固結壓力的確定有影響。繪制的Pc值大于其歷史上真正承受過的最大固結壓力。海洋土含有較多的有機質(zhì)、游離氧化鐵、碳酸鹽等水穩(wěn)性膠結物質(zhì)，造成了其含水率高，孔隙比大，而抗剪強度較大，壓縮性偏小的特性。由于膠結物質(zhì)的分布極不均勻，又導致地基土的不均勻性非常明顯。

建議馬尼拉灣海洋土應采用新鮮樣本進行界限含水率試驗。