南海深海海底沉積物力學性質試驗研究

陳 聰，龍建軍，李趕先

(1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006;2.中國科學院南海海洋研究所，廣東廣州 510301)

南中國海蘊藏著豐富的礦產、油氣、生物等一系列資源，對南海進行環境、地質等調查研究非常必要［1］。海底沉積物(以下簡稱沉積物)是海洋物理和工程研究的重要對象，開展海洋的相關研究及開發建設，在地質上迫切需要了解沉積物的結構特征和工程力學性質［2］。三軸試驗是測定土樣的靜力、動力特性的主要試驗方法，因此用三軸試驗測定的沉積物的力學性能參數，可為海洋研究和開發提供參考。

由于沉積物(尤其是深海沉積物)樣品難以取得，對沉積物力學性能開展試驗研究的報導甚少。Stoll在20世紀90年代指出沉積物的抗剪強度是研究聲波在沉積物中傳播特性的重要參數，提出了測量沉積物在不同壓應力下的聲波傳播參數的試驗方案，并通過試驗驗證方案的可行性［3］。隨后Stoll等采用土力學中的貫入試驗對沉積物的力學性能進行測量，通過試驗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方法，綜合分析了沉積物結構特征和工程力學性質 ，得出了沉積物聲學物理參數和應力—應變性質之間的關系［5］。隨后盧博等又對沉積物通過隨受控應力—應變過程的聲學測量，得到聲速隨加載變化的基本規律并分析其物理機制，其試驗研究所用的受控應力—應變過程是不加圍壓、不排水狀態下的無側限壓縮試驗［6］。

為模擬深海不同的壓力環境，在試驗研究過程中對沉積物試驗樣品施加接近海底水壓力的不同圍壓開展三軸試驗，測定沉積物的相關力學性能參數，以期分析沉積物樣本的物理力學關系。

1 試驗原理及過程

1.1 試驗原理

采用三軸試驗方法研究沉積物的力學性能，其主要目的:一是測定不同沉積物樣品的主應力差與軸向應變曲線;二是測定沉積物樣品的三軸試驗抗剪強度包絡線圖，以求得抗剪強度的相關參數;三是分析沉積物樣品的破壞點應力值隨含水量、濕密度及孔隙度的變化規律。

沉積物樣品的抗剪強度:

式中:τf為抗剪強度(最大剪應力);c為對于黏性土，顆粒間由于水膜或膠結物所產生的黏聚力;σ為法向應力;φ 為摩擦角［7］。

式(1)稱為庫倫(Culomb)定律?？辜魪姸仍囼炇窍葴y定土的強度參數c和φ的值，然后根據不同的法向應力σ求得不同的剪切強度τf。用三軸試驗測定土的強度參數，有幾種不同的方法。根據試驗過程的排水條件，通常可以分為不固結不排水剪(UU)、固結不排水剪(CU)、固結排水剪(CD)［7］。本試驗選擇不固結不排水剪的試驗方法，即UU試驗，以模擬沉積物海底承載過程。試驗在地聲實驗室中進行，使用TSZ30-2.0型應變控制式三軸儀進行測量。

表1 試驗樣品分組編號、物理性質、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 試驗樣品制備

由于海底沉積物的物理力學性質與巖石和泥巖截然不同，特別是在抵抗單軸應力的應變過程中，抗壓強度比巖石和泥巖要低很多［8］。經前期的初步試驗發現，海底沉積物樣品不適合做單一試樣的多級加荷試驗。故根據試驗需要，把沉積物試驗樣品分為6組，每組3個樣品，共18個樣品。每一組樣品中的3個沉積物試驗樣品均取自同一海域，海底埋深相近，物理性質相似。試驗中用每組樣品中的三個相似樣品分別做單一圍壓下的三軸試驗。其樣品分組編號、物理性質及試驗圍壓(周圍壓力以σ3表示)如表1所示。

1.3 試樣安裝和剪切試驗過程

樣品的安裝和剪切試驗過程按國家標準:土工試驗方法標準GB/T50123-1999要求進行［9］。根據所取沉積物樣品的不同埋深及試驗條件，試驗的三級圍壓取值分別為300、500、700 kPa。

樣品初始直徑68 mm，長度125 mm，按UU試驗的剪切應變速率宜為每分鐘應變為0.5%～1.0%的要求，試驗的剪切應變速率取0.9 mm/min。試驗每產生0.5 mm變形值，測記一次測力計讀數和軸向變形值，并記錄數據，當測力計讀數達到穩定或出現倒退時，本級圍壓下的剪切試驗結束。

按相同的方法進行第二級、第三級圍壓下的剪切試驗，注意三級圍壓的軸向應變累積不超過20%。

2 數據處理

2.1 數據處理方法

1)軸向應變計算:

式中:ε1為軸向應變(%);Δh1為剪切過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)主應力差計算:

式中:σ1-σ3為主應力差(kPa);σ1為大主應力(kPa，即軸向應力);σ3為小主應力(kPa，即周圍壓力);C 為測力計率定系數(N/0.01 mm);R為測力計讀數(0.01 mm)。

2.2 數據處理結果

1)沉積物樣品軸向應變和主應力差

根據實驗數據，分組編號32的樣品在第一級圍壓σ3=300 kPa(即樣品GD-12)計算結果如表2所示。

同理可得第二級圍壓σ3=500 kPa，第三級圍壓σ3=700 kPa的計算結果。

2)沉積物樣品破壞點應力值

以主應力差(σ1-σ3)為縱坐標，軸向應變ε1為橫坐標，繪制主應力差與軸向應變關系曲線。圖1為分組編號為32的沉積物樣品在不同圍壓下的主應力差與軸向應變曲線。

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

本試驗所用的試驗樣品組是來源于同一個柱狀樣，取自不同深度的一段樣品。

取曲線上主應力差的峰值作為破壞點，無峰值時取15%軸向應變時的主應力差作為破壞點［10］。如圖1所示，三級不同圍壓下的主應力差與軸向應變曲線皆出現峰值。圍壓σ3=300 kPa時，破壞點為22.43 kPa;圍壓σ3=500 kPa時，破壞點為14.38 kPa;圍壓σ3=700 kPa時，破壞點為15.81 kPa。同理可得其他各組沉積物樣品的應力應變曲線及各曲線的破壞點應力值，如表3所示。

表2 第32組沉積物樣品在第一級圍壓下的計算結果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應力值Tab.3 Stress value of failure point of each sediment sample

3)沉積物強度與破壞應變表

圖2 第32組沉積物樣品的三軸試驗抗剪強度包絡線圖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度參數Tab.4 Strength parameters of each group of sediment samples

3 數據分析

3.1 海底沉積物力學分類

天然土按應變的分類方法可分為脆性黏土、半脆性黏土和塑性黏土，其各自對應的破壞應變如表5所示。

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

統計本試驗的6組18個試驗樣品，可得各個試驗樣品的破壞應變如表6所示。

表6 各試驗樣品的破壞應變表Tab.6 Failure strain of each test sample

對照表5可知，沉積物試驗樣品的破壞應變絕大多數落在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物所產生的黏聚力，這也是區分自然土為脆性黏土或塑性黏土的關鍵參數。試驗中得出cu值如表4所示，數值相對于σtanφu偏小，這也符合沉積物為半脆性黏土的分類判據。

3.2 海底沉積物力學物理特性分析

利用試驗所得數據，用沉積物試驗樣品的破壞點應力值與試驗樣品的含水量、孔隙度和濕密度分別做相關性分析，得出各自的回歸相關二維圖，如圖3～5所示。

圖3 沉積物破壞點應力值與含水量關系Fig.3 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the moisture content

圖4 沉積物破壞點應力值與孔隙度關系Fig.4 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the porosity

如圖3～4所示，沉積物的破壞點應力值隨含水量、孔隙度的變化趨勢相似，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。沉積物的破壞點應力值隨含水量、孔隙度的變化趨勢之所以相似，是因為含水量同孔隙度之間存在正相關的關系。Lee指出飽和黏性土的不排水抗剪強度主要取決于沉積物受壓破裂時作用在破裂面上的有效法向應力和沉積物的含水量［11］。同陸地上的黏土相似，沉積物當含水量較低時，顆粒間由于水膜或膠結物所產生的黏聚力也較小，從而影響沉積物的抗剪強度，破壞點的應力值也就偏小。另一方面，當沉積物的孔隙度增大時，沉積物在壓縮過程中的有效承載面積也將減小，從而影響沉積物的抗剪強度，破壞點的應力值也相應變小。這也就解釋了沉積物破壞點應力值隨含水量、孔隙度如上所述的變化趨勢，并在中間某一區間內取得最大值的原因。

如圖5所示，沉積物的破壞點應力值隨濕密度增加呈下降趨勢。因為沉積物的抗剪強度更多的是取決于其中顆粒間的組合結構形式;此外在相同體積下，濕密度增大，含水量減小，黏聚力下降。

由于沉積物試驗樣品較少和沉積物樣的類型的不同，沉積物的破壞點應力值與同含水量、孔隙度和濕密度的相關系數比預期偏低。

圖5 沉積物破壞點應力值與濕密度關系Fig.5 Relationship between the stress value of failure point of the sediments and the wet density

4 結語

1)試驗得出各沉積物試驗樣品的強度參數，分析表明其力學性能與陸地的半脆性黏土相近。

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

從巖土力學的角度研究海底沉積物的力學性能，對于海洋工程建設實踐具有重要的參考價值。為了有效預報海底沉積物的力學性能，尚需要更多地開展相關的試驗研究。

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