劉文濤 ，石要紅，曾寧烽

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075;2.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075)

粘土是我國(guó)近岸海域一種重要的土質(zhì)類型之一，廣泛分布在海灣、瀉湖、濱海平原等低能海洋環(huán)境區(qū).全新世以來(lái)沉積的淤泥質(zhì)粘土土質(zhì)松軟，具有高含水率、軟塑或流塑狀、高壓縮性以及低抗剪強(qiáng)度等特征，而在南方近岸海域廣泛分布的老粘土形成于晚更新世以前，土層經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用，粘土結(jié)構(gòu)緊密，壓縮性低，抗剪強(qiáng)度顯著增高，是較好的地基持力層［1］.隨著海底工程活動(dòng)的日趨頻繁，研究海底粘土的工程地質(zhì)特性對(duì)區(qū)域內(nèi)工程特性評(píng)價(jià)具有重要的意義.

后水灣位于海南島西北部，瓊州海峽西口，介于儋州灣與澄邁灣之間.灣口中央有鄰昌島和頭排作為天然屏障，避風(fēng)條件良好，是一個(gè)具有一定開發(fā)價(jià)值的天然海灣.后水灣屬玄武巖臺(tái)地海岸，多為基巖海岸.海岸的岬角和河溪入海口較多，沿岸多小海灣.灣內(nèi)水深變化不大，5～12 m 水深占據(jù)海灣大部分區(qū)域［2］.海域內(nèi)沿岸工程開發(fā)活動(dòng)較少，海域內(nèi)淺部土層的工程特性研究亦較少.鑒此，本文利用后水灣外海域內(nèi)的兩口淺鉆孔對(duì)其粘土的工程地質(zhì)特性進(jìn)行了分析和研究.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局分別于2011 年9 月和12 月對(duì)后水灣海域開展了2 次調(diào)查(見圖1)，獲得40 m 淺鉆兩口，土工試驗(yàn)為42組，其中粘性土37 組，砂性土5 組.粘性土分析項(xiàng)目包括:含水率、土粒比重、密度、界限含水率、UU 三軸試驗(yàn)和室內(nèi)壓縮試驗(yàn);砂性土分析項(xiàng)目有含水率、密度、土粒比重、顆粒分析.

圖1 研究區(qū)及鉆孔位置示意圖

1.2 分析方法 土體物理力學(xué)指標(biāo)在垂向和水平方向上都存在著變異性［3］，這種變異性是由多種因素造成的，其中土體本身內(nèi)在的變異性是最主要的原因，其次取樣、試驗(yàn)誤差等多種隨機(jī)因素也可造成這種變異性.通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方法可有效地降低隨機(jī)因素對(duì)土體特性帶來(lái)的影響，有效地分析土體固有的變異性，并評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)特性.

國(guó)內(nèi)外自20 世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)巖土參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了大量的研究［4］，相關(guān)分析、變異性分析和回歸分析是常用的統(tǒng)計(jì)分析方法［5-13］.本文運(yùn)用變異性分析、相關(guān)性分析和回歸分析計(jì)算了后水灣淺層粘性土的物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，初步探討了區(qū)域內(nèi)粘土的力學(xué)指標(biāo)與物理指標(biāo)間的回歸方程.

2 淺層粘土工程地質(zhì)特征

圖2 ZK1 鉆孔土層劃分與主要物理力學(xué)指標(biāo)垂向變化

2.1 土層劃分及主要特征 研究區(qū)淺層土主要為高液限粘土(CH)和低液限粘土(CL).根據(jù)ZK1 和ZK2 揭示的土層，區(qū)域內(nèi)淺層粘土可劃分為3 層(見圖2).3 層粘土分別以中砂(M)和角礫(G)層為分界層，厚0.5～1 m.第一層(表層)粘土以高液限粘土為主，含少量低液限粘土，青灰色或灰色，厚5.6～13.9 m，含水飽和，粘性強(qiáng)，含大量貝殼碎屑，呈軟塑或流塑狀，抗剪強(qiáng)度低，黏聚力平均為5.0 kPa，壓縮性中等.在粒度組成上，粘粒含量略高于粉粒，粘粒含量隨深度逐漸增加，由46.1%增加到63.8%，而粉粒含量則隨深度減少，由51.7%減少到34.5%.砂粒含量極少，為1.2%～2.5%，頂部的含量相對(duì)較多.第二層粘土以高液限粘土為主，夾少量低液限粘土，棕黃色或灰色，厚19.3～23.7 m，局部夾粉砂薄層，含水率降低，呈可塑或硬塑狀，抗剪強(qiáng)度較第一層明顯提高，黏聚力平均為56.2 kPa，壓縮性中等.在垂向上，粒度組成無(wú)明顯變化，以粘粒和粉粒為主，粘粒略高于粉粒，上部砂含量相對(duì)較多;第三層粘土為低液限粘土，灰色，僅在ZK1 揭露其上層，厚9.3 m，可塑，抗剪強(qiáng)度較高，黏聚力平均為38.4 kPa，壓縮性中等.

2.2 主要物理力學(xué)指標(biāo) 表1 列出了后水灣海域三層粘土的物理力學(xué)指標(biāo)范圍，并對(duì)兩個(gè)鉆孔各層粘土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).由表1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，研究區(qū)淺層粘土的物理力學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn):

1 物理性質(zhì):表層粘土的含水率和孔隙比較高，第二層和第三層粘土的含水率和孔隙比明顯降低，僅為第一層粘土的50%.表層粘土的天然密度較第二層和三層粘土略有降低，降低了10%～20%.表層粘土液性指數(shù)在1.07～2.05 之間，呈流塑狀態(tài).由于土粒間存在著天然的結(jié)構(gòu)連接，樣品在野外并未表現(xiàn)為流塑態(tài).第二層粘土液性指數(shù)在0.08～0.58 之間，呈可塑或硬塑狀態(tài)，以硬塑為主;第三層粘土液性指數(shù)在0.23～0.47 之間，亦呈可塑或硬塑狀態(tài).

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)粘土物理指標(biāo)的分析，可以看出，第二層和第三層粘土經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用后，土體中水分被排出，顆粒排列更趨緊密，土體密度升高，稠度特征也由流塑變到可塑或硬塑.

2 塑性特征:區(qū)域內(nèi)粘土的液、塑限值均較高，各層粘土變化區(qū)間較為接近(見表1);液限為34%～86.2%，塑限為17.4%～33.3%;區(qū)域內(nèi)粘土的塑性指數(shù)較高，最高達(dá)54.7.塑性指數(shù)IP與粘粒含量和礦物成分有關(guān)，粘粒含量越多，親水性大的礦物含量越高，IP也越大.塑型指數(shù)的特征反映出區(qū)域內(nèi)粘土的物質(zhì)組成基本一致，以親水性粘土礦物為主.第二層粘土塑限指數(shù)的變化范圍較大，這對(duì)土的工程性質(zhì)的變化很有影響.

3 力學(xué)性質(zhì):沉積物的力學(xué)性質(zhì)是指土在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要為變形特性和強(qiáng)度特性，通常以壓縮系數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)表示，它是土的工程地質(zhì)性質(zhì)的主要組成部分.第二層和第三層粘土經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用后，抗剪強(qiáng)度較第一層顯著增加，壓縮性降低，特別是粘聚力的變化最為明顯，第一層粘土僅為2.00～6.90 kPa，而第二層和第三層為23.5～98.0 kPa.

表1 后水灣海域粘土物理力學(xué)指標(biāo)范圍統(tǒng)計(jì)表

3 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)

3.1 變異性分析 通過(guò)計(jì)算一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)(δ)，可以了解土性指標(biāo)的變異性大小.計(jì)算公式如下:

其中:σ—樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差;μ—樣品平均值.

利用公式(1)計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)三層粘土的變異系數(shù)(見圖3).由圖3 可以看出，各層粘土的物理指標(biāo)的變異性要普遍小于其力學(xué)指標(biāo).土粒比重的變異性最小，粘土的天然密度和飽和度的變異性也很低，變異系數(shù)小于0.04.第二層粘性土的物理指標(biāo)的變異性要大于其上下兩層，反映出該層工程地質(zhì)特征的差異性較大.

粘土層的力學(xué)指標(biāo)的變異性很高，其變異系數(shù)普遍大于0.3.由圖3 可以看出，各層粘土力學(xué)指標(biāo)的變異性隨著深度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).第一層粘土力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)變化范圍為0.3～0.4，第二層粘土其變異系數(shù)的變化范圍為0.27～0.33，第三層粘土力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)為0.12～0.33.

3.2 相關(guān)性分析 相關(guān)性分析是研究變量之間密切程度的一種統(tǒng)計(jì)方法，用相關(guān)系數(shù)表示.分析過(guò)程中，首先確定指標(biāo)間的最佳數(shù)學(xué)關(guān)系模型，參照前人的研究經(jīng)驗(yàn)，土體物理力學(xué)指標(biāo)之間的最佳數(shù)學(xué)模型是線性關(guān)系模型［7］.

圖3 研究區(qū)各層粘土變異系數(shù)柱形圖

由表2 中可以看出，含水率與天然密度、干密度、孔隙比和液性指數(shù)之間存在高度的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.89 以上.含水率與天然密度、干密度呈負(fù)相關(guān)，而與孔隙比和液性指數(shù)呈正相關(guān).土粒比重與其他物理指標(biāo)間相關(guān)性較差，反映出土顆粒的組成與其所呈現(xiàn)的物理狀態(tài)是沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)的，這同樣表現(xiàn)在液限、塑限、塑性指數(shù)與含水率、天然密度、孔隙比等指標(biāo)間的相關(guān)性.土體的天然密度與其干密度、孔隙比和液性指數(shù)有著高度的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的絕度值在0.832～0.982.

土體的物理狀態(tài)可在一定程度上反映其力學(xué)性質(zhì)，兩者指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性.研究區(qū)粘土粘聚力與液性指數(shù)呈高度的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.829，與含水率和孔隙比呈顯著的負(fù)相關(guān)，而與其天然密度和干密度呈顯著正相關(guān).內(nèi)摩擦角與含水率、天然密度、飽和度、孔隙比和液性指數(shù)等指標(biāo)均呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性.土體的壓縮系數(shù)與其天然密度和干密度呈弱的顯著負(fù)相關(guān)，與含水率、孔隙比和液性指數(shù)呈弱的顯著正相關(guān).與壓縮系數(shù)相關(guān)性最好的是土粒比重，這主要是由于兩者的數(shù)值變化范圍均較小的原因.通過(guò)上述分析可以看出，研究區(qū)粘土的壓縮系數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、天然密度、孔隙比等指標(biāo)間的相關(guān)性特征呈現(xiàn)正負(fù)相反的相關(guān)關(guān)系.

表2 后水灣粘土物理指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)表

表3 后水灣粘土物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 物理力學(xué)指標(biāo)回歸分析 在工程地質(zhì)研究中，不容易直接獲得力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，而對(duì)于物理性質(zhì)指標(biāo)，只要樣品保存得當(dāng)，都容易直接獲得，并且兩者存在內(nèi)在的聯(lián)系，例如粘性土的原始粘聚力取決于顆粒間距離的遠(yuǎn)近、土粒礦物成分、擴(kuò)散層中的離子成分及土的密度;粘性土的內(nèi)摩擦角取決于土的礦物成分、含水量、孔隙比、密度及形成歷史等諸要素;壓縮系數(shù)與土的類別、孔隙比、密度、含水量等因素有關(guān).通過(guò)建立兩者的回歸關(guān)系，就可以簡(jiǎn)單地對(duì)各土層加以力學(xué)分析.

本文對(duì)區(qū)域淺層粘土進(jìn)行了回歸分析，在分析過(guò)程中，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖，通過(guò)直觀判斷確定指標(biāo)間的最佳數(shù)學(xué)關(guān)系模型.回歸方程的顯著性檢驗(yàn)查相關(guān)系數(shù)表，顯著性水平α 取0.05.物理力學(xué)指標(biāo)的回歸分析結(jié)果見表4.塑限及塑性指數(shù)與液限間成線性關(guān)系.相關(guān)系數(shù)大于顯著性水平為0.05 時(shí)的臨界相關(guān)系數(shù)值，回歸方程顯著.壓縮系數(shù)與含水率、天然密度及孔隙比成較好的線性關(guān)系.相關(guān)系數(shù)也大于顯著性水平為0.05 時(shí)的臨界相關(guān)系數(shù)值.研究區(qū)內(nèi)第一層粘土與第二、三層粘土的物理力學(xué)指標(biāo)差異較大，在散點(diǎn)圖中表層粘土樣品與第二層與第三層粘土樣品分屬于不同的兩個(gè)區(qū)域，整體上不呈線性相關(guān).各種非線性曲線擬合中，以冪函數(shù)相關(guān)性最高.

表4 物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)內(nèi)淺部土層可劃分出3 層粘土層.三層粘土被中砂或礫砂(薄)層分隔.表層粘土與第二、三層粘土的工程地質(zhì)特性存在顯著差異.表層粘土的含水率、孔隙比較高，而天然密度較低，呈軟塑或流塑態(tài)，抗剪強(qiáng)度較低，具有高壓縮性;土層經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用后，第二、三層粘土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著改變，含水率和孔隙比顯著降低，而天然密度和抗剪強(qiáng)度升高，壓縮性降低，稠度由軟、流塑變到可塑或硬塑.

(2)研究區(qū)粘土的各物理指標(biāo)的變異性普遍小于其力學(xué)指標(biāo)的變異性.第二層粘土的物理指標(biāo)的變異性大于其上下兩層，反映出該層工程地質(zhì)特征的差異性較大;力學(xué)指標(biāo)的變異性隨深度的增加而逐漸降低.

(3)研究區(qū)內(nèi)粘土的含水率、天然密度、干密度、孔隙比和液性指數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性，土粒比重、液限、塑限及塑性指數(shù)與其他物理指標(biāo)間相關(guān)性較差.其壓縮系數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、天然密度、孔隙比等指標(biāo)間的相關(guān)性呈現(xiàn)正負(fù)相反的相關(guān)關(guān)系.

(4)通過(guò)對(duì)研究區(qū)粘土物理力學(xué)指標(biāo)的回歸分析，得到了研究區(qū)主要物理力學(xué)指標(biāo)的回歸方程;研究區(qū)內(nèi)粘土的壓縮系數(shù)與含水率、天然密度、孔隙比及液性指數(shù)成較好的線性關(guān)系;黏聚力和內(nèi)摩擦角與天然密度、孔隙比及液性指數(shù)間呈曲線相關(guān)，以冪函數(shù)擬合度最高.

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