陶旭光，榮艷麗，劉 冰

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

引 言

菲律賓等東南亞國(guó)家及我國(guó)南海地區(qū)海域勘探鉆取的土樣由于長(zhǎng)期處在含有大量鹽分的海水中，受海進(jìn)、海退、海流、古氣候和陸源物質(zhì)來(lái)源不同等影響，出現(xiàn)含水率高、孔隙比大，但力學(xué)強(qiáng)度較高，即存在物理指標(biāo)和力學(xué)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(píng)價(jià)它們的物理力學(xué)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(wèn)題。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(dòng)火山，其中大多數(shù)火山活動(dòng)發(fā)生在第四紀(jì)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(gè)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(gòu)造見(jiàn)圖1。

表1 馬尼拉灣某海域地層

圖1 研究項(xiàng)目位置（★所示）及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

2 物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試、分析

本文樣品的物理性指標(biāo)測(cè)試及定名采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)性指標(biāo)測(cè)試采用GB/T 50123-1999標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)分析

表2 馬尼拉灣Ⅱ1、Ⅳ2層基本物理性質(zhì)指標(biāo)

從表2看，馬尼拉灣海洋土無(wú)論是淤泥質(zhì)軟土層還是力學(xué)指標(biāo)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(jī)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(jìn)行三大基本物理性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比（圖2、圖3、圖4），選擇的三個(gè)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(guān)系曲線對(duì)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(shì)，但馬尼拉灣海洋土變化趨勢(shì)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(cè)試值最大達(dá) 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(guān)系曲線對(duì)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(guān)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(cè)試值最小為1.15 g/cm3。

3）孔隙比e0

圖4 e0-h關(guān)系曲線對(duì)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(shì)，但馬尼拉灣海洋土變化趨勢(shì)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(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM D854-10，實(shí)測(cè)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(cè)試比重時(shí)，土樣不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間放置于空氣中，避免水分蒸發(fā)過(guò)程中鹽分隨著析出，造成局部鹽分的聚集，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。

2.2 液塑限指標(biāo)分析

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

圖5 風(fēng)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(jìn)行界限含水率試驗(yàn)且根據(jù)塑性圖或塑性指數(shù)來(lái)分類，會(huì)造成較大誤差，甚至把土類弄錯(cuò)，因此建議馬尼拉灣海洋土應(yīng)采用新鮮樣進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)。

2.3 壓縮指標(biāo)分析

在壓縮試驗(yàn)圖表分析過(guò)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(diǎn)。

1）壓縮模量Es與固結(jié)壓力P的關(guān)系

圖6為壓縮模量Es與固結(jié)壓力P的關(guān)系曲線，從圖6可以看出：①當(dāng)P值增大時(shí)，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(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加強(qiáng)度，具有彈性變形特點(diǎn)。②當(dāng)P值增大時(shí)，上海試樣的Es值一直呈上升趨勢(shì)，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(jié)所決定，這種連結(jié)主要取決于土體的密度，具有塑性變形特點(diǎn)。③當(dāng)P值增大時(shí)，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(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的膠結(jié)和土顆粒之間的連結(jié)兩部分，故變化趨勢(shì)較復(fù)雜。

上述三個(gè)試樣均是力學(xué)性質(zhì)較好的灰綠色黏性土，三種壓縮模量Es與固結(jié)壓力P變化曲線均在以往的地基土測(cè)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(shí)Es值最低，孔隙比從初始e0=2.272至加壓3 200 kPa時(shí)仍大于1.150，相比上海試樣有難以壓密的特點(diǎn)。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(jié)物質(zhì)的復(fù)雜性。

圖6 壓縮模量Es與固結(jié)壓力P的關(guān)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(jié)壓力值，如ZK1-12-7黑灰色高液限黏土PC=950 kPa，超固結(jié)比大于7（圖7）。

馬尼拉灣海洋土在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史年代中受過(guò)較高的固結(jié)壓力，后來(lái)因地質(zhì)構(gòu)造等作用而卸荷，但根據(jù)現(xiàn)有區(qū)域構(gòu)造資料看，不可能有那么高的先期固結(jié)壓力。從灰綠色黏土隨固結(jié)壓力增加時(shí)壓縮模量Es值增大非常緩慢來(lái)看，該土是“具有天然膠結(jié)的靈敏黏土”。對(duì)具有天然膠結(jié)的黏土而言，一般PC值遠(yuǎn)大于其歷史真正承受過(guò)的最大固結(jié)壓力。實(shí)際上它相當(dāng)于沿著一維固結(jié)的有效應(yīng)力路徑加載時(shí)，試樣發(fā)生屈服時(shí)的最大主應(yīng)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(cè)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(guān)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(jì)的 50個(gè)試樣數(shù)據(jù)，約 70 %的CS/CC值在0.17～0.34之間。

表4 固結(jié)指標(biāo)對(duì)比

圖8 壓縮指數(shù)Cc值與天然含水率w相關(guān)曲線

圖9 回彈指數(shù)Cs值與壓縮指數(shù)Cc值相關(guān)曲線

2.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(qiáng)度卻很高，黏聚力在32～55 kPa之間，與上海的灰綠色土層相當(dāng)，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(jié)物質(zhì)的分布極不均勻有密切關(guān)系。

3 特殊工程地質(zhì)性質(zhì)成因分析

針對(duì)馬尼拉灣海洋土出現(xiàn)物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)相互矛盾的現(xiàn)象，土試人員進(jìn)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(jī)質(zhì)和游離氧化鐵的存在。本次測(cè)試有機(jī)質(zhì)含量大都在5 %以上，對(duì)土起到了一定的膠結(jié)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(xué)強(qiáng)度較高的工程性質(zhì)特點(diǎn)，此類研究文獻(xiàn)[11]很多，本文不做深入分析。

2）從土在風(fēng)干過(guò)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(guó)南海等地的海洋土，事實(shí)上通過(guò)對(duì)洋山港、湛江、馬尼拉灣三地的試樣溶液（土水比 1:20）進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，K馬尼拉灣=995＞K洋山港=405＞K湛江=275 us/cm，也證明了這個(gè)推斷。

3）我們?cè)跍y(cè)試區(qū)鄰近區(qū)域進(jìn)行砂源調(diào)查時(shí)，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(dá)40 %。本文中的Ⅳ2層灰綠色高液限黏土層兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都在15 %左右，是中國(guó)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(duì)前期固結(jié)壓力的確定有影響，即能形成“表觀先期固結(jié)壓力”[12]，這種土的最大特點(diǎn)是很難壓實(shí)，無(wú)法達(dá)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(yīng)力應(yīng)變曲線

4）馬尼拉灣海洋土的顏色特別復(fù)雜豐富，測(cè)試土樣包括了灰色、黑色、褐色、紫色、紅色、黃色、綠色等等，說(shuō)明土的化學(xué)成分和形成環(huán)境變化復(fù)雜。M.J. Defant等[13]認(rèn)為呂宋島弧巖石都是鈣堿性的，在堿性環(huán)境中進(jìn)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(jià)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(jī)質(zhì)都屬于土的膠結(jié)物質(zhì)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中對(duì)馬尼拉灣海洋土逐漸產(chǎn)生較強(qiáng)的附加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而決定了土的強(qiáng)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(biāo)與國(guó)內(nèi)陸地土的很大不同是由顆粒間的膠結(jié)作用差異所導(dǎo)致的。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)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(jìn)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(qiáng)度偏大的灰綠色土層的含水率、孔隙比比上海灰色淤泥質(zhì)土層還大。海洋土比重實(shí)測(cè)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(cè)試比重時(shí)，土樣不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間放置于空氣中，避免水分蒸發(fā)過(guò)程中鹽分隨著析出，造成局部鹽分的聚集，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Ⅳ2層灰綠色高液限黏土風(fēng)干失水后可塑性降低。海洋土較高的碳酸鹽含量導(dǎo)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(duì)前期固結(jié)壓力的確定有影響。繪制的Pc值大于其歷史上真正承受過(guò)的最大固結(jié)壓力。海洋土含有較多的有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵、碳酸鹽等水穩(wěn)性膠結(jié)物質(zhì)，造成了其含水率高，孔隙比大，而抗剪強(qiáng)度較大，壓縮性偏小的特性。由于膠結(jié)物質(zhì)的分布極不均勻，又導(dǎo)致地基土的不均勻性非常明顯。

建議馬尼拉灣海洋土應(yīng)采用新鮮樣本進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)。