舟山—岱山間西部海域第四紀海底沉積物物理力學指標統計分析

王振紅，潘永堅，潘國富，陳培雄

（1. 國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 浙江工程勘察院，浙江 寧波 315012）

舟山—岱山間西部海域第四紀海底沉積物物理力學指標統計分析

王振紅1，潘永堅2，潘國富1，陳培雄1

（1. 國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 浙江工程勘察院，浙江 寧波 315012）

根據工程地質鉆探資料，對舟山—岱山島間西部海域第四紀沉積物的物理力學指標進行統計分析，發現本海區第四紀海底土具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、抗剪強度低等特征。統計表明，物理指標之間、力學指標和物理指標之間因參數的不同，相關性和變異性具有明顯的不同，且隨著地層深度的變化，物理力學指標的變異系數變化較明顯。物理指標和力學指標的回歸方程表明，各力學指標與不同的物理指標之間具有較好的線性相關性。

物理力學性質；第四紀沉積物；相關性；變異系數；回歸方程

隨著我國經濟建設的加速發展，開發和利用海洋成為我國經濟建設領域的重要內容。對海洋的開發利用和海上工程的建設是以海底土為依托的，而常見的大部分海洋工程特別是海底管線等淺基礎工程是以第四紀海底土為基礎的，查明第四紀海底土的物理力學性質對海洋工程建設是必不可少的前期工作。

巖土工程研究中，既要做定性分析，也要做定量分析，統計分析是巖土研究中重要的定量分析方法，其中，相關分析、變異系數分析和回歸分析是常用的統計分析方法[1]。通過這些定量分析方法，能夠對巖土體的物理力學性質進行分析，為工程建設服務。

舟山作為我國重要的港口城市和各種海洋設施的集中地，在浙江海洋開發和建設中具有重要的地位。20世紀80年代以來，一些學者對舟山群島海域進行了大量的調查研究工作，取得了大量有價值的成果[2-5]，但是對于本海域海底沉積物的物理力學性質研究卻相對較少。本文主要依據舟山－岱山島間西部海域進行的 8個孔的工程地質鉆探資料（圖1），對本區海底沉積物的物理力學性質進行統計，并對物理力學指標進行了相關性、變異性以及回歸性分析，以期為本區以后的海洋工程建設中沉積物的經驗性定量關系提供參考。

1 研究區所屬海域概況

研究區位于舟山本島與岱山島之間的西部海域（圖1）。在地質構造上位于華南褶皺系浙東南褶皺帶的東北部，長期的地殼活動中，北東向、北北東向斷裂較發育，北西向、北北西向、南北向和東西向斷裂亦有發育。海域周圍島嶼眾多，水下沖蝕溝槽較發育，水深最大達70 m，水下地形坡度最大達35°。潮流以往復流為特征，漲潮流向西或向北，落潮流向東或向南，漲潮流速略大于落潮流速[6]。

圖 1 研究區位置及鉆孔站位Fig. 1 Location of the study area and borehole stations

2 分析方法

研究區海底第四紀沉積物主要為淤泥質土和亞粘土，根據研究區內第四紀沉積物的成因類型、空間分布發育規律以及物理力學性質等工程地質特征，將第四紀地層從上到下分為3大層，其中第2大層又分為2亞層。對本海域第四紀沉積物的物理性質分析主要從含水量（W）、天然密度（ρ）、孔隙比（e）、液限（WL）、塑性指數（IP）進行，力學性質主要考慮壓縮系數（a0.1-0.2）、壓縮模量（Es）、固結快剪（c、ψ）等參數進行分析。

運用相關性分析、變異性分析和線性回歸分析方法，計算了研究區第四紀沉積物物理力學指標間的變異系數和相關系數，確定了各指標間的最佳回歸方程。物理指標以及物理指標與力學指標間的相關性分析均采用線性關系模型。

3 研究區海底第四紀沉積物物理力學性質

3.1 沉積物物理力學指標

根據對研究區內第四紀沉積物物理力學性質的統計，得出各層沉積物的物理力學指標，結果見表1。

由表1的統計結果可以看出，本海域第四紀海底沉積物物理力學性質具有以下特點：

含水量范圍介于20%～63%。表層含水量較高，其范圍為39.5%～63.3%，平均為46.1%，向下隨著埋深增大含水量逐漸降低，全新世早期形成的亞粘土，含水量范圍為 22.2%～48.6%，平均含水量為35.4%。

天然密度在Ⅰ層、Ⅱ1層、Ⅱ2層變化較小，Ⅲ層較上部地層變化稍大，總體上沉積物的天然密度隨地層深度的增加有細微增大。

本區海底表層沉積物的孔隙比較大，均大于1，隨著地層深度增大，孔隙比變小，但平均值均在 1以上，說明本區第四紀海底沉積物孔隙比高，密實度較差。

液限介于24%～52%之間，平均值在36%左右，本區第四紀沉積物的液限平均值隨埋深的變化較小，Ⅱ1層較上下地層稍大，平均為 39.9%，其上部和下部地層液限基本一致。

塑性指數介于11%～20%，部分大于20%，從上到下平均值分別為15.7%、17.3%，15.8%、15.6%。與液限相對應，塑性指數平均值Ⅱ1層較上下地層稍大，其上部和下部地層平均值變化較小。

壓縮系數平均值大于0.5 MPa-1，壓縮模量平均值小于4 MPa，表明本區第四紀海底沉積物具有高壓縮性的特點，并且隨地層深度的增大，壓縮性逐漸降低。

固結快剪強度指標 c、ψ值較小，表層平均分別為17.1 kPa、9.1°，隨地層埋深增大，其值逐漸增大，但變化較小。表明本區第四紀海底沉積物的強度較低，在重力、波浪力等外力作用下易受到破壞。

表 1 研究區全新世海底沉積物的物理力學性質指標統計表Tab. 1 Physical and mechanical properties of quaternary marine sediments in the study area

3.2 相關性分析

相關分析是研究變量之間密切程度的一種統計方法，用相關系數表示。相關系數是對變量之間關系密切程度的度量指標。

本文根據物理力學指標，分別對各物理指標之間、物理指標與力學指標之間的相關性進行分析。物理指標選取含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數，分析其相關性。力學指標選取壓縮系數、壓縮模量、固結快剪c值、ψ值與物理指標中的含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數之間進行相關性分析。

（1）物理指標相關性分析

表2為兩個物理指標之間的相關性分析結果。由表2可知，含水量與孔隙比高度相關，相關系數大于 0.8，而與天然密度、液限、塑性指數為中度相關，相關系數絕對值大于0.5小于0.8。天然密度與孔隙比具有較好的相關性，與液限、塑性指數的相關性為中度相關。孔隙比與液限、塑性指數的相關性為中度相關。液限與塑性指數相關性較好。此外，從表中還可以看出，含水量與天然密度、天然密度與孔隙比、液限、塑性指數之間呈負相關，這說明隨著含水量的增加，天然密度是降低的，隨著天然密度的增大，孔隙比、液限、塑性指數逐漸降低。

表 2 物理指標之間的相關性Tab. 2 The correlation between the physical indexes

（2）物理指標與力學指標相關性分析

表3給出了物理指標與力學指標之間的相關性分析結果。

表 3 物理指標與力學指標之間的相關性Tab. 3 The correlation between the physical and mechanical indexes

由表3可知，本區第四紀海底沉積物力學指標與不同的物理指標之間的相關性具有一定的差異，力學指標總體上與含水量、天然密度、孔隙比相關性較好，與液限、塑性指數相關性較差。壓縮系數與孔隙比的相關性最好，與含水量、天然密度相關性為中度相關，與液限、塑性指數相關性低；壓縮模量與天然密度相關性最好，與含水量、孔隙比相關性為中度相關，與液限、塑性指數相關性較低；固結快剪c值與含水量、天然密度、孔隙比相關性為中度相關，與液限、塑性指數相關性較低；固結快剪ψ值與含水量、天然密度、孔隙比相關性為中度相關，與液限、塑性指數相關性較低。從中可以看出，對于不同的物理指標，對力學指標的影響是不同的。

3.3 變異性分析

變異系數又稱為標準差率，是標準差與平均值的比值，是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統計量，是一組數據變異程度的指標，反映了單位均值上的離散程度。

根據已收集的鉆孔試驗資料，對舟山－岱山海域第四紀沉積物根據分層進行了物理力學指標的變異性分析，結果如表4。

表 4 各層土的物理力學指標變異性Tab. 4 Variability of physical and mechanical indices

由表4分析可知，舟山—岱山海域第四紀沉積物的變異性具有以下特點：

物理指標的變異系數較力學指標的變異系數低，說明物理指標的數據比較集中，變化范圍小，力學指標的數據較分散，變化范圍大，這與以往的研究相吻合[7]。在物理指標中，天然密度的變異系數最小，塑性指數的變異系數較大。天然密度變化范圍小是變異系數小的原因。

從地層差異上看，Ⅰ層的物理力學指標變異系數最小，Ⅲ層的物理力學指標變異系數最大，即隨著地層深度的加大，物理力學指標的變異系數逐漸變大。分析這種差異的原因，可能有二：其一，與各土層的固結程度有關，表層沉積物由于沉積時代較晚，上部環境相同，因此物理力學指標較集中，隨地層深度的增加，整個研究區內的地層固結差異變大，物理力學指標分散，從而造成隨地層深度的增加，物理力學指標的變異系數逐漸變大；其二，可能與土體的應力釋放有關，上部土層由于沉積時代晚，應力小，在取樣和測試過程中，應力釋放變化小，下部土體沉積時代較久，應力大，在取樣和測試過程中，土體應力釋放變化大，造成測試結果的變異性偏大。

3.4 回歸分析

在工程地質研究中，土體的力學指標不容易直接獲得，物理指標在樣品保存得當的情況下，都容易直接獲得。所以，二者之間存在何種關系對于通過物理指標獲得力學指標具有重要的意義。

海底沉積物的力學性質與其物理性質密切相關，不同物理性質的沉積物的力學性質具有差異性。對沉積物的力學性質影響較大的物理指標主要有以下幾個：含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數等。含水量決定著土體的強度，天然密度綜合反映了土的物質組成及其結構特征，孔隙比反映了土體的密實程度，液限與土的很多性質相關，且與土體的力學性質也有一定的相關性，塑性指數是粘土的最基本、最重要的物理指標之一，綜合反映了土的物質組成[8,9]。

本文沉積物力學性質選取壓縮系數、壓縮模量、固結快剪強度c值、ψ值，將物理指標參數引入回歸方程，通過回歸分析將對土體影響顯著的自變量選出，并將影響不顯著的剔除，形成最佳回歸方程。表5給出了沉積物力學指標的回歸方程。

表 5 回歸分析結果Tab. 5 Results of regression analysis

由表5可知，舟山—岱山海域第四紀沉積物的力學指標和物理指標之間具有很好的線性相關性。回歸方程表明：壓縮系數與孔隙比密切相關，壓縮模量與天然密度密切相關，固結快剪c值與天然密度密切相關，ψ值與天然密度密切相關。即壓縮系數受孔隙比的影響較大，壓縮模量、固結快剪c值、ψ值受天然密度的影響較大。

4 結 論

通過以上分析，可得出如下結論：

（1）舟山—岱山海域第四紀沉積物具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性的特點。平均含水量接近或大于液限值，平均孔隙比均大于 1，平均壓縮系數大于0.6 MPa-1，固結快剪c、ψ值較小。且隨著地層深度的增加，含水量、孔隙比、壓縮系數逐漸降低，天然密度、壓縮模量、固結快剪參數逐漸增大。

（2）舟山—岱山海域第四紀沉積物物理指標之間、物理指標和力學指標之間具有一定的相關性。各物理指標相關性較好，力學指標與物理指標中的含水量、天然密度、含水量相關性較好，與液限、塑性指數相關性差。

（3）舟山—岱山海域第四紀沉積物物理指標與力學指標的變異性具有一定的差異，物理指標的變異系數要小于力學指標的變異系數。隨著地層埋深增大，沉積物的變異系數逐漸增大。

（4）舟山—岱山海域第四紀沉積物的力學指標與物理指標之間具有一定的線性關系。壓縮系數與孔隙比關系密切，壓縮模量、固結快剪c值、ψ值與天然密度關系密切。

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Statistic analysis of physical and mechanical indices of quaternary marine sediments in the western sea area between Zhoushan and Daishan Island

WANG Zhen-hong1, PAN Yong-jian2, PAN Guo-fu1, CHEN Pei-xiong1

(1. Key of Laboratory of Engineering Oceanography, Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China；
2. Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo 315012, China)

According to the engineering geologic borehole data in the western sea area between Zhoushan Island and Daishan Island, the physical and mechanical indices of quaternary sediments are analyzed. The quaternary sediments are characterized by high water content, high void ratio, high compressibility and low shear strength. It is found that there are some differences of correlations and variability because of the difference of indices, and with the change of the depth, there is significant change between these indices. Regression equation shows that there is a good linear correlation between physical and mechanical indices.

physical and mechanical properties; quaternary sediment; correlation; coefficients of variation; regression equation

P736.211

A

1001-6932(2011)05-0557-05

2010-08-27；

2011-05-02

浙江省自然科學基金（Y5100027，Y5100402）；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項資助（JT0803）。

王振紅（1985－），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：海洋工程地質。電子郵箱：wangzh2104122@163.com。