渤海渤中區塊土粒比重與液限的關系

賈巍

(中海油服物探事業部工程勘察中心,天津 300451)

渤海渤中區塊土粒比重與液限的關系

賈巍

(中海油服物探事業部工程勘察中心,天津 300451)

土粒比重為重要的物性指標,本文用大量的海洋淺層土質的土粒比重數據,通過線性回歸分析土粒比重與液限的關系,給出了渤中區塊土粒比重與液限的擬合最佳統計公式。并與美國南部墨西哥灣的經驗公式在某一海域工程場地的測試結果進行對比分析,結果表明：本文所建立的統計公式對渤海地區的土粒比重計算準確性明顯好于墨西哥灣的經驗公式。所推薦的渤中區塊的統計公式,可供以后的海洋工程所使用。

渤海 淺層土 土粒比重 液限 關系分析

土是由固體顆粒、水和氣體三部分所組成的三相體系。固體部分，一般由礦物質所組成，有時含有有機質(半腐爛和全腐爛的植物質和動物殘骸等)。這一部分，構成了土的骨架，成為土骨架。土骨架間布滿相互貫通的孔隙。這些孔隙有時完全被水充滿，稱為飽和土;有時一部分被水占據，另一部分被氣體占據，稱為非飽和土;有時也可能完全充滿氣體，就稱為干土[1]。水和溶解于水的物質構成土的液體部分。空氣及其他一些氣體構成土的氣體部分。這三種組成部分本身的性質以及他們之間的比例關系和相互作用決定土的物理力學性質。

圖1 土粒比重與液限的關系

表1 渤中區塊表層土物理力學性指標

表2 墨西哥灣經驗公式與推測公式預測比重的對比分析

有關研究[2]表明比重(GS)、液限(WL)兩個指標均和土的礦物成分有關，而礦物成分與土層的沉積環境和沉積方式有關。渤中區塊的正常淺海沉積區以陸相(下層)和海相(上層)的雙層沉積相結構為特征：其上層為全新世以來的淺海相沉積，以軟的粉質粘土呈席狀覆蓋于末次冰期陸相沉積之上，本層的厚度比較穩定，變化于4.4～6.6m之間一般厚度為5.5m左右，同下層為不整合面接觸;下層為晚更新時末期河流相沉積，沉積物以砂性土為主，其中夾有薄層粘土，故其礦物成分有一定的一致性，因此利用土的液限推求土粒比重具有可行性[3]。

1 土粒比重值的定義及應用

1.1 土粒比重的定義

土粒比重是指土粒的質量與同體積純蒸餾水在4℃時的質量之比，即

式中，ms——固體顆粒質量;

Vs——固體顆粒體積;

ρs——土粒的密度，即單位體積土粒的比重;

ρw4℃——4℃時純蒸餾水的密度;

Gs——土粒比重。

天然土顆粒是由不同的礦物所組成，這些礦物的比重各不相同。實驗測定的是土粒的平均比重。

1.2 土粒比重的應用

土粒比重用于土的物理性質間接指標的計算，土的孔隙比e，孔隙率n，干密度ρd，飽和密度ρsat，浮密度ρ＇ 和飽和度Sr無法由實驗直接測定，一般通過式(2)～(7)計算得到，他們稱為土的物理性質的六大間接指標。三大直接指標和六大間接指標，不僅可以描述土的物理性質和它所處的狀態，還在一定程度上反映了土的力學性質。

就目前而言，工程界普遍認為土粒的比重值變化不大，一般粘性土為2.70～2.75，砂性土為2.65左右。

1.3 渤中區塊表層土質特性

渤中區塊的表層土為全新世沉積的粘性土，土層厚度分布較均勻。表1列出本區的分布特征及物理力學指標。

2 土粒比重與液限的關系統計與分析

2.1 實驗數據研究

現有的研究資料表明，土粒比重與土的液限的關系可以用線性函數關系表示。美國南部墨西哥灣的統計公式如下：

對于粘性土，Gs可由下面的公式計算出：

式中：LL=液限，%

本文通過19個鉆孔52組數據進行分析，分析的相對關系見圖1。

利用Excel軟件，將渤中區塊表層土的比重和液限的關系繪制成散點圖，通過添加趨勢線擬合出回歸曲線為：

2.2 工程檢驗

因某一項目離渤中區塊較近，同屬于全新世淺海相沉積，故本文選取這個項目的鉆孔，采用美國南部墨西哥灣的經驗公式以及本文給出的土粒比重統計公式進行土粒比重預測，并計算了相對誤差，以此來驗證本文所給出的比重統計公式的預測精度，具體結果如表2所示。

由表2可知：本文所推薦的統計公式計算的土粒比重相對誤差小于0.7%，最小誤差為0.1%，而美國南部墨西哥灣的經驗公式所計算的比重大部分數據誤差超過0.8%，其中最大為1.4%。分析表明，本文所提出的統計公式在預測渤海渤中區塊的淺層土土粒比重較好，計算結果相對可靠，可應用于實際工程。

海洋工程地質研究主要為平臺打樁、鉆井船插樁及管道鋪設服務，其中土粒比重主要用于計算孔隙比(e)，進而計算壓縮系數(a)等

其他壓縮性指標。現分析Gs的誤差帶來的影響[4]：

式中，w——含水率;ρ——土粒的密度;

ρd——土粒的干密度;

e——土粒的孔隙比。

而因孔隙比與比重呈線性關系，故孔隙比的誤差范圍為0.1%～0.7%。渤中區塊淺層土的孔隙比大約為1.01～1.18。

3 結語

海洋工程地質土中試驗中，表層土比重實驗主要應用于管道鋪設工程，粘性土如果粒狀土含量較少的話一般只做液塑限實驗，而工程項目要求的比重數據是單獨做的，由于土粒比重實驗在土的物性指標試驗中較為繁瑣，本文用工程中常用的統計方法，得到了渤中區塊表層粘性土的土粒比重與液限的關系，給出了經驗公式，經過某一項目的實際對比，滿足了工程設計的要求。

[1]陳仲頤,周景星,王洪瑾等.土力學[M].北京：清華大學出版社,1992：16-18.

[2]趙乃茹.邯鄲市區地基土的液限與土粒比重關系的研究[J].邯鄲：河北建筑科技學院學報,1998：58-61.

[3]李玉瑛,毛鳳軍等.渤海南部油氣開發區淺層工程地質特性及其與沉積相的關系[J].青島：海洋科學,1998：23-37.

[4]彭玉林,龔愛民,張慧穎,等.土粒比重值的影響因素分析[J].云南：云南農業大學學報,2006：42-46.

The specific gravity is an important index of soil. Based on the tested data of specific gravity of shallow soils from lots of offshore boreholes,the regression equations of specific gravity and liquid limit are established. The specific gravity with recommended equations are compared with experiential equations of Gulf of Mexico in a certain borehole. It is indicated that the fitting accuracy of recommended equations is better than that of formula in design code.Therefore, the recommended regression equations of specific gravity and liquid limit can be used for offshore sites investigation, whose specific gravity were not tested.

Bohai gulf Shallow soils Specific gravity Liquid limit Relationship

賈巍(1987—),男,湖北荊州人,本科,助理工程師,主要從事對于海底土層工程的地質性質調查和研究工作。