深海沉積物的靜力特性研究

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）20-0060-05

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.20.013

Abstract：Toaddressthecomplex stratigraphicconditionsandunknownstrength characteristicsofdeep-seasediments inthe areaoftheSamarIsland-DavaoCrossingBridgeinthePhilippines，thestaticpropertiesofdeep-seasedimentswereinvestigated through in-situ soil direct shear tests to obtain the cohesive force c and internal friction angle Ψ of soils in different strata，and theresults showed that： the internal friction angle of the pulverized clay soil was 18^° ，with a cohesive force of 138.1 kPa，the cohesionofthesandysoilwasnotobvious，andtheinternalfrictionanglewasconcentratedat29.9°＼～31.7°，andtheinternal friction angle of gravelly sand specimensreached 44.7^° . concentrated in 29.9o＼～31.7°，and the internal friction angle of gravelintercalated sand specimen reached 44.7^° .For soils with high cohesion such as clay，cohesion occupies an important position in shearstrengthForsoilswithlargerpartclesandlowercohesion，suchassandysoils，theangleofinteralfrictionisthemain factorindeterminingtheshearstrength.Theresultsofthestudycanprovideaparametricbasisforthesubsequentsimulationof the dynamic response of bridge pile foundation.

Keywords：direct shear test； shear strength；cohesion; internal friction angle; deep-sea sediments

薩瑪爾島-達(dá)沃跨海橋梁項(xiàng)目位于菲律賓群島，這一地區(qū)恰好位于歐亞板塊與菲律賓海板塊的交匯處，是全球地質(zhì)構(gòu)造最為復(fù)雜且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域之一。由于其獨(dú)特的地理位置，菲律賓群島常常受到地震、火山活動(dòng)及其他自然災(zāi)害的影響，這為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。薩瑪爾島-達(dá)沃跨海橋梁的橋址，地層條件尤為復(fù)雜，該海峽的水深可達(dá)40m ，海底覆蓋著平均厚度為 20m 的沉積物，這些沉積物主要由中等密度的砂層與硬質(zhì)黏土層交替重疊而成，同時(shí)夾雜著珊瑚礁碎片，形成了一個(gè)多變且不穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境。因此，該區(qū)域沉積物的抗剪強(qiáng)度對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響著橋梁的穩(wěn)定性和安全性。

在土的抗剪強(qiáng)度測(cè)試方面，主要可以分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)測(cè)試兩大類。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法通常包括原位十字板剪切試驗(yàn)等，這種方法能夠在自然狀態(tài)下直接測(cè)量土體的抗剪強(qiáng)度，從而提供更為真實(shí)的土體強(qiáng)度數(shù)據(jù)。而室內(nèi)測(cè)試方法則包括多種形式，主要有直剪試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)等。其中，直剪試驗(yàn)因其操作簡(jiǎn)便、時(shí)間短、效率高及成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為工程建設(shè)中最常用的抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法。通過對(duì)土樣施加剪切力，直剪試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y(cè)量其抗剪強(qiáng)度，快速獲得土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力等重要參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)。

在相關(guān)研究中，崔喜友等通過對(duì)花崗巖殘積土的原狀土進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探討了粵西北地區(qū)花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度特性。查旭東等則采用室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，研究了不同含水率和壓實(shí)度組合狀態(tài)下非飽和試樣抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。郭鵬斐等凹開展了快剪、固結(jié)快剪以及慢剪試驗(yàn)，分析了不同直剪試驗(yàn)方法下輕量土抗剪強(qiáng)度的差異性。高青等8對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型粗粒土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力曲線，得到不同結(jié)構(gòu)類型粗粒土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。然而，當(dāng)前對(duì)深海沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的探索相對(duì)較少。魏定邦等通過現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)和取樣分析成果進(jìn)行回歸分析，從而獲得了深海沉積物物化參數(shù)與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。孫安元等[則通過重塑試樣的靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，探討了溫升作用對(duì)深海黏土沉積物不排水抗剪強(qiáng)度的影響。此外，吳鴻云等通過十字板剪切試驗(yàn)和淺層靜力觸探試驗(yàn)，研究了西礦區(qū)抗剪強(qiáng)度與取樣深度之間的相關(guān)性。

因此本文針對(duì)菲律賓薩瑪爾島-達(dá)沃跨海橋梁區(qū)域地層條件復(fù)雜、深海沉積物強(qiáng)度特性未知的問題，計(jì)劃通過對(duì)研究區(qū)域鉆孔取樣得到的原狀土開展快剪試驗(yàn)，探究該區(qū)域深海沉積物的抗剪強(qiáng)度靜力特性。研究將為后續(xù)橋梁樁基的動(dòng)力響應(yīng)模擬提供重要的參數(shù)依據(jù)，確保橋梁的設(shè)計(jì)和施工能夠在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全與穩(wěn)定

1試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的土樣來源于菲律賓薩瑪爾島-達(dá)沃跨海大橋橋址，該區(qū)域具有復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)，主要由中密砂層和硬質(zhì)黏土層交替組成，并含有珊瑚礁碎片。此外，取樣區(qū)域的地表主要由薩馬礁石灰?guī)r覆蓋，薩馬爾島的礁石灰?guī)r特征為多孔且壓實(shí)不良，這進(jìn)一步增加了地層的復(fù)雜性。

在土樣的取樣過程中，樣品是通過項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐你@孔進(jìn)行采集并進(jìn)行封裝。然而，由于地質(zhì)條件的影響，部分土樣出現(xiàn)了擾動(dòng)現(xiàn)象，例如破裂、銹蝕等。此外，一些土樣中還發(fā)現(xiàn)了大尺寸的珊瑚、貝殼等海生物殘骸，如圖1所示，這些因素可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)盡量選取那些完整且未受到擾動(dòng)的試樣，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

試驗(yàn)土體取樣來源為3個(gè)典型鉆孔不同埋深的5份土樣（BH-DIR2-2-1_50 m，BH-DIR2-2-1_12 m，BH-NB ，試樣包含砂混膠結(jié)塊、砂混珊瑚礁、礫石夾雜砂、粉土質(zhì)砂和粉質(zhì)黏土，土樣信息見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)方法選擇

本次試驗(yàn)采用直接剪切試驗(yàn)，分析土樣在不同垂直壓力作用下的抗剪強(qiáng)度特性。直接剪切試驗(yàn)是研究土體抗剪強(qiáng)度特性的經(jīng)典試驗(yàn)方法之一，其主要方法包括快剪試驗(yàn)（Q）固結(jié)快剪試驗(yàn)（CQ）和慢剪試驗(yàn)（S）。根據(jù)CB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求，快剪試驗(yàn)適用于排水性能較好的土樣，能夠快速施加剪切力并在短時(shí)間內(nèi)測(cè)定土樣的剪切破壞特性。本次試驗(yàn)土樣為弱黏性土或非黏性土，具有良好的排水性能，快剪試驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確反映此類土樣在快速加載情況下的抗剪強(qiáng)度特性，因此選擇快剪試驗(yàn)（Q）作為試驗(yàn)方法。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用了ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，如圖2所示。這種先進(jìn)的儀器設(shè)計(jì)旨在提供高精度的土體抗剪強(qiáng)度測(cè)試。ZJ型直剪儀能夠在固定的垂直壓力條件下，以恒定的剪切速率施加水平剪切力，直至土樣發(fā)生剪切破壞。通過這種方式，儀器可以有效地模擬土體在實(shí)際工程中所承受的剪切應(yīng)力狀態(tài)，從而獲取更為準(zhǔn)確和可靠的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1.2.3 試驗(yàn)荷重設(shè)計(jì)

本次直剪試驗(yàn)每組試驗(yàn)取4塊試樣，以確保結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。這些試樣將分別施加不同的垂直壓力，以模擬土體在實(shí)際工程中所承受的不同應(yīng)力狀態(tài)。為了科學(xué)合理地確定施加的垂直壓力，綜合考慮了土體自重所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)置的垂直壓力級(jí)別為100、200、300和 400kPa ，各級(jí)垂直壓力之間的差值保持一致，均設(shè)定為 100kPa 。這種分級(jí)設(shè)置不僅可以有效地反映土體在不同負(fù)荷下的抗剪強(qiáng)度特性，還能為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供清晰的對(duì)比基礎(chǔ)。

1.3 試樣制作

本次試驗(yàn)的試樣為原狀土試樣（圖3），制樣過程盡量保證土樣未經(jīng)擾動(dòng)[13]，選取滲透系數(shù)小于 1× 10^-6cm/s 的細(xì)粒土。試樣制作流程如下：

1）在制備試樣之前，首先需要確保土樣的完整性和真實(shí)性。將土樣放置在穩(wěn)定的工作臺(tái)上，用小刀或剪刀輕輕切開其外層包裝，避免用力過猛以防損壞原狀土的自然結(jié)構(gòu)。

2）打開包裝后觀察土樣的天然層理方向，尤其對(duì)于具有明顯層狀結(jié)構(gòu)的土體（如沉積性土樣），必須明確其頂部和底部的方向，把土樣放在托盤里。

3）使用切土刀或鋒利的小刀，將土樣的兩端修整至平整狀態(tài)。修整過程中，動(dòng)作要平穩(wěn)，盡量減少對(duì)土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

4）在切土的過程中，應(yīng)確保切割方向與天然層次保持垂直。選擇一個(gè)尺寸為 61.8mm×20mm 的環(huán)刀，并在其在環(huán)的內(nèi)壁涂抹一層均勻的凡士林，起到潤(rùn)滑作用，減少環(huán)刀插入土樣時(shí)的摩擦力和擾動(dòng)。將環(huán)刀刃口朝下放置在土樣表面，確保環(huán)刀的方向與天然層理垂直。以均勻的力度向下壓環(huán)刀，同時(shí)輕輕旋轉(zhuǎn)環(huán)刀以便切入土樣，避免環(huán)刀在插入過程中發(fā)生傾斜。持續(xù)壓入環(huán)刀，直到土樣填滿環(huán)刀并稍微超出環(huán)刀邊緣為止。

5）使用削土刀輕輕修整環(huán)刀兩端突出部分的土樣，使其與環(huán)刀邊緣齊平，將修整后的土樣連同環(huán)刀一起用蠟紙包裹，確保蠟紙完全覆蓋土樣表面，起到保護(hù)作用，防止水分蒸發(fā)或土樣表面受損。

1.4 試驗(yàn)步驟

1）切取試樣：根據(jù)試樣制作步驟，每組切取4個(gè)試樣，確保試樣形狀規(guī)整、尺寸符合要求（ 61.8mm× 20mm ）。

2）安裝試樣：如圖4所示，將土樣放入剪切盒，在試樣的上下表面分別放置透水石，確保透水石與試樣緊密貼合，同時(shí)為防止試樣與透水石之間直接接觸，需在土樣與透水石之間夾上一層隔水蠟紙，以減少水分的不必要流失4，將試樣和透水石組裝完畢后，小心插入銷釘以固定試樣。

3）施加垂直壓力：設(shè)備通電，旋轉(zhuǎn)手輪，將測(cè)力計(jì)的系數(shù)調(diào)整到顯示為‘ ，以保證力值讀數(shù)的準(zhǔn)確性（測(cè)力計(jì)提前轉(zhuǎn)動(dòng)校準(zhǔn)），隨后根據(jù)試驗(yàn)要求施加預(yù)定的垂直壓力（如100、200、300和 400kPa ）。在施加壓力時(shí)，觀察試樣的受力狀態(tài)，確保垂直加載均勻且無明顯偏移。

4）進(jìn)行剪切試樣：先卸下銷釘，觀察測(cè)力計(jì)系數(shù)是否為0（不為0則需要再次手動(dòng)校準(zhǔn)），將手輪調(diào)到前進(jìn)檔，保持 4～6r/min 的速度，持續(xù)剪切。在此過程中掐好秒表，記錄每圈測(cè)力計(jì)的數(shù)值。試樣宜在 5min 內(nèi)剪壞，此時(shí)測(cè)力計(jì)度數(shù)停止或者倒退，則說明試樣已經(jīng)被剪壞；如果測(cè)力計(jì)度數(shù)還在增加，則應(yīng)該繼續(xù)剪切，直到試樣的剪切變形達(dá)到 6mm 或者試樣被剪壞。此時(shí)記錄測(cè)力計(jì)數(shù)值。

5）拆卸試樣：將手輪調(diào)至倒檔，騰出空間后取下秤坨，去除剪切盒并小心地倒出試樣，清除盒中的水。

需要注意的是，試驗(yàn)開始前需要先確保試樣正確安裝后，再安裝并校準(zhǔn)量表。剪壞后的試樣如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試樣的剪應(yīng)力按照下式計(jì)算

式中： τ 為剪應(yīng)力 （kPa）;C 為測(cè)力計(jì)系數(shù)（ N/0.01mm ;

R 為測(cè)力計(jì)讀數(shù)（ （0.01mm ）； A₀ 為試樣面積（ （cm² ）。

在快剪試驗(yàn)完成后，需要從記錄數(shù)據(jù)中分析試樣的抗剪強(qiáng)度。具體步驟如下：

步驟一，在記錄的剪切力數(shù)據(jù)中，選擇剪應(yīng)力的峰值點(diǎn)（即最大值）或穩(wěn)定值（即當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后不再顯著變化的數(shù)值）作為試樣的抗剪強(qiáng)度。將此抗剪強(qiáng)度與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力相匹配，從而確定該垂直應(yīng)力下試樣的剪應(yīng)力值。

步驟二，根據(jù)上述公式，對(duì)每個(gè)試樣在不同垂直應(yīng)力條件下的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得出其抗剪強(qiáng)度值。

步驟三，將每組試樣的抗剪強(qiáng)度值與對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力值以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式繪制在坐標(biāo)系中。對(duì)繪制在圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到一條近似通過所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線。直線的傾斜角度表示土體的內(nèi)摩擦角 φ 直線在 y 軸的截距表示土體的黏聚力 。

試驗(yàn)結(jié)果見表2與圖 6 如圖6所示，隨著所施加的垂直壓力增大，土體的抗剪強(qiáng)度大致呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角為 18^° ，黏聚力受較大，為138.1kPa ;砂土的內(nèi)摩擦角集中在 29.9^°～31.7^° ，而礫石夾雜砂試樣的內(nèi)摩擦角達(dá)到了 44.7^° ，這一較高的內(nèi)摩擦角可能與試樣中含有粒徑大于 3mm 的礫石有關(guān)。礫石的存在增強(qiáng)了土體顆粒之間的相互摩擦，提升了整體抗剪強(qiáng)度。分析粉質(zhì)黏土與砂土抗剪強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生差異的原因可能是砂土主要由較大顆粒組成，顆粒之間的接觸面較少，導(dǎo)致其黏聚力較低。相比于含有黏土成分的粉質(zhì)黏土，砂土的黏聚力通常不明顯，因此砂土的抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦角決定。

（b） BH-DIR2-2-1_12m

3結(jié)論

本文采用直剪試驗(yàn)對(duì)菲律賓薩瑪爾島-達(dá)沃跨海橋梁區(qū)域深海沉積物的不同深度土層進(jìn)行靜力特性測(cè)試，得到了各類型土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果，得到以下主要結(jié)論：

1）粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角為 18^°"，黏聚力高達(dá) 138.1kPa ，顯示出其良好的抗剪性能。砂土的內(nèi)摩擦 角集中在 29.9^°～31.7^°"之間，且黏聚力不明顯，礫石夾 雜砂的內(nèi)摩擦角較高，為 44.7^°"O

2）粉質(zhì)黏土與砂土在抗剪強(qiáng)度方面存在差異，粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力和內(nèi)摩擦角共同決定，而砂土的抗剪強(qiáng)度主要依賴于其內(nèi)摩擦角，其主要原因是砂土的顆粒較大，顆粒之間的接觸面較少，導(dǎo)致其黏聚力不明顯。

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅為菲律賓薩瑪爾島-達(dá)沃跨海橋梁區(qū)域的土體特性提供了重要數(shù)據(jù)支持，也為未來的工程設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)依據(jù)。

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