菲律宾马尼拉湾海洋土物理力学性质分析

陶旭光，荣艳丽，刘 冰

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

引 言

菲律宾等东南亚国家及我国南海地区海域勘探钻取的土样由于长期处在含有大量盐分的海水中，受海进、海退、海流、古气候和陆源物质来源不同等影响，出现含水率高、孔隙比大，但力学强度较高，即存在物理指标和力学参数相互矛盾的现象，与陆地土和东海近岸海洋土大不相同，如何评价它们的物理力学性质、解释产生特殊工程性质的原因，是岩土工程勘察需要解决的问题。

1 区域地质构造和工程地质分层

本文研究的海洋土取自菲律宾马尼拉湾，属于吕宋岛弧的巴丹段（中吕宋）西海岸，此区段有数量很大的活动火山，其中大多数火山活动发生在第四纪和晚上新世，最古老的熔岩喷发于晚中新世。主要岩石类型是安山岩，个别为玄武岩和流纹岩，覆盖层为第四系[7-8]。该海域水深4.0～13.0 m，勘探揭示的土层及工程地质分层如表1所示。位置及区域地质构造见图1。

表1 马尼拉湾某海域地层

图1 研究项目位置（★所示）及区域地质构造

2 物理力学指标测试、分析

本文样品的物理性指标测试及定名采用ASTM标准，力学性指标测试采用GB/T 50123-1999标准。

2.1 基本物理性质指标分析

表2 马尼拉湾Ⅱ1、Ⅳ2层基本物理性质指标

从表2看，马尼拉湾海洋土无论是淤泥质软土层还是力学指标较好的高液限黏土层都表现出含水率高、孔隙比大、密度小的物理性质。随机抽取洋山港、马尼拉湾、上海陆地钻孔（以黏性土土层为主）数据进行三大基本物理性质指标对比（图2、图3、图4），选择的三个钻孔土层均以黏性土为主，上部为软土层，下部出现不同厚度的灰绿色黏性土层。

1）天然含水率ω

图2 ω-h关系曲线对比

从图2可以看出：洋山港、上海陆地土的天然含水率均随深度有逐渐变小的趋势，但马尼拉湾海洋土变化趋势不明显且深度上下差异化较大。马尼拉湾发育的灰绿色高液限黏土层的天然含水率大于洋山港、上海陆地软土层的天然含水率。马尼拉湾海洋土的天然含水率测试值最大达 280.9 %。选取的钻孔中，马尼拉湾10.0 m、14.0 m、34.0 m处为高液限黏土夹砂层，上海14.0 m处为粉砂层。

2）天然密度ρ

图3 ρ-h关系曲线对比

从图2、图3可以看出：洋山港、马尼拉湾、上海陆地土的天然密度与天然含水率呈反比关系，含水率大密度较小，含水率小密度较大。马尼拉湾发育的灰绿色高液限黏土层的天然密度小于洋山港、上海陆地软土层的天然密度。马尼拉湾上部淤泥的天然密度测试值最小为1.15 g/cm3。

3）孔隙比e0

图4 e0-h关系曲线对比

从图4可以看出：洋山港、上海陆地土的天然孔隙比均随深度有逐渐变小的趋势，但马尼拉湾海洋土变化趋势不明显且深度上下差异化较大。马尼拉湾发育的灰绿色高液限黏土层的天然孔隙比大于洋山港、上海陆地软土层的天然孔隙比。马尼拉湾上部淤泥的天然孔隙比测试值最大为6.200。

4）比重Gs

土的比重定义是土粒的质量与同体积4℃纯水的质量之比。样品的比重测试标准采用ASTM D854-10，实测值在2.32～2.71之间，相比一般的陆地土比重值（2.68～2.76）偏小且变化范围大。这是海洋土的比重受到了含盐度和含水率两方面的影响，所以测试比重时，土样不应长时间放置于空气中，避免水分蒸发过程中盐分随着析出，造成局部盐分的聚集，影响试验结果的准确性[9]。

2.2 液塑限指标分析

试验过程中，我们发现Ⅳ2层灰绿色高液限黏土风干失水后颜色变化明显，粗颗粒团块处有白色盐分和不明针状矿物析出（图 5）。考虑土中的有机质、某些化学组成和部分结合水在风干（烘干）失水过程中发生不可逆的变化，会改变土粒间的连结，使土的物理力学性质发生变化。本文进行了Ⅳ2层烘干前后的液限、塑限对比试验。

图5 风干失水后表面有盐分和矿物析出

表3 烘干前后界限含水率变化

从表 3看出，Ⅳ2层灰绿色高液限黏土烘干后液限、塑限变小，土的可塑性降低。如果采用烘干土进行界限含水率试验且根据塑性图或塑性指数来分类，会造成较大误差，甚至把土类弄错，因此建议马尼拉湾海洋土应采用新鲜样进行界限含水率试验。

2.3 压缩指标分析

在压缩试验图表分析过程中发现Ⅳ2层灰绿色高液限黏土的性状与洋山港、上海陆地的灰绿色土层有较多不同点。

1）压缩模量Es与固结压力P的关系

图6为压缩模量Es与固结压力P的关系曲线，从图6可以看出：①当P值增大时，马尼拉湾海洋土试样的Es值上升，在P=PC（约500 kPa）值附近出现下降段，至800 kPa降至最低值，而后又重新上升。该试样抵抗变形的能力很大程度取决于土中胶结物质产生的结构附加强度，具有弹性变形特点。②当P值增大时，上海试样的Es值一直呈上升趋势，未出现下降区段，PC值约410 kPa。该试样抵抗变形的能力基本全由颗粒之间的连结所决定，这种连结主要取决于土体的密度，具有塑性变形特点。③当P值增大时，洋山港试样在0～200 kPa区段Es值出现“倒大”现象，即Es值下降，200 kPa处最小，继而上升，在P=PC（390 kPa）值附近出现下降后随即又重新上升。该试样抵抗变形的能力取决于胶结物质产生的胶结和土颗粒之间的连结两部分，故变化趋势较复杂。

上述三个试样均是力学性质较好的灰绿色黏性土，三种压缩模量Es与固结压力P变化曲线均在以往的地基土测试中出现。但马尼拉湾试样Es下降段的出现与洋山港、上海相比延后很多，同时Es值最低，孔隙比从初始e0=2.272至加压3 200 kPa时仍大于1.150，相比上海试样有难以压密的特点。出现这种不同性状，原因很可能在于马尼拉湾海洋土胶结物质的复杂性。

图6 压缩模量Es与固结压力P的关系曲线

2）PC、CC、CS值分析

马尼拉湾发育的灰绿、褐黄、黑灰色土层都具有较高的前期固结压力值，如ZK1-12-7黑灰色高液限黏土PC=950 kPa，超固结比大于7（图7）。

马尼拉湾海洋土在漫长的地质历史年代中受过较高的固结压力，后来因地质构造等作用而卸荷，但根据现有区域构造资料看，不可能有那么高的先期固结压力。从灰绿色黏土随固结压力增加时压缩模量Es值增大非常缓慢来看，该土是“具有天然胶结的灵敏黏土”。对具有天然胶结的黏土而言，一般PC值远大于其历史真正承受过的最大固结压力。实际上它相当于沿着一维固结的有效应力路径加载时，试样发生屈服时的最大主应力[10]。

图7 ZK1-12-7试样e-logP曲线

受含水率影响，Ⅳ2层灰绿色高液限黏土测得的CC、CS值均较大，如表4所示。海洋土同陆地土一样，压缩指数与天然含水率在数值上存在相近的关系（图8）；回弹指数和压缩指数的比值离散性较大（图9），其中统计的 50个试样数据，约 70 %的CS/CC值在0.17～0.34之间。

表4 固结指标对比

图8 压缩指数Cc值与天然含水率w相关曲线

图9 回弹指数Cs值与压缩指数Cc值相关曲线

2.4 抗剪强度指标分析

马尼拉湾Ⅳ2层灰绿色高液限黏土虽含水率较上海的淤泥质土层还高，孔隙比也在 1.5～2.2之间，但其抗剪强度却很高，黏聚力在32～55 kPa之间，与上海的灰绿色土层相当，甚至某些层位试样的内摩擦角异常大，一般在 14°～26°之间。这与马尼拉湾频繁多变的海洋沉积环境、火山作用以及胶结物质的分布极不均匀有密切关系。

3 特殊工程地质性质成因分析

针对马尼拉湾海洋土出现物理指标与力学指标相互矛盾的现象，土试人员进行了一系列的原因分析：

1）根据土暴露在空气中能迅速变为灰黄、褐黄色可判断有机质和游离氧化铁的存在。本次测试有机质含量大都在5 %以上，对土起到了一定的胶结作用；游离氧化铁的存在造成土具有含水率高，孔隙比大，但力学强度较高的工程性质特点，此类研究文献[11]很多，本文不做深入分析。

2）从土在风干过程中有明显的盐分析出，马尼拉湾海洋土含盐量高于洋山港、中国南海等地的海洋土，事实上通过对洋山港、湛江、马尼拉湾三地的试样溶液（土水比 1:20）进行电导率测试，K马尼拉湾=995＞K洋山港=405＞K湛江=275 us/cm，也证明了这个推断。

3）我们在测试区邻近区域进行砂源调查时，发现土的碳酸盐含量分布极不均匀，有些层位上是零而在另一些层位上可达40 %。本文中的Ⅳ2层灰绿色高液限黏土层两个测试点都在15 %左右，是中国南海海洋土的3倍以上。

碳酸盐含量高的土往往具有砂质黏土相似的压密性质并对前期固结压力的确定有影响，即能形成“表观先期固结压力”[12]，这种土的最大特点是很难压实，无法达到非碳酸盐土那样低的孔隙比，剪切破坏呈现出脆弱性（图10）。

图10 Ⅳ2层灰绿色土UU应力应变曲线

4）马尼拉湾海洋土的颜色特别复杂丰富，测试土样包括了灰色、黑色、褐色、紫色、红色、黄色、绿色等等，说明土的化学成分和形成环境变化复杂。M.J. Defant等[13]认为吕宋岛弧岩石都是钙碱性的，在碱性环境中进行腐殖质的累积也就出现了褐色土壤；此外，湿、热成土条件下，游离氧化铁的含量和价态变化造成红色、黄色、绿色土壤出现。

上述的游离氧化物、碳酸盐、氯盐、有机质都属于土的胶结物质，在漫长的地质年代中对马尼拉湾海洋土逐渐产生较强的附加结构强度，从而决定了土的强度和稳定性。综合分析判断，马尼拉湾海洋土的工程性质指标与国内陆地土的很大不同是由颗粒间的胶结作用差异所导致的。

4 结 语

对马尼拉湾海洋土的矿物成分、沉积环境及历史成因的分析工作，是勘察人员进行工程地质分层的定性和定量依据。

马尼拉湾海洋土具有含水率高、孔隙比大、密度小的物理性质，甚至剪切强度偏大的灰绿色土层的含水率、孔隙比比上海灰色淤泥质土层还大。海洋土比重实测值在 2.32～2.71之间，相比一般的陆地土比重值（2.68～2.76）偏小且变化范围大。测试比重时，土样不应长时间放置于空气中，避免水分蒸发过程中盐分随着析出，造成局部盐分的聚集，影响试验结果的准确性。Ⅳ2层灰绿色高液限黏土风干失水后可塑性降低。海洋土较高的碳酸盐含量导致Ⅳ2层灰绿色高液限黏土具有砂质黏土相似的压密性质，并对前期固结压力的确定有影响。绘制的Pc值大于其历史上真正承受过的最大固结压力。海洋土含有较多的有机质、游离氧化铁、碳酸盐等水稳性胶结物质，造成了其含水率高，孔隙比大，而抗剪强度较大，压缩性偏小的特性。由于胶结物质的分布极不均匀，又导致地基土的不均匀性非常明显。

建议马尼拉湾海洋土应采用新鲜样本进行界限含水率试验。