南海迭层土物理力学特性的研究

李 飒，徐保照，刘剑涛，周扬锐

（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.中海油服物探事业部，天津 300456）

1 引 言

我国南海近海海域，由于沉积环境的变化和海洋动力作用，堆积着一种黏土和粉砂或粉质黏土交替出现、层次多、夹层薄的土层，俗称千层饼土，即所谓迭层土。对迭层土的研究，主要在迭层土的成因、结构与构造、分类、动力特性以及抗剪试验等方面。吴秋云等[1]在研究自升式钻井船基础穿刺分析应用于渤海石油开发中发现，渤海石油开发区海底面以下经常会出现迭层土，即土层是由频繁交替出现的砂与黏土层构成，砂土或黏土层的单层厚度为0.2～0.3 cm。存在迭层土时，刺穿分析变得比较复杂，目前对这种类型的土国内外还没有更好的方法进行合理试验和有关参数的选取。陈国兴等[2]对南京粉质黏土与粉砂互层土及粉细砂的抗液化性能试验研究，总结了互层土的动力特性以及抗液化性能。Boulanger 等[3]对迭层土进行动力分析，指出其在不同条件下液化程度表现不同。Mackiewicz等[4]采用一般试验方法，测得桩体在迭层土中侧摩擦力与实际相差较大。Chaney 等[5]发现迭层土的存在会改变土体排水特性，其受力会受到部分排水的影响。刘剑涛[6]研究了自升式钻井船插桩深度预测，指出互层（迭层）土的承载力计算迄今尚未有完美的处理方法，因其土质的特殊性，一般的试验很难真实地反映其物理力学特性，一般根据经验或者是偏于保守的考虑进行参数的选取。曹圣华[7]对滨海相、河滩迭层土（黏性土、粉砂互层）的工程特性的研究，指出迭层土有着特殊的土体结构与构造，当其参数用于计算地基承载力时，应适当修正，无论在理论还是实践中都是必要的。周健等[8]用动三轴试验系统对含有不同厚度粉土的饱和层状砂土进行了液化强度试验，试验结果表明粉粒夹层对层状砂土的液化特性有很大的影响，且更能模拟自然环境条件下的层状砂土地基液化特性。

为了能准确地确定土体强度，原位试验的方法越来越受到业界的认可，目前在海洋工程中常用的原位试验方法是静力触探法（CPTU），由于其自身的优越性在海洋工程中正在被越来越广泛的使用[9-13]。

对迭层土与黏土、砂土的不同的特性和抗剪强度及承载力的计算研究有限，大多数研究仅仅指出了迭层土的特殊性，对于土体的物理力学性质缺乏深入的探讨。事实上，实际工程中迭层土是客观存在的，特别是在海洋工程当中，我国的渤海、东海、南海等海域发现了大量的迭层土，对其性质的准确把握，直接影响到海洋工程，比如打桩、钻井船插深等问题的预测的准确性，也关系到海洋工程建设的安全。本文利用现场CPTU 试验以及室内试验的方法，分析了迭层土的物理、力学性质，探讨了迭层土的不固结不排水抗剪强度特性。

2 迭层土物理力学指标比较

2.1 物理指标

为了研究迭层土的物理性质，在南海某海域选取了4个场地取样，1号场地取土样158 组，2号场地取60 组，3号场地取42 组，4号场地取67 组，4个场地的土层分布见表1。从表可见，4个场地的土体分别为砂土、粉质黏土和迭层土，不同种类土体的照片见图1～3。

图1 中，迭层土具有明显的交错互层结构，呈“千层饼状”，土质不均匀。图2 中，土样呈灰色，质地密实，为硬的粉质黏土。图3 中，土样呈暗绿色，为中密实粉砂。三者在外观上可看到明显的区别。

表1 土层划分Table 1 Soil division

图1 迭层土Fig.1 Laminated soil

图3 砂土Fig.3 Sand soil

室内试验得到的各种土体的天然重度、含水率、塑性指数随深度分布关系见图4(a)、5(a)、6(a)，为了对迭层土的物理性质有更加明确的认识，将迭层土的各项指标与其他土进行了对比，见图4(b)、5(b)、6(b)。从图中可以看到，迭层土的塑性指数比整体土层偏低，但偏低不明显。各项物理指标与场地其他土层相比基本符合指标变化的一般规律。

图4 4个场地土体天然重度随深度分布Fig.4 Natural density distribution with depths in four sites

图5 4个场地土体含水率与深度关系Fig.5 Relationships between moisture and depth in four sites

图6 4个场地土体塑性指数与深度关系Fig.6 Relationships between plasticity index and depth in four sites

2.2 力学指标

为了探讨不同土体的强度特性，针对对黏性土和迭层土进行了不固结不排水三轴试验（UU 试验），1号场地31 组，2号场地23 组，3号场地14组，4号场地26 组。根据试验结果得到粉质黏土和迭层土不排水强度随深度变化关系如图7 所示。从图中可以看出，本海域土体的不固结不排水剪强度随深度近似成线性变化，迭层土的变化规律与粉质黏土相似，没有表现出明显的不同。

图7 4个场地土样抗剪强度与深度关系Fig.7 Relationships between shear strength and depth in four sites

2.3 利用CPTU 判别迭层土

由于室内试验所得到的迭层土物理指标和力学指标不能明显反映迭层土与其他土体不同的特点，对4个场地进行CPTU 试验，分析了迭层土的摩阻比、修正端阻的关系。图8～11为4个场地修正端阻与摩阻比之间的关系，其中1号场地没有砂土层。

图8 1号场土样地修正端阻与摩阻比Fig.8 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.1

从图8 中可以看出，粉质黏土的端阻普遍较小，摩阻比较大；砂土的端阻普遍较大，摩阻比较小。本地区的迭层土，当端阻小于4 MPa时，摩阻比的大小与粉质黏土相似，与黏土不同的是，迭层土中存在较多的端阻较大的点，而端阻较大的点对应的摩阻比则普遍较小，符合砂土的特征。这是迭层土中砂土层的存在造成，其摩阻比与端阻的关系具有较明显的特点。

在利用CPTU 结果进行土层划分时，建议选择修正端阻与摩阻比的关系进行相应的工作，以达到满意的效果。

图9 2号场地土样修正端阻与摩阻比Fig.9 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.2

图10 3号场地土样修正端阻与摩阻比Fig.10 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.3

图11 4号场地土样修正端阻-摩阻比Fig.11 Relationships between corrected cone resistance and friction ratio in site No.4

3 不固结不排水抗剪强度的比较

迭层土具有自身的特点，需要通过不同的试验方法来表现，将不同的土体的室内试验抗剪强度与CPTU 试验得到的抗剪强度进行比较，如图12所示。

从图12 中可以看出，由于迭层的存在，CPTU确定的不排水强度的分布也如土层一样呈现“千层饼”状，室内试验的不排水强度是“千层饼”的下限值，室内试验所得迭层土抗剪强度与CPTU 所得的抗剪强度差别很大，选用迭层土的抗剪强度进行相关计算或者设计时需要进一步研究。

图12 各场地抗剪强度与深度关系Fig.12 Relationships of shear strength and depth in site No.1-No.4

4 结 论

（1）迭层土在外观上明显不同于其他单一土层的特征，但室内试验得到的物理力学指标与一般黏土没有明显的区别，原位的CPTU 结果可较好地反迭层土的特点。

（2）从修正端阻与摩阻比的关系可以看出，迭层土摩阻比变化范围较大，在0～8 之间，远远大于一般砂土或黏土的变化范围。迭层土的修正端阻与摩阻比的分布近似成双曲线，明显不同于黏土和砂土，可以作为迭层土判断的依据。

（3）迭层土中砂层的存在使得其排水特性优于一般黏土，由于其结构的特殊性，其力学性质不同于单一的黏性土或砂土。本次试验结果研究表明，对于迭层土，不固结不排水剪切试验（UU 试验）的结果是CPTU 试验结果的下限值。

[1]吴秋云,周杨锐,冯秀丽,等.自升式钻井船基础刺穿分析方法在渤海石油开发区的应用[J].海岸工程,1999,18(4):16-21.WU Qiu-yun,ZHOU Yang-rui,FENG Xiu-li,et al.Applying of the punch-throuch analysis method of rig-drilling ship in Bohai open up oil fields[J].Coastal Engineering,1999,18(4):16-21.

[2]陈国兴,刘雪珠,庄海洋.南京粉质黏土与粉砂互层土及粉细砂的抗液化性能试验研究[J].防灾减灾工程学报,2003,23(2):28-34.CHEN Guo-xing,LIU Xue-zhu,ZHUANG Hai-yang.Experimental study of liquefaction resistant characteristics of silty clay with fine sand interbed and fine sand in Nanjing[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2003,23(2):28-34.

[3]BOULANGER R W,IDRISS I M.Evaluating the potential for liquefaction or cyclic failure of silts and clays[M].California:Center for Geotechnical Modeling,University of California,2004.

[4]MACKIEWICZ S M,LEHMAN-SVOBODA J.Measured versus predicted side resistance of drilled shafts in a heterogeneous soil profile[C]//GeoCongress 2012@State of the Art and Practice in Geotechnical Engineering,[S.l.]:ASCE,2012:2412-2421.

[5]CHANEY,RONALD C,KENNETH R,et al.Strength testing of marine sediments:Laboratory and In-situ Measurements [M].America:ASTM International,1985.

[6]刘剑涛,吴文峰,蒋宝凡.自升式钻井船插桩深度预测[J].中国造船,2007,48(增刊):317-322.LIU Jian-tao,WU Wen-feng,JIANG Bao-fan.Estimation of footing penetration of jack-up drilling rig[J].Ship Building of China,2007,48(Supp.):317-322.

[7]曹圣华.滨滩相互层土工程特性初步研究[J].地质学刊,2010,34(1):61-66.CAO Sheng-hua.A preliminary study on engineering characters of interbedded soils in littoral and river facies[J].Journal of Geology, 2010,34(1):61-66.

[8]周健,陈小亮,杨永香,等.饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究[J].岩土力学,2011,32(4):967-972.ZHOU Jian,CHEN Xiao-liang,YANG Yong-xiang,et al.Study of liquefaction characteristics of saturated stratified sands[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(4):967-972.

[9]TONG Li-yuan,WANG Qiang,DU Guang-yin,et al.Determination of undrained shear strength using piezocone penetration test in clayey soil for bridge foundation[J].Journal of Southeast University(English Edition),2011,27(2):201-205.

[10]WEI L,PANT R,TUMAY M T.Evaluation of undrained shear strength of soft New Orleans clay using piezocone[C]//The 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing.Huntington,Beach:[s.n.],2010.

[11]HONG S J,LEE M J,KIM J J,et al.Evaluation of undrained shear strength of Busan clay using CPT[C]//The 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing.Huntington,Beach:[s.n.],2010.

[12]RÉMAI Z.Correlation of undrained shear strength and CPT resistance[J].Civil Engineering,2013,57(1):39-44.

[13]朱长歧,汪穗,符策简.WR-Ⅱ型海洋静力触探(SC PT)数据处理系统中的岩土力学分层模型[J].岩土力学,1994,15(2):79-87.ZHU Chang-qi,WANG Ren,FU Ce-jian.The identification model of soil layer used in type WR-ⅡSCPT date processing system[J].Rock and Soil Mec hanics,1994,15(2):79-87.