舟山—岱山間西部海域第四紀(jì)海底沉積物物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

王振紅，潘永堅(jiān)，潘國(guó)富，陳培雄

（1. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)海底沉積物物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

王振紅1，潘永堅(jiān)2，潘國(guó)富1，陳培雄1

（1. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 浙江工程勘察院，浙江 寧波 315012）

根據(jù)工程地質(zhì)鉆探資料，對(duì)舟山—岱山島間西部海域第四紀(jì)沉積物的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)本海區(qū)第四紀(jì)海底土具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、抗剪強(qiáng)度低等特征。統(tǒng)計(jì)表明，物理指標(biāo)之間、力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)之間因參數(shù)的不同，相關(guān)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(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)變化較明顯。物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)的回歸方程表明，各力學(xué)指標(biāo)與不同的物理指標(biāo)之間具有較好的線性相關(guān)性。

物理力學(xué)性質(zhì)；第四紀(jì)沉積物；相關(guān)性；變異系數(shù)；回歸方程

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加速發(fā)展，開(kāi)發(fā)和利用海洋成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用和海上工程的建設(shè)是以海底土為依托的，而常見(jiàn)的大部分海洋工程特別是海底管線等淺基礎(chǔ)工程是以第四紀(jì)海底土為基礎(chǔ)的，查明第四紀(jì)海底土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)海洋工程建設(shè)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(tǒng)計(jì)分析是巖土研究中重要的定量分析方法，其中，相關(guān)分析、變異系數(shù)分析和回歸分析是常用的統(tǒng)計(jì)分析方法[1]。通過(guò)這些定量分析方法，能夠?qū)r土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，為工程建設(shè)服務(wù)。

舟山作為我國(guó)重要的港口城市和各種海洋設(shè)施的集中地，在浙江海洋開(kāi)發(fā)和建設(shè)中具有重要的地位。20世紀(jì)80年代以來(lái)，一些學(xué)者對(duì)舟山群島海域進(jìn)行了大量的調(diào)查研究工作，取得了大量有價(jià)值的成果[2-5]，但是對(duì)于本海域海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)研究卻相對(duì)較少。本文主要依據(jù)舟山－岱山島間西部海域進(jìn)行的 8個(gè)孔的工程地質(zhì)鉆探資料（圖1），對(duì)本區(qū)海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性、變異性以及回歸性分析，以期為本區(qū)以后的海洋工程建設(shè)中沉積物的經(jīng)驗(yàn)性定量關(guān)系提供參考。

1 研究區(qū)所屬海域概況

研究區(qū)位于舟山本島與岱山島之間的西部海域（圖1）。在地質(zhì)構(gòu)造上位于華南褶皺系浙東南褶皺帶的東北部，長(zhǎng)期的地殼活動(dòng)中，北東向、北北東向斷裂較發(fā)育，北西向、北北西向、南北向和東西向斷裂亦有發(fā)育。海域周圍島嶼眾多，水下沖蝕溝槽較發(fā)育，水深最大達(dá)70 m，水下地形坡度最大達(dá)35°。潮流以往復(fù)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(qū)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(qū)海底第四紀(jì)沉積物主要為淤泥質(zhì)土和亞粘土，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沉積物的成因類型、空間分布發(fā)育規(guī)律以及物理力學(xué)性質(zhì)等工程地質(zhì)特征，將第四紀(jì)地層從上到下分為3大層，其中第2大層又分為2亞層。對(duì)本海域第四紀(jì)沉積物的物理性質(zhì)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(shù)（IP）進(jìn)行，力學(xué)性質(zhì)主要考慮壓縮系數(shù)（a0.1-0.2）、壓縮模量（Es）、固結(jié)快剪（c、ψ）等參數(shù)進(jìn)行分析。

運(yùn)用相關(guān)性分析、變異性分析和線性回歸分析方法，計(jì)算了研究區(qū)第四紀(jì)沉積物物理力學(xué)指標(biāo)間的變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，確定了各指標(biāo)間的最佳回歸方程。物理指標(biāo)以及物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性分析均采用線性關(guān)系模型。

3 研究區(qū)海底第四紀(jì)沉積物物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 沉積物物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)，得出各層沉積物的物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本海域第四紀(jì)海底沉積物物理力學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：

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(xì)微增大。

本區(qū)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(shuō)明本區(qū)第四紀(jì)海底沉積物孔隙比高，密實(shí)度較差。

液限介于24%～52%之間，平均值在36%左右，本區(qū)第四紀(jì)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(shù)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(duì)應(yīng)，塑性指數(shù)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(shù)平均值大于0.5 MPa-1，壓縮模量平均值小于4 MPa，表明本區(qū)第四紀(jì)海底沉積物具有高壓縮性的特點(diǎn)，并且隨地層深度的增大，壓縮性逐漸降低。

固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo) 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(qū)第四紀(jì)海底沉積物的強(qiáng)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(qū)全新世海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Physical and mechanical properties of quaternary marine sediments in the study area

3.2 相關(guān)性分析

相關(guān)分析是研究變量之間密切程度的一種統(tǒng)計(jì)方法，用相關(guān)系數(shù)表示。相關(guān)系數(shù)是對(duì)變量之間關(guān)系密切程度的度量指標(biāo)。

本文根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)，分別對(duì)各物理指標(biāo)之間、物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。物理指標(biāo)選取含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數(shù)，分析其相關(guān)性。力學(xué)指標(biāo)選取壓縮系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)快剪c值、ψ值與物理指標(biāo)中的含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)性分析。

（1）物理指標(biāo)相關(guān)性分析

表2為兩個(gè)物理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析結(jié)果。由表2可知，含水量與孔隙比高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于 0.8，而與天然密度、液限、塑性指數(shù)為中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.5小于0.8。天然密度與孔隙比具有較好的相關(guān)性，與液限、塑性指數(shù)的相關(guān)性為中度相關(guān)?？紫侗扰c液限、塑性指數(shù)的相關(guān)性為中度相關(guān)。液限與塑性指數(shù)相關(guān)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(shù)之間呈負(fù)相關(guān)，這說(shuō)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(shù)逐漸降低。

表 2 物理指標(biāo)之間的相關(guān)性Tab. 2 The correlation between the physical indexes

（2）物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

表3給出了物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析結(jié)果。

表 3 物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性Tab. 3 The correlation between the physical and mechanical indexes

由表3可知，本區(qū)第四紀(jì)海底沉積物力學(xué)指標(biāo)與不同的物理指標(biāo)之間的相關(guān)性具有一定的差異，力學(xué)指標(biāo)總體上與含水量、天然密度、孔隙比相關(guān)性較好，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性較差。壓縮系數(shù)與孔隙比的相關(guān)性最好，與含水量、天然密度相關(guān)性為中度相關(guān)，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性低；壓縮模量與天然密度相關(guān)性最好，與含水量、孔隙比相關(guān)性為中度相關(guān)，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性較低；固結(jié)快剪c值與含水量、天然密度、孔隙比相關(guān)性為中度相關(guān)，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性較低；固結(jié)快剪ψ值與含水量、天然密度、孔隙比相關(guān)性為中度相關(guān)，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性較低。從中可以看出，對(duì)于不同的物理指標(biāo)，對(duì)力學(xué)指標(biāo)的影響是不同的。

3.3 變異性分析

變異系數(shù)又稱為標(biāo)準(zhǔn)差率，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，是一組數(shù)據(jù)變異程度的指標(biāo)，反映了單位均值上的離散程度。

根據(jù)已收集的鉆孔試驗(yàn)資料，對(duì)舟山－岱山海域第四紀(jì)沉積物根據(jù)分層進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)的變異性分析，結(jié)果如表4。

表 4 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)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(jì)沉積物的變異性具有以下特點(diǎn)：

物理指標(biāo)的變異系數(shù)較力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)低，說(shuō)明物理指標(biāo)的數(shù)據(jù)比較集中，變化范圍小，力學(xué)指標(biāo)的數(shù)據(jù)較分散，變化范圍大，這與以往的研究相吻合[7]。在物理指標(biāo)中，天然密度的變異系數(shù)最小，塑性指數(shù)的變異系數(shù)較大。天然密度變化范圍小是變異系數(shù)小的原因。

從地層差異上看，Ⅰ層的物理力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)最小，Ⅲ層的物理力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)最大，即隨著地層深度的加大，物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)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(jié)程度有關(guān)，表層沉積物由于沉積時(shí)代較晚，上部環(huán)境相同，因此物理力學(xué)指標(biāo)較集中，隨地層深度的增加，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的地層固結(jié)差異變大，物理力學(xué)指標(biāo)分散，從而造成隨地層深度的增加，物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)逐漸變大；其二，可能與土體的應(yīng)力釋放有關(guān)，上部土層由于沉積時(shí)代晚，應(yīng)力小，在取樣和測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)力釋放變化小，下部土體沉積時(shí)代較久，應(yīng)力大，在取樣和測(cè)試過(guò)程中，土體應(yīng)力釋放變化大，造成測(cè)試結(jié)果的變異性偏大。

3.4 回歸分析

在工程地質(zhì)研究中，土體的力學(xué)指標(biāo)不容易直接獲得，物理指標(biāo)在樣品保存得當(dāng)?shù)那闆r下，都容易直接獲得。所以，二者之間存在何種關(guān)系對(duì)于通過(guò)物理指標(biāo)獲得力學(xué)指標(biāo)具有重要的意義。

海底沉積物的力學(xué)性質(zhì)與其物理性質(zhì)密切相關(guān)，不同物理性質(zhì)的沉積物的力學(xué)性質(zhì)具有差異性。對(duì)沉積物的力學(xué)性質(zhì)影響較大的物理指標(biāo)主要有以下幾個(gè)：含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指數(shù)等。含水量決定著土體的強(qiáng)度，天然密度綜合反映了土的物質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)特征，孔隙比反映了土體的密實(shí)程度，液限與土的很多性質(zhì)相關(guān)，且與土體的力學(xué)性質(zhì)也有一定的相關(guān)性，塑性指數(shù)是粘土的最基本、最重要的物理指標(biāo)之一，綜合反映了土的物質(zhì)組成[8,9]。

本文沉積物力學(xué)性質(zhì)選取壓縮系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)快剪強(qiáng)度c值、ψ值，將物理指標(biāo)參數(shù)引入回歸方程，通過(guò)回歸分析將對(duì)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(xué)指標(biāo)的回歸方程。

表 5 回歸分析結(jié)果Tab. 5 Results of regression analysis

由表5可知，舟山—岱山海域第四紀(jì)沉積物的力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)之間具有很好的線性相關(guān)性?；貧w方程表明：壓縮系數(shù)與孔隙比密切相關(guān)，壓縮模量與天然密度密切相關(guān)，固結(jié)快剪c值與天然密度密切相關(guān)，ψ值與天然密度密切相關(guān)。即壓縮系數(shù)受孔隙比的影響較大，壓縮模量、固結(jié)快剪c值、ψ值受天然密度的影響較大。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）舟山—岱山海域第四紀(jì)沉積物具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性的特點(diǎn)。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(shù)大于0.6 MPa-1，固結(jié)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(shù)逐漸降低，天然密度、壓縮模量、固結(jié)快剪參數(shù)逐漸增大。

（2）舟山—岱山海域第四紀(jì)沉積物物理指標(biāo)之間、物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性。各物理指標(biāo)相關(guān)性較好，力學(xué)指標(biāo)與物理指標(biāo)中的含水量、天然密度、含水量相關(guān)性較好，與液限、塑性指數(shù)相關(guān)性差。

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

（4）舟山—岱山海域第四紀(jì)沉積物的力學(xué)指標(biāo)與物理指標(biāo)之間具有一定的線性關(guān)系。壓縮系數(shù)與孔隙比關(guān)系密切，壓縮模量、固結(jié)快剪c值、ψ值與天然密度關(guān)系密切。

[1] 康永尚, 沈金松, 諶卓恒. 現(xiàn)代數(shù)學(xué)地質(zhì) [M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2009: 44-60.

[2] 葉銀燦, 陳錫土, 宋連清, 等. 浙江北部島嶼海域土體穩(wěn)定性研究 [J]. 東海海洋, 1996, 14(1): 1-18.

[3] 蔡春磷, 姜勇彪, 唐保根. 外釣島—冊(cè)子島海底管道路由工程地質(zhì)特征評(píng)價(jià) [J]. 東華理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 30(1): 15-19.

[4] 胡日軍, 吳建政, 朱龍海, 等. 東海舟山群島海域表層沉積物運(yùn)移特征 [J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 39(3): 495-500.

[5] 蔣國(guó)俊. 舟山群島峽道水動(dòng)力及沉積特性 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（力學(xué)版）, 2001, 28(1): 82-91.

[6] 中國(guó)海灣志編纂委員會(huì). 中國(guó)海灣志（第五分冊(cè)）[M]. 北京: 海洋出版社, 1992: 88-147.

[7] 呂小飛, 葉銀燦, 潘國(guó)富. 杭州灣淺層粘性土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析 [J]. 海洋學(xué)研究, 2005, 23(4): 8-13.

[8] 阮波, 冷伍明. 粘性土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析 [J]. 大壩觀測(cè)與土工測(cè)試, 1998, 22(1): 5-7.

[9] 李萍, 李培英, 劉樂(lè)軍, 等. 南黃海油氣資源區(qū)海底沉積物的工程地質(zhì)特征 [J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2001, 21(3): 37-40.

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(xué)基金（Y5100027，Y5100402）；國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助（JT0803）。

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