鈣質(zhì)土的聲學(xué)物理性質(zhì)與工程地質(zhì)意義_楊肖迪

1、楊肖迪 概述 成分結(jié)構(gòu)特征 聲學(xué)物理性質(zhì) 鈣質(zhì)土的力學(xué)特征 鈣質(zhì)土的樁基問題 總結(jié) 南海的東沙、西沙和南沙群島附近海域的 鈣質(zhì)土沉積物主要由富含碳酸鈣顆粒的碳 酸鹽所組成;這些鈣質(zhì)土與以陸源物質(zhì)(如石 英、長(zhǎng)石等)為主的沉積物不同.由于它們的 聲學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì)的明顯差異，以及它 們的顯微結(jié)構(gòu)和組構(gòu)與其它類型沉積物存 在不盡相同的結(jié)構(gòu)模式，因此，這些海區(qū) 的鈣質(zhì)土聲學(xué)物理性質(zhì)和工程地質(zhì)的關(guān)系 引起了沉積學(xué)家和工程地質(zhì)學(xué)家們的注意。 鈣質(zhì)土廣泛分布于全球熱帶和亞熱帶海區(qū)， 它由海洋生物殘骸、糞便等物質(zhì)所組成， 其中以有孔蟲、介形蟲、軟體動(dòng)物、苔鮮 蟲最多，礦物成分主要有低鎂方解石、高 鎂方解石和

2、文石. CaCO3含量一般為10%- 75%，水深在一定程度上控制著它們的組 成. 使其僅出現(xiàn)在碳酸鹽補(bǔ)償深度以上 碳酸鹽補(bǔ)償深度 隨著海水深度增加，海水中CO2含量增加，當(dāng) 海水深度超過一定范圍時(shí)， CaCO3即難以在 洋底存在，從海水表層中凝結(jié)的固體CaCO3 質(zhì)點(diǎn)沉降到這一深度，被海水中含量高的CO2 所溶解，只有當(dāng)沉積速度超過溶解速度時(shí)，才 能有少量的CaCO3沉積和保存下來，這一深 度稱為CaCO3的補(bǔ)償深度。簡(jiǎn)稱CCD，太平 洋中這一深度約為4500m，大西洋中約為 5000m。 長(zhǎng)期在飽和的碳酸鹽溶液中，經(jīng)過物理化 學(xué)、生物化學(xué)作用及地質(zhì)時(shí)期的沉淀和堆 積，加上物理的固結(jié)、膠結(jié)壓

3、實(shí)作用，形 成了與以陸源物質(zhì)(如石英、長(zhǎng)石等)為主的 近岸沉積物在聲學(xué)物理性質(zhì)方面截然不同 的海底沉積物.另外，陸源性沉積物的顆粒 之間接觸和堆壘以互相填充為主要特征， 而鈣質(zhì)土更多的是以碳酸鹽顆粒溶解和膠 結(jié)作為顆粒之間的主要接觸形態(tài)，形成骨 架效應(yīng). 在巖巖石的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)一般都是破壞性 且不可逆的，唯有聲波測(cè)試試驗(yàn)具有無損 性，而且可以重復(fù)進(jìn)行。因此，在工程地 質(zhì)勘探和地質(zhì)地基評(píng)價(jià)工作中，或是體穩(wěn) 定性評(píng)價(jià)過程中都把波速(Vp和Vs)作為一 項(xiàng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。 南海鈣質(zhì)土是以粘土和粉砂粒級(jí)為主、伴 有中砂和礫級(jí)以上的較大顆粒的貝殼碎屑. 碳酸鹽溶解結(jié)晶作用使得鈣質(zhì)土顆粒之間 產(chǎn)生大量的碳

4、酸鹽礦物并發(fā)生互相膠結(jié)， 最后達(dá)到固結(jié)，形成剛性連結(jié).聲波入射時(shí) 可以利用這種膠結(jié)形成的“骨架”較快地 傳播.相對(duì)其它沒有膠結(jié)、顆粒松散的粘土 或粉砂類型的沉積物，它們的聲速Vp和Vs 一般都較高. 這種膠結(jié)狀態(tài)形成的鈣質(zhì)土沉積物的抗壓 強(qiáng)度較高，它的抗壓強(qiáng)度最大值是30 kPa， 比珠江口和海南島附近以大陸性來源為主 的粉砂類沉積物的抗壓強(qiáng)度（2-18 kPa） 高出約1倍. 項(xiàng)目項(xiàng)目Vp(m/s)Vs(m/s)Vs/Vp(g/cm3) w/%eGMd/qu(KPa)St 東 沙 海東 沙 海 區(qū)區(qū) 最大值18803820.2251.831363.582.736.93430.25.5 最小值

5、14201720.1171.3335.20.982.373.5393.42 平均值15632340.1491.4897.42.492.535.17312.53.6 西 沙 海西 沙 海 區(qū)區(qū) 最大值17434690.2531.71150.94.122.736.81325.48.9 最小值16513220.1891.3145.70.882.313.8790.81.8 平均值16873640.2611.4590.22.792.555.14110.14.7 南 沙 海南 沙 海 區(qū)區(qū) 最大值15913720.2341.63202.54.742.746.54820.426.2 最小值13911430.

6、0931.27620.742.294.0870.11 平均值14942280.1451.4147.53.632.635.7694.35.1 南海海底鈣質(zhì)土聲學(xué)和物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試值 鈣質(zhì)土與陸源性沉積物比較，在聲學(xué)和物 理力學(xué)性質(zhì)方面主要有如下幾個(gè)方面的差 別： 沉積物聲速較高 濕密度較低和孔隙度較高 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較大 將不同3作用下原狀樣的應(yīng)力-應(yīng)變（1- 3）-）關(guān)系曲線與重塑樣相應(yīng)曲線比較， 較低抗壓強(qiáng)度的原狀樣品曲線的初始段具有線 性特征，且當(dāng)應(yīng)力不大時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值，重塑 樣抗壓強(qiáng)度試亦很低(只有0. 1 kPa)，靈敏度 很高.較高抗壓強(qiáng)度的原狀樣品在應(yīng)力增加、 應(yīng)變不到5%時(shí)即

7、出現(xiàn)最大峰值，當(dāng)應(yīng)變進(jìn)行 到10%時(shí)即已回落到最低點(diǎn)，表明這類鈣質(zhì)土 的靈敏度較低.南海鈣質(zhì)土原狀樣抗壓強(qiáng)度變 化范圍較大，其中南沙海區(qū)最大值為26.2 kPa. 鈣質(zhì)土的靜力學(xué)特征 鈣質(zhì)土的壓縮性質(zhì) 鈣質(zhì)土的剪切特征 鈣質(zhì)土的動(dòng)力學(xué)特征 周期性荷載作用 壓縮曲線表明，鈣質(zhì)土的壓縮 性與粘性土類似。曲線的前段 是一條緩傾線，表現(xiàn)為超固結(jié) 土的特征，在固結(jié)壓力P達(dá) 到某一值(圖中. P800kPa) 后壓縮曲線變?yōu)橐粭l陡傾的直 線，表現(xiàn)出正常固結(jié)土的特征， 在膨脹線上，曲線幾乎平行于 1nP軸，再加荷時(shí)，曲線達(dá) 到正常固結(jié)線后又沿正常固結(jié) 線運(yùn)動(dòng)。 如圖歸一化三軸排水剪切 試驗(yàn)曲線。11,8,3

8、是常圍 壓試驗(yàn)，H,L是高壓試驗(yàn)。 圖中資料表明，鈣質(zhì)土的 排水剪向著一個(gè)定體積、 定差應(yīng)力方向發(fā)展，與粘 土類似。當(dāng)試驗(yàn)中有效圍 壓增大時(shí)，需要高應(yīng)變?nèi)?達(dá)到最終狀態(tài)。 周期直接單剪試 驗(yàn)，圖中表明： 循環(huán)20次以后， 定體積直接單剪 試驗(yàn)約有80%的 衰減，其原因是 剪切過程中垂向 有效應(yīng)力減小。 樁側(cè)阻力問題 樁端阻力問題 鈣質(zhì)土具有高的內(nèi)摩擦角，但沒有高的樁 側(cè)摩阻力值。極低的樁側(cè)阻力是鈣質(zhì)土工 程性質(zhì)的主要特點(diǎn)之一。 對(duì)于一般的打入鋼管樁，樁側(cè)阻力大致在 20kPa以下，最小的甚至不到3 kPa。導(dǎo) 致如此低的樁側(cè)阻力原因很多，總的來說 有以下4個(gè)根本原因: (1)成樁和承載過程中，

9、鈣質(zhì)土顆粒破碎導(dǎo) 致樁側(cè)土產(chǎn)生較大的體積收縮現(xiàn)象; (2)成樁和承載過程中，膠結(jié)作用的破壞; (3)鈣質(zhì)土顆粒棱角度大，而且大小極不均 勻，使顆粒間容易生成疏松的點(diǎn)一點(diǎn)接觸; (4)碳酸鹽的可溶解性產(chǎn)生較多的類似溶洞 的小孔洞和鈣質(zhì)土獨(dú)特的自然沉積方式。 有學(xué)者認(rèn)為變化的法向壓力 是導(dǎo)致鈣質(zhì)砂低樁側(cè)摩阻力 的主要原因。圖中表示壓力 傳感器處側(cè)向壓力值隨樁貫 入量而變化的曲線，清楚地 說明了鋼管樁打入(或靜壓) 砂層中的擠土效應(yīng):石英砂 表現(xiàn)出側(cè)向壓力增加而鈣質(zhì) 砂表現(xiàn)出側(cè)向壓力減小的特 殊現(xiàn)象 土壤作為一種結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜的散體材料，在 樁基的貫入過程中其強(qiáng)度存在著疲勞效應(yīng)。打 樁過程中土體的疲勞效應(yīng)指的是樁長(zhǎng)時(shí)間連續(xù) 往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致樁側(cè)土體強(qiáng)度降低，土體產(chǎn)生疲 勞的現(xiàn)象。樁基貫入過程中重復(fù)的錘擊作用， 樁基連續(xù)貫入，對(duì)于樁周土體就是一種循環(huán) (應(yīng)變)荷載，隨著這種循環(huán)往復(fù)荷載作用次數(shù) 的增加，樁周土體的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)衰減。同一深 度的土層隨著樁基的不斷貫入，其發(fā)揮的樁側(cè) 摩阻力會(huì)不斷減小。 圖中是鈣質(zhì)砂及石英砂隨圍 壓增加而樁端阻力變化的曲 線，清楚地說明了鈣質(zhì)砂樁 端阻力值小于石英砂的值。 鈣質(zhì)