孫華強(qiáng),莊丹丹,宋春霞,朱志敏,王鳳

（1.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波315211；2.自然資源部第二海洋研究所 自然資源部海底科學(xué)重點實驗室,浙江 杭州310012；3.自然資源部第三海洋研究所,福建 廈門361005）

0 引言

多金屬結(jié)核富含多種金屬元素，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價值，是一種重要的海洋礦物資源[1]。我國東太平洋CC區(qū)是至今為止發(fā)現(xiàn)深洋底多金屬結(jié)核分布最為密集的區(qū)域之一，多金屬結(jié)核主要存在于深海沉積物表層，而采集多金屬結(jié)核需要將采集設(shè)備設(shè)置在深海沉積物上。沉積物作為采集設(shè)備的承載基礎(chǔ)，其土工力學(xué)特征限制了采集設(shè)備的質(zhì)量以及設(shè)計方向。過去的研究結(jié)果表明，深海沉積物具有高含水率、低強(qiáng)度、高孔隙比等特性，因海底地形各異，大洋沉積物的物性和土工力學(xué)特性在水平和垂向上具有不均一性。研發(fā)擁有高采集效率，同時降低采集成本的多金屬結(jié)核采集設(shè)備是必要的，而此過程就需要研究者提供更為精準(zhǔn)的深海沉積物土工特性。為此，對取樣研究區(qū)的深海沉積物進(jìn)行土工特性研究，分析其承載機(jī)理，以期為采集設(shè)備的設(shè)計提供有效參數(shù)和依據(jù)[2-4]。

東太平洋CC區(qū)表層沉積物主要為含粘土的硅質(zhì)軟泥，物質(zhì)組分主要為硅質(zhì)組分[5]。對該研究區(qū)調(diào)查過程中所取得表層沉積物進(jìn)行顆粒分析，同時進(jìn)行現(xiàn)場和室內(nèi)土工力學(xué)測試，利用表層沉積物的特性指標(biāo)進(jìn)行分析，確定該區(qū)沉積物的特性參數(shù)與取樣層位之間的關(guān)系以及各特性參數(shù)之間的關(guān)系，同時確定研究區(qū)域半液化層厚度，為東太平洋多金屬結(jié)核礦區(qū)勘探和采礦設(shè)備的設(shè)計制造提供了環(huán)境參數(shù)和科學(xué)依據(jù)[6-7]。國內(nèi)研究學(xué)者王樹仁根據(jù)CC區(qū)海底沉積物的含水率、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)大致將研究區(qū)沉積物分為流動狀、流塑狀、可塑狀[8]。由于不同區(qū)域的沉積速率不一致，各結(jié)核研究區(qū)的沉積物半液化層厚度也不一致。因此，對大洋50航次獲取的大洋插管柱狀沉積物樣品進(jìn)行土工特性研究具有重要價值。

1 試驗條件及方法

本試驗土樣是通過箱式取樣方法對東太平洋CC區(qū)水深5 078 m的大洋沉積物進(jìn)行取樣，樣品長度38 cm，管徑10 cm。沉積物為黃棕色-深棕色，試樣表層存在一層液化土層，含較高水量。封樣保持垂直狀態(tài)保存于4℃恒溫恒濕箱中。

參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8-2007)，去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)，并對樣品進(jìn)行激光粒度分析，將沉積物樣品進(jìn)行Shepard分類。同時根據(jù)粒度結(jié)果，分別得出粘土、碎屑以及生物等相關(guān)百分含量，根據(jù)深海遠(yuǎn)洋沉積物三角分類圖解對沉積物進(jìn)行定名。

參照《GB/T 12763.9-2007海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》規(guī)范，水深大于3 000時，采用Dean等（1985）的命名方案，將沉積物組分劃分為三個組分，分別為粘土、鈣質(zhì)生物、硅質(zhì)生物，根據(jù)這三個組分的不同百分含量對沉積物進(jìn)行命名。

參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8-2007)中沉積物物理力學(xué)性質(zhì)測試方法對現(xiàn)場采樣取得試樣進(jìn)行剪切試驗和貫入試驗，分別使用SJL型十字剪切板（精度小于2%）和WG-Ⅱ-20N型微型貫入儀（精度＜1%）進(jìn)行試驗。

參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)在實驗室對試樣進(jìn)行含水量、密度、比重等物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定,每間隔4 cm測試一組參數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

研究區(qū)沉積物試驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示，取一組具有代表性沉積物壓縮參數(shù)繪制壓縮曲線，如圖1所示。

2.1 沉積物物理性質(zhì)

研究區(qū)沉積物粒度分析隨深度的變化情況如圖2所示。在上部10 cm以淺層位為砂質(zhì)粉砂，以深層位為粘土質(zhì)粉砂。

使用德國Leitzz偏光顯微鏡160放大倍數(shù)隨機(jī)選取樣品涂片三個視野，分別進(jìn)行生物量、碎屑礦物以及其他組分的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該沉積物樣品物質(zhì)組成主要為硅質(zhì)組分。即涂片鑒定結(jié)果顯示本研究區(qū)樣品沉積物主要為含粘土的硅質(zhì)軟泥。

研究區(qū)試樣的物理性質(zhì)隨深度的變化情況如圖3所示。本區(qū)沉積物的含水率較高，介于215.10%~284.90%，平均含水率為233.62%。由圖3可見，沉積物天然含水率隨深度的增大總體呈降低趨勢，0~15 cm層位沉積物含水率迅速下降，15 cm深度以下沉積物含水率略有波動。同時測得本區(qū)沉積物塑限平均值為115.37，液限平均值為161.47?？砂l(fā)現(xiàn)沉積物含水率遠(yuǎn)大于液限，表明研究區(qū)表層35 cm以內(nèi)的沉積物處于流塑狀態(tài)。

本區(qū)沉積物天然密度較小，介于1.20~1.24 g/cm3，平均密度為1.22 g/cm3，總體比重介于2.36~2.43，平均比重為2.39。各層沉積物密度比重隨深度變化小，分布均一穩(wěn)定。海底沉積土的土粒比重同其結(jié)構(gòu)、顆粒大小、沉積物來源有關(guān)，不同層位沉積物成分不一。

2.2 沉積物力學(xué)性質(zhì)

為探討研究區(qū)沉積物的物性、土工力學(xué)特性及兩者之間存在的相關(guān)性，本次試驗除了對沉積物的物理性質(zhì)進(jìn)行測定，同時做了壓縮試驗（見圖3）、現(xiàn)場十字剪切試驗（見圖4）、貫入試驗（見圖4）以測定深海沉積物的力學(xué)性質(zhì)。

深海沉積物含水率較高，天然孔隙比較大，沉積物總體壓縮系數(shù)較大，總體分布介于5.53~6.21 MPa-1，平均壓縮系數(shù)為5.93 MPa-1。土樣壓縮模量分布隨深度的增加總體呈減小趨勢，即土層深度越深，土樣壓縮模量越小，土層越密實。

對土樣進(jìn)行現(xiàn)場十字板剪切試驗，剪切強(qiáng)度在垂向隨深度的增大而增大，隨顆粒密度的增大及含水率的減小而增大，本區(qū)土樣剪切強(qiáng)度最大達(dá)到28 kPa。

對土樣進(jìn)行現(xiàn)場貫入試驗，0~5 cm層位試樣液化，含水量較高，介于261.60%~284.90%，測得試樣貫入強(qiáng)度為0 kPa。在5 cm深度以下，含水量降低，試樣貫入強(qiáng)度迅速增大，在層位30 cm處貫入強(qiáng)度最大達(dá)到58.7 kPa，隨后貫入強(qiáng)度略微下降。貫入強(qiáng)度在垂向隨深度增加總體呈增大趨勢，隨顆粒密度及含水率的變化而變化。顆粒密度越大，含水率越低，試樣貫入強(qiáng)度越大。即土樣越密實，粘滯性越強(qiáng)，側(cè)摩擦力越大，貫入強(qiáng)度越大。

表1 室內(nèi)試驗測得大洋沉積物基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 現(xiàn)場試驗測得大洋沉積物基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 沉積物壓縮曲線(代表樣)

圖2 大洋沉積物粒度垂直分布圖

圖3 大洋沉積物基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)（室內(nèi)試驗）

圖4 大洋沉積物基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)（現(xiàn)場試驗）

2.3 試驗分析

土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中，沉積物的密度在1.20~1.24 g/cm3之間，比重在2.36~2.43之間，含水率在215.10%~284.90%之間，壓縮系數(shù)在5.53~6.21 MPa-1之間，由此看出本研究區(qū)沉積物具有低密度、高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度且固結(jié)快的特點。土的十字剪切強(qiáng)度在0~28 kPa之間，本研究區(qū)土的剪切強(qiáng)度隨土層深度的增加而增大。土的貫入阻力在0~58.7 kPa，本研究區(qū)沉積物下層土的貫入阻力較大。

抗剪強(qiáng)度和貫入強(qiáng)度隨深度變化趨勢一致，抗剪強(qiáng)度在15 cm深度迅速增大后趨于穩(wěn)定變化。同時通過與抗剪強(qiáng)度和貫入阻力的比較，并沒有發(fā)現(xiàn)沉積物粒度類型的不同導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度和貫入阻力的不同。涂片鑒定結(jié)果顯示研究區(qū)域沉積物主要為含粘土的硅質(zhì)軟泥，沉積物類型較為一致，含水率會影響沉積物抗剪強(qiáng)度與貫入阻力的大小。

根據(jù)含水量和抗剪強(qiáng)度隨深度變化的規(guī)律，基本可分為三層：0~15 cm，含水量迅速下降，天然濕密度增大，抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B能力迅速提高；15~30 cm，含水率趨于穩(wěn)定，抗剪強(qiáng)度緩慢上升；在30 cm以下深度，濕密度變化不大，抗剪強(qiáng)度亦變化較小。在層位30 cm處沉積物抗剪強(qiáng)度最大達(dá)到28 kPa，貫入強(qiáng)度最大達(dá)到58.7 kPa，承載能力低。

3 結(jié)論

此次試驗對東太平洋研究區(qū)深海沉積物進(jìn)行了土工力學(xué)特性測定，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)表層沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)具有高含水率、高壓縮性、低密度、低強(qiáng)度的軟弱土。

（2）研究區(qū)柱狀沉積物隨深度的增加，含水量降低，貫入阻力和抗剪強(qiáng)度增加。因此下部土的強(qiáng)度要比表層高，在層位0~15 cm處沉積物抗剪強(qiáng)度大幅度提高，約為18 kPa以上，可將此參數(shù)作為采集設(shè)備的設(shè)計研究依據(jù)。

（3）研究區(qū)土樣承載力低，在設(shè)計制造采集設(shè)備時應(yīng)考慮安全系數(shù)。