深海沉积物贯入阻力影响因素及其变化规律

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.190

摘要/Abstract

摘要：

深海沉积物土工力学特性是深海资源开发设备设计的重要依据。根据现有的深海土工力学原位测量和取样实验的数据,分析沉积物物性参数与贯入阻力的相关关系,建立含水率、湿密度和孔隙比与压力沉陷的关系式。结果表明:研究区深海沉积物以砂质粉砂、黏土质粉砂为主,具有高含水率、大孔隙比、低密度等特征;物理参数与贯入阻力之间有较好的相关关系,其中,含水率、孔隙比、孔隙度与贯入阻力呈反比相关关系;而湿密度与贯入阻力呈正比相关关系;以含水率、湿密度和孔隙比为自变量的多变量回归分析方程能更好地表达沉积物物理特性与贯入阻力的相关关系;基于Bekker沉陷模型,建立接地比压与贯入阻力的关系,能客观反映深海沉积物的沉陷特性与承载特性。

关键词: 深海沉积物, 物理参数, 贯入阻力

Abstract:

Geotechnical characteristics of deep-sea sediments are the important basis for the design of deep-sea resources development equipment. Based on the in-situ measurement data and sampling experiment of deep-sea geotechnical mechanics, the relations between physical and geotechnical parameters of sediment and penetration resistance were analyzed, and the relations between water content, wet density, void ratio and pressure settlement were established. The results show that (1) deep-sea sediments in the study area are mainly sandy silt and clayey silt, characterized by high water content, large pore ratio and low density; (2) physical parameters and penetration resistance are well correlated, and water content, pore ratio and porosity are inversely proportional to penetration resistance; (3) wet density is proportional to penetration resistance. Based on the Bekker subsidence model, the relation between specific ground pressure and penetration resistance was established, which can objectively reflect the deep-sea sediment subsidence and bearing features.

Key words: deep-sea sediments, physical parameters, penetration resistance

中图分类号:

P736.2

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图/表 17

图1 沉积物测试与采样区域位置图

Fig.1 Location map of sediment testing and sampling area

图2 谢帕德法沉积物分类三相图

Fig.2 Three-phase diagram of sediment classification by the Sheppard method

图3 马里亚纳海沟南部海域粒度频率分布曲图

Fig.3 Distribution curve of grain-size frequency in the southern of Mariana Trench

图4 大洋多金属结核矿区海域粒度频率分布曲图

Fig.4 Grain-size frequency distribution curve of ocean polymetallic nodule mineral district

表1 深海沉积物的物理力学性质

Table 1 Physical and mechanical properties of deep-sea sediments

采样位置	沉积物类型	水深 /m	含水率/%		湿密度/(g/cm³)		孔隙比		孔隙度/%		抗剪强度/kPa		贯入阻力/kPa		塑性指数	液性指数
采样位置	沉积物类型	水深 /m	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	塑性指数	液性指数
西太平洋马里亚纳海沟南部^[20]	砂质粉砂	6 471	182.7~ 329.9	225.20	1.19~ 1.29	1.26	4.7~ 7.6	5.45	82.5~ 88.4	85.5	2.0~ 8.0	5.52	4.19~ 41.57	30.82	—	—
大洋多金属结核矿区东区东部丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 734	230.8~ 270.0	250.7	1.22~ 1.25	1.23	6.1~ 7.3	6.70	85.9~ 88.0	87.0	4.8~ 8.5	6.6	7.8~ 22.7	14.5	43.0~ 53.0	2.8~ 4.2
大洋多金属结核矿区东区东部海岭裂谷^[17]	黏土质粉砂	1 737	208.0~ 272.0	241.1	1.21~ 1.27	1.24	5.5~ 7.4	6.50	84.6~ 88.1	86.7	5.3~ 8.3	6.3	7.4~ 26.1	16.17	32.0~ 59.0	2.8~ 3.3
大洋多金属结核矿区东区东部海山丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 779	237.0~ 257.0	247.3	1.22~ 1.25	1.23	6.3~ 6.9	6.60	86.3~ 87.3	86.8	4.0~ 14.0	10.3	4.8~ 18.5	12.93	63.0~ 59.0	2.8~ 4.5
大洋多金属结核矿区东区南部丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 820	208.0~ 257.0	231.7	1.20~ 1.25	1.22	5.6~ 7.1	6.30	84.8~ 87.7	86.3	4.2~ 7.1	5.65	6.3~ 44.7	23.4	40.0~ 47.0	3.1~ 3.6
大洋多金属结核矿区西区北部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 356	225.0~ 250.0	239.3	1.23~ 1.26	1.25	5.9~ 6.6	6.30	85.5~ 86.8	86.3	4.9~ 8.6	6.63	8.7~ 25.4	16.87	45.0~ 48.0	2.7~ 3.5
大洋多金属结核矿区西区中部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 395	247.0~ 271.0	261	1.21~ 1.27	1.25	6.5~ 7.3	6.90	86.7~ 88.0	87.3	5.1~ 7.6	6.03	8.7~ 22.7	16.43	42.0~ 64.0	2.2~ 4.2
大洋多金属结核矿区西区南部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 464	217.7~ 250.0	236.5	1.22~ 1.25	1.23	5.8~ 7.0	6.40	85.3~ 87.5	87.3	5.1~ 7.7	6.1	9.1~ 31.7	20.67	37.0~ 40.0	4.1~ 4.4

表1 深海沉积物的物理力学性质

Table 1 Physical and mechanical properties of deep-sea sediments

采样位置	沉积物类型	水深 /m	含水率/%		湿密度/(g/cm³)		孔隙比		孔隙度/%		抗剪强度/kPa		贯入阻力/kPa		塑性指数	液性指数
采样位置	沉积物类型	水深 /m	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	塑性指数	液性指数
西太平洋马里亚纳海沟南部^[20]	砂质粉砂	6 471	182.7~ 329.9	225.20	1.19~ 1.29	1.26	4.7~ 7.6	5.45	82.5~ 88.4	85.5	2.0~ 8.0	5.52	4.19~ 41.57	30.82	—	—
大洋多金属结核矿区东区东部丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 734	230.8~ 270.0	250.7	1.22~ 1.25	1.23	6.1~ 7.3	6.70	85.9~ 88.0	87.0	4.8~ 8.5	6.6	7.8~ 22.7	14.5	43.0~ 53.0	2.8~ 4.2
大洋多金属结核矿区东区东部海岭裂谷^[17]	黏土质粉砂	1 737	208.0~ 272.0	241.1	1.21~ 1.27	1.24	5.5~ 7.4	6.50	84.6~ 88.1	86.7	5.3~ 8.3	6.3	7.4~ 26.1	16.17	32.0~ 59.0	2.8~ 3.3
大洋多金属结核矿区东区东部海山丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 779	237.0~ 257.0	247.3	1.22~ 1.25	1.23	6.3~ 6.9	6.60	86.3~ 87.3	86.8	4.0~ 14.0	10.3	4.8~ 18.5	12.93	63.0~ 59.0	2.8~ 4.5
大洋多金属结核矿区东区南部丘陵^[17]	黏土质粉砂	1 820	208.0~ 257.0	231.7	1.20~ 1.25	1.22	5.6~ 7.1	6.30	84.8~ 87.7	86.3	4.2~ 7.1	5.65	6.3~ 44.7	23.4	40.0~ 47.0	3.1~ 3.6
大洋多金属结核矿区西区北部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 356	225.0~ 250.0	239.3	1.23~ 1.26	1.25	5.9~ 6.6	6.30	85.5~ 86.8	86.3	4.9~ 8.6	6.63	8.7~ 25.4	16.87	45.0~ 48.0	2.7~ 3.5
大洋多金属结核矿区西区中部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 395	247.0~ 271.0	261	1.21~ 1.27	1.25	6.5~ 7.3	6.90	86.7~ 88.0	87.3	5.1~ 7.6	6.03	8.7~ 22.7	16.43	42.0~ 64.0	2.2~ 4.2
大洋多金属结核矿区西区南部丘陵^[17]	黏土质粉砂	2 464	217.7~ 250.0	236.5	1.22~ 1.25	1.23	5.8~ 7.0	6.40	85.3~ 87.5	87.3	5.1~ 7.7	6.1	9.1~ 31.7	20.67	37.0~ 40.0	4.1~ 4.4

图5 含水率随深度变化图

Fig.5 Variation of water content with depth

图6 湿密度随深度变化图

Fig.6 Variation of wet density with depth

图7 孔隙比随深度变化图

Fig.7 Variation of void ratio with depth

图8 孔隙度随深度变化图

Fig.8 Variation of porosity with depth

图9 抗剪强度随深度变化图

Fig.9 Variation of shear strength with depth

图10 贯入阻力随深度变化图

Fig.10 Variation of penetration resistance with depth

图11 贯入阻力与物性关系统计相关图

Fig.11 Statistical correlation plot of the relations between penetration resistance and physical properties

表2 贯入阻力随取样深度、天然含水率、湿密度、孔隙比而变化的预估计算方程

Table 2 Prediction equation of penetration resistance variation with sampling depth, natural water content, density and void ratio

站位	取样区域	单因子线性拟合关系式
1	西太平洋马里亚纳海沟南部	$P s = 15.376 + 0.3665 h$	$P s = 69.506 - 0.1785 w$	$P s = - 329.36 + 286.03 ρ$	$P s = 73.83 - 7.8917 e$
2	大洋多金属结核矿区东区东部丘陵	$P s = 2.95 + 0.1986 h$	$P s = 110.16 - 0.3816 w$	$P s = - 556.36 + 461.61 ρ$	$P s = 97.692 - 12.417 e$
3	大洋多金属结核矿区东区东部海岭裂谷	$P s = 1.85 + 0.2454 h$	$P s = 86.816 - 0.293 w$	$P s = - 384.2 + 322.01 ρ$	$P s = 80.238 - 9.8571 e$
4	大洋多金属结核矿区东区东部海山丘陵	$P s = 3.3 + 0.165 h$	$P s = 178.63 - 0.6699 w$	$P s = - 534.31 + 442.64 ρ$	$P s = 163.63 - 22.833 e$
5	大洋多金属结核矿区东区南部丘陵	$P s = - 6.45 + 0.5124 h$	$P s = 202.3 - 0.7722 w$	$P s = - 689.37 + 575.98 ρ$	$P s = 172.46 - 23.786 e$
6	大洋多金属结核矿区西区北部丘陵	$P s = 4.25 + 0.2163 h$	$P s = 168.5 - 0.6336 w$	$P s = - 395.85 + 332.39 ρ$	$P s = 159.88 - 22.692 e$
7	大洋多金属结核矿区西区中部丘陵	$P s = 6.3 + 0.1737 h$	$P s = 149.61 - 0.5103 w$	$P s = - 541.63 + 449.93 ρ$	$P s = 137.18 - 17.5 e$
8	大洋多金属结核矿区西区南部丘陵	$P s = 3.85 + 0.2883 h$	$P s = 134.81 - 0.4896 w$	$P s = - 682.61 + 567.77 ρ$	$P s = 139.94 - 18.734 e$

表2 贯入阻力随取样深度、天然含水率、湿密度、孔隙比而变化的预估计算方程

Table 2 Prediction equation of penetration resistance variation with sampling depth, natural water content, density and void ratio

站位	取样区域	单因子线性拟合关系式
1	西太平洋马里亚纳海沟南部	$P s = 15.376 + 0.3665 h$	$P s = 69.506 - 0.1785 w$	$P s = - 329.36 + 286.03 ρ$	$P s = 73.83 - 7.8917 e$
2	大洋多金属结核矿区东区东部丘陵	$P s = 2.95 + 0.1986 h$	$P s = 110.16 - 0.3816 w$	$P s = - 556.36 + 461.61 ρ$	$P s = 97.692 - 12.417 e$
3	大洋多金属结核矿区东区东部海岭裂谷	$P s = 1.85 + 0.2454 h$	$P s = 86.816 - 0.293 w$	$P s = - 384.2 + 322.01 ρ$	$P s = 80.238 - 9.8571 e$
4	大洋多金属结核矿区东区东部海山丘陵	$P s = 3.3 + 0.165 h$	$P s = 178.63 - 0.6699 w$	$P s = - 534.31 + 442.64 ρ$	$P s = 163.63 - 22.833 e$
5	大洋多金属结核矿区东区南部丘陵	$P s = - 6.45 + 0.5124 h$	$P s = 202.3 - 0.7722 w$	$P s = - 689.37 + 575.98 ρ$	$P s = 172.46 - 23.786 e$
6	大洋多金属结核矿区西区北部丘陵	$P s = 4.25 + 0.2163 h$	$P s = 168.5 - 0.6336 w$	$P s = - 395.85 + 332.39 ρ$	$P s = 159.88 - 22.692 e$
7	大洋多金属结核矿区西区中部丘陵	$P s = 6.3 + 0.1737 h$	$P s = 149.61 - 0.5103 w$	$P s = - 541.63 + 449.93 ρ$	$P s = 137.18 - 17.5 e$
8	大洋多金属结核矿区西区南部丘陵	$P s = 3.85 + 0.2883 h$	$P s = 134.81 - 0.4896 w$	$P s = - 682.61 + 567.77 ρ$	$P s = 139.94 - 18.734 e$

表3 深海沉积物土质类别系数

Table 3 Soil type coefficient of deep-sea sediments

土质类别	α	β	θ	K
砂质粉砂	-0.134 31	353.603 88	8.634 05	-431.585 74
黏土质粉砂	-0.212 38	122.431 12	-4.615 67	-52.654 58

图12 实测值与计算值比较图

Fig.12 Comparison of measured and calculated values

表4 海底表层15~20 cm沉积物物理性质指标

Table 4 Physical property indices of 15~20 cm sediments on the seabed surface

	内摩擦角/(°)	内聚力/kPa	湿密度/(g·cm^-3)	N_c	N_q	N_r
砂质粉砂	5.9~7.2	4.6~6.3	1.19~1.29	6.8~7.65	0.52~1.58	0.012~0.049
黏土质粉砂	5.9~12.0	4.0~12.0	1.2~1.27	6.8~9.27	0.52~2.63	0.012~0.064

图13 不同履带宽度与最大承载力的关系图

Fig.13 Relationship between different track widths and the maximum bearing capacity

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