曹妃旬海域工程地质条件及海底稳定性评价

   本文通过土工实验分析,发现河北南堡一曹妃甸海域沉积物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土组成,约占总沉积物的85%,另含有少量的淤泥质黏土、粉质黏土、细砂和中砂。综合归纳南堡一曹妃甸海域的工程地质条件,根据影响研究区工程地质条件差异性最突出的因素即海底地形地貌、潜在地质灾害分布,结合海底土质类型及其物理力学性质等条件,将研究区划为4个工程地质区,分别为近岸水下岸坡混合土工程地质区(I)、侵蚀平原、洼地砂质土工程地质区(Ⅱ)、侵蚀洼地混合土工程地质区(HI)、陆架堆积平原细粒土工程地质区(Ⅳ)。通过海洋环境因素、灾害地质条件、地震活动性、海底土体稳定性等方面对各工程地质区进行海底稳定性评价,4个工程地质区的稳定性分别为工区:不稳定区;Ⅱ区:较稳定区;ITl区:较不稳定区;Ⅳ区:稳定区。研究成果对该地区的海底工程建设和防灾减灾具有重要的指导意义。

   1 引言

  研究区位于渤海湾湾口北侧,曹妃甸外海。曹妃甸是渤海湾内正在开发的深水港口和在建的临港工业区,其临近海域蕴藏着丰富的石油和天然气资源。
随着港口建设和海上油气田开采,海洋工程建设增多,极有必要对曹妃甸附近海域的海底工程地质条件及海底稳定性进行系统的调查与分析,这对该地区的
海底工程建设和防灾减灾具有十分重要的经济意义和战略意义。

   自20世纪80年代以来,国内不少学者对曹妃甸及附近海域沉积物进行了研究,取得了大批有价值的成果,但这些成果主要集中于晚更新世末期以来古植
被与古气候的演变序列及古环境恢复口_2],沉积物分布特征’3J,表层沉积物的物理力学性质特征[4],工程地质特征及插桩深度和桩基适宜性等方面[5_6j。针对曹妃甸海域海底稳定性评价的研究还未有报道,本文在综合归纳南堡一曹妃甸海域的工程地质条件,根据影响研究区工程地质条件差异性最突出的因素:海底地形地貌、潜在地质灾害分布,结合海底土质类型及其物理力学性质等条件,进行工程地质分区,并从海洋环境因素、灾害地质条件、地震活动性、海底土体稳定性等方面对各工程地质区进行海底稳定性评价。

  2 样品与方法

 研究区面积约为1 955 krn2,均匀布设了95个采样站位,取样间距约为5 km。研究所用样品包括2009年5月采集的16根重力柱状样和46个表层样,
以及2009年7月采集的33个表层样。柱状样最短的为66 ClTI,最长的为355 cm,平均长度为194 cm。研究区域及取样位置见图l。
   
  现场对表层沉积物进行了含水率、密度、十字板剪切和微型贯入实验。室内测试依样品性质而定,对分段样品(25~35 cm)进行了含水率、密度、粒度、十
字板剪切、贯入阻力、液塑限、快速固结及静三轴剪切实验(UU)(2009年完成)。含水率测试采用烘干法,密度采用环刀法,粒度采用激光粒度法,十字板剪切强度采用微型十字板,贯入阻力采用袖珍贯入仪。液塑限采用液限塑限联合测定法,快速固结采用三联低压固结仪(压力等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400kPa),静三轴剪切试验采用不固结不排水法(周围压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa),实验标准参考《土工实验规程}}SL237—1999。本文参照《海洋调查规范第ll部分:海洋工程地质调查}(GB/T 12763.11—2007)对土样进行分类和定名,其中,粉质黏土、黏土、淤泥质黏土和淤泥属于黏性土,砂质粉土和黏质粉土属于粉土,中砂、细砂和粉砂属于砂土。

   
  3海底土物理力学性质特征

  3.1 表层土的物理力学性质特征  

    表层土是指深度o~0.4 m的海底土层。现场实验结果表明,本区表层土分布有淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉土、粉砂及少量的中砂和细砂。表层土的含水率介于30.83%~86.74%之间,平均为65.64%;天然密度介于1.57~1.96 g/cm3之间,平均为1.68 g/cm3;十字板剪切强度变化范围为1.00~4.20 kPa,平均为2.40 kPa,贯入阻力变化范围为1.45~7.80 N,平均为4.08 N。因表层土属现代沉积,正遭受着海洋动力作用,处于不稳定状态,所以表层土的物理力学性质只能作为区域性对比的依据之一。对具体某一区域的工程特征来说,应以浅层土的测试结果为依据。

   3.2浅层土的物理力学性质特征

  浅层土是指所取得的柱状岩心深度范围的土层。本区柱状样的岩性存在较大的变化,研究区西南部的NO-2、NO-5、N016、N018、NO-20、NO-27及东北部的NO-59站位,岩性以淤泥为主,含有少量的淤泥质黏土、黏土、粉质黏土及黏质粉土。研究区域中部的NO-31 7 NO-417 NO-43、NO-45,NO-50 7 NO-55,NO-64,NO-69、NO-75站位(图1),岩性以粉砂、黏质粉土、砂质粉土和黏土为主,含有少量的粉质黏土、细砂、中砂和砾砂。图2为各个站位土类的垂直分布情况。
   

   不I司深度处的浅层土物理力学性质相差很大。黏性土的含水量最高,介于25.23%~80.14%之间,平均为58.23%,粉土含水量介于22.92%~44.16%之间,平均28.85%,砂土的含水量最低,介于18.22%~31.32%之间,平均为25.80%。含水量的变化规律是:与黏粒含量呈正比,粒度越细含水量愈高;与样品深度呈反比,深度愈大,含水量愈低,即从表层向下,含水量变低。黏性土、粉土、砂土的平均密度值分别为1.71 g/cm3、1.99 g/cm3、2.00 g/cm3,可以看出,颗粒组成越细,密度越低。海底土的孑L隙性与其结构、颗粒大小、排列及密实程度有关,本区黏性土孔隙度最高,平均为1.54。粉土平均为0.74,砂土平均为0.69。粒度越细,孔隙度越高,反之孑L隙度低。

   反映海底土可塑性的指标包括液限(w。.)、塑限(W,)、塑性指数(j,)和液性指数(h)。本区黏性土的液限、塑限和塑性指数平均值分别为59.75%、29.79%和36.35%;粉土的液限、塑限和塑性指数分别为49.1l_:=,o、21.77丸、32.u眇j;不难看出,各类土的可塑性与黏粒含量密切相关。黏粒含量高,可塑性好,反之则差。黏性土可塑性好,粉土的可塑性较差,砂土不具可塑性。

   本区黏性土、粉土、砂土内聚力(静三轴UU)的平均值分别是7.10 kPa、6.97 kPa、3.27 kPa,内摩擦角(静三轴uU)的平均值分别是3.31。、21.58。、25.20。;压缩系数的平均值分别是1.75 MPa~、0.43MPa~、0.42 MPa~,黏性土属高压缩性土,粉土和砂土属中压缩性土。黏性土的内聚力较大、内摩擦角很小,这与本区黏性土的粒度成分和含水量等相吻合。而粉土和砂土的内聚力较小,内摩擦角较大,这是由于其颗粒较粗,含水量较低的缘故。   

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