第33卷第1期2021年3月
宁波工程学院学报
JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol.33No.l
Mar.2021
DOI：10.3969/j.issn.l008-7109.2021.01.002
孙华强1，庄丹丹1，宋春霞1，朱志敏2，王凤彳
(1.宁波工程学院建筑与交通工程学院，浙江宁波315211; 2.自然资源部第二海洋研究所自然资源部海底科学重点
实验室，浙江杭州310012; 3.自然资源部第三海洋研究所，福建厦门361005)
摘要：对大洋50航次获取的大洋插管柱状沉积物样品进行了土工力学参数测试，统计分析不同深度沉积物的含水量、湿奋度、贯入阻力、剪切强度等土工特性与其取样层位之间的关系，以及各特性指标之间的关系。结果表明：研究区表层沉积物的含水率介于215.10%~284.90%，压缩系数介于5.53-6.21MPa"，天然密度介于1.20-1.24g/cn?；表层沉积物呈流塑状态。研究区表层沉积物的贯入强度和抗剪强度，随深度的增加而增大，在距沉积物表面15cm处，沉积物的抗剪强度迅速增大至18kPa，在15cm深度以下，抗剪强度增加趋于平缓，表明沉积物抗剪强度相对稳定；在表层沉积物30 cm深处，抗剪强度最大达到28kPa，贯入强度最大达到58.7kPa。 关键词：东太平洋大洋；大洋沉积物；物理性质；力学性质
中图分类号：P751文献标识码：A文章编号：1008-7109(2021)01-0008-05 Geotechnical Characteristics of Seabed Sediments in the Study Area of Polymetallic Nodules in the East Pacific Ocean
SUN Huaqiang1,ZHUANG Dandan1*,SONG Chunxia1,ZHU Zhimin2,WANG Feng3
(1.School of Civil and Transportation Engineering,Ningbo University of Technology,Ningbo
315211,China; 2.Second Institute of Oceanography,MNR,Hangzhou310012,China; 3.Third Institute of Oceanography,MNR,Xiamen361005,China)
Abstracts:The soil mechanics test was carried out on the ocean sediment samples collected in the50 voyages of the ocean.The relationship between the geotechnical characteristics of the sediment at different depths,such as water content,wet density,penetration resistance,shear strength and so on,was statistically analyzed,as well as the relationship among the characteristic indexes.The results show that the surface sediments in the study area have the characteristics of high water content,high compressibility,low density and low strength,and they are in flow plastic state.The penetration resistance and shear strength of surface sediments in the study area increase with the increase of depth. At the area which15cm from the sediment surface,the shear strength of the sediment increases significantly to18kpa.Below the depth of15cm,the shear strength is in the high value area with little fluctuation.
Keywords:Eastern Pacific Ocean,oceanic sediment,physical property,mechanical property
收稿日期：2020-09-09修回日期：2020-12-31
基金项目：大洋“十三五”资源环境类项目课题(DY135-N1-1-04,DY135-C1-1-07)
通信作者：庄丹丹(1989—)，女，浙江宁波人，硕士，讲师，主要从事海洋地质和海洋土工力学研究,
E-mail:*********************
孙华强等：东太平洋多金属结核研究区海底沉积物土工特性研究9
0引言
多金属结核富含多种金属元素，具有巨大的潜在经济价值，是一种重要的海洋矿物资源叫我国东太平洋CC区是至今为止发现深洋底多金属结核分布最为密集的区域之一，多金属结核主要存在于深海沉积物表层，而采集多金属结核需要将采集设备设置在深海沉积物上。沉积物作为采集设备的承载基础，其土工力学特征限制了采集设备的质量以及设计方向。过去的研究结果表明，深海沉积物具有高含水率、低强度、高孔隙比等特性，因海底地形各异，大洋沉积物的物性和土工力学特性在水平和垂向上具有不均一性。研发拥有高采集效率，同时降低采集成本的多金属结核采集设备是必要的，而此过程就需要研究者提供更为精准的深海沉积物土工特性。为此，对取样研究区的深海沉积物进行土工特性研究，分析其承载机理，以期为采集设备的设计提供有效参数和依据X］。
东太平洋CC区表层沉积物主要为含粘土的硅质软泥，物质组分主要为硅质组分叫对该研究区调查过程中所取得表层沉积物进行颗粒分析，同时进行现场和室内土工力学测试，利用表层沉积物的特性指标进行分析，确定该区沉积物的特性参数与取样层位之间的关系以及各特性参数之间的关系，同时确定研究区域半液化层厚度，为东太平洋多金属结核矿区勘探和采矿设备的设计制造提供了环境参数和科学依据4役国内研究学者王树仁根据CC区海底沉积物的含水率、抗剪强度等物理力学性质大致将研究
区沉积物分为流动状、流塑状、可塑状％由于不同区域的沉积速率不一致，各结核研究区的沉积物半液化层厚度也不一致。因此，对大洋50航次获取的大洋插管柱状沉积物样品进行土工特性研究具有重要价值。
1试验条件及方法
本试验土样是通过箱式取样方法对东太平洋CC区水深5078m的大洋沉积物进行取样，样品长度38cm，管径10cm。沉积物为黄棕-深棕，试样表层存在一层液化土层，含较高水量。封样保持垂直状态保存于4七恒温恒湿箱中。
参照《海洋调查规范》(GBfT12763.8-2007)，去除沉积物中的有机质，并对样品进行激光粒度分析，将沉积物样品进行Shepard分类。同时根据粒度结果，分别得出粘土、碎屑以及生物等相关百分含量，根据深海远洋沉积物三角分类图解对沉积物进行定名。
参照《GB/T12763.9-2007海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》规范，水深大于3000时，采用Dean等(1985)的命名方案，将沉积物组分划分为三个组分，分别为粘土、钙质生物、硅质生物，根据这三个组分的不同百分含量对沉积物进行命名。
参照《海洋调查规范》(GB/T12763.8-2007)中沉积物物理力学性质测试方法对现场采样取得试样进行
剪切试验和贯入试验，分别使用SJL型十字剪切板(精度小于2%)和WG-H-20N型微型贯入仪(精度＜1%)进行试验。
参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)在实验室对试样进行含水量、密度、比重等物理力学性质进行测定，每间隔4cm测试一组参数。
2试验结果及分析
mse
研究区沉积物试验数据如表1、表2所示，取一组具有代表性沉积物压缩参数绘制压缩曲线，如图1所示。
2.1沉积物物理性质
研究区沉积物粒度分析随深度的变化情况如图2所示。在上部10cm以浅层位为砂质粉砂，以深
10宁波工程学院学报2021年第1期
层位为粘土质粉砂。
使用德国Leitzz偏光显微镜160放大倍数随机选取样品涂片三个视野，分别进行生物量、碎屑矿物以及
其他组分的统计，发现该沉积物样品物质组成主要为硅质组分。即涂片鉴定结果显示本研究区样品沉积物主要为含粘土的硅质软泥。
研究区试样的物理性质随深度的变化情况如图3所示。本区沉积物的含水率较高，介于215.10% -284.90%，平均含水率为233.62%。由图3可见，沉积物天然含水率随深度的增大总体呈降低趋势,0~ 15cm层位沉积物含水率迅速下降,15cm深度以下沉积物含水率略有波动。同时测得本区沉积物塑限平均值为115.37，液限平均值为161.470可发现沉积物含水率远大于液限，表明研究区表层35cm以内的沉积物处于流塑状态。
本区沉积物天然密度较小，介于1.20-1.24g/cn?，平均密度为122g/cn?，总体比重介于2.36~2.43，平均比重为2.39。各层沉积物密度比重随深度变化小，分布均一稳定。海底沉积土的土粒比重同其结构、颗粒大小、沉积物来源有关，不同层位沉积物成分不一。
2.2沉积物力学性质
为探讨研究区沉积物的物性、土工力学特性及两者之间存在的相关性，本次试验除了对沉积物的物理性质进行测定，同时做了压缩试验（见图3）、现场十字剪切试验（见图4）、贯入试验（见图4）以测定深海沉积物的力学性质。
深海沉积物含水率较高，天然孔隙比较大，沉积物总体压缩系数较大，总体分布介于5.53-6.21MPa-1，平均压缩系数为5.93MPa」。土样压缩模量分布随深度的增加总体呈减小趋势，即土层深度越深，土样压缩模量越小，土层越密实。
对土样进行现场十字板剪切试验，剪切强度在垂向随深度的增大而增大，随颗粒密度的增大及含水率的减小而增大，本区土样剪切强度最大达到28kPa。
对土样进行现场贯入试验,0~5cm层位试样液化，含水量较高，介于261.60%~284.90%，测得试样贯入强度为0kPa。在5cm深度以下，含水量降低，试样贯入强度迅速增大，在层位30cm处贯入强度最大达到58.7kPa，随后贯入强度略微下降。贯入强度在垂向随深度增加总体呈增大趋势，随颗粒密度及含水率的变化而变化。颗粒密度越大，含水率越低，试样贯入强度越大。即土样越密实，粘滞性越强，侧摩擦力越大，贯入强度越大。
表1室内试验测得大洋沉积物基本物理力学性质指标
取样层位/cm比重天然含水率/%天然密度/（g-cm-3）压缩系数/MPa"
2 2.37284.90 1.22 5.60
6 2.42261.60 1.20 5.85
10 2.39235.50 1.22 5.06
14 2.38228.40 1.23 5.79
18 2.43218.50 1.24 6.32
22 2.39219.80 1.23 6.26
26 2.36215.90 1.22 5.70
30 2.37215.10 1.24 6.07
34 2.39222.90 1.21 6.48
孙华强等：东太平洋多金属结核研究区海底沉积物土工特性研究
11
表2现场试验测得大洋沉积物基本物理力学性质指标35
取样层位/cm
十字剪切强度/kPa
贯入强度/kPa
I
00.03
20.0570.0
8913.3121716.715
18
22.7
202121.3
2522
33.3
30285&735
科洛奇尼20
50.0
6
二甲四氯
4车刀刃磨
2
20
18
0 100 200 300 400 500 600压强/kPa
图1沉积物压缩曲线（代表样）
30
25
100 25 50 75 100 5.56.06-5 1.8 2.0 2.2 -0.2-0.10.0 0.1 0.800.880.96
粒度组成/%平均粒径"分选系数 偏态
峰度
图2大洋沉积物粒度垂直分布图
40--------------------------------------------------
35 - ■ :
■
30 -
大规模失常性武器
■
■
o 5
2 15
35
0 5 0 5
2 112520
2.36 2.402.44
比重
210240270300
1.201.221.24
天然含水率/%
天然密度/ (g/cm 3)
5.4
6.0
压缩系数/MPa"
0 10 20 30 剪切强度/kPa
0 20 40 60
贯入强度/kPa
5O 5
图3大洋沉积物基本物理力学性质指标（室内试验）图4大洋沉积物基本物理力学性质指标（现场试验）
2.3试验分析
土力学性质指标中，沉积物的密度在1.20〜1.24 g/cm 3之间，比重在2.36〜2.43之间，含水率在215.10%〜
12宁波工程学院学报2021年第1期
284.90%之间，压缩系数在5.53-6.21MPa1之间，由此看出本研究区沉积物具有低密度、高含水率、高压缩性、低强度且固结快的特点。土的十字剪切强度在0~28kPa之间，本研究区土的剪切强度随土层深度的增加而增大。土的贯入阻力在0-58.7kPa，本研究区沉积物下层土的贯入阻力较大。
抗剪强度和贯入强度随深度变化趋势一致，抗剪强度在15cm深度迅速增大后趋于稳定变化。同时通过与抗剪强度和贯入阻力的比较，并没有发现沉积物粒度类型的不同导致抗剪强度和贯入阻力的不同。涂片鉴定结果显示研究区域沉积物主要为含粘土的硅质软泥，沉积物类型较为一致，含水率会影响沉积物抗剪强度与贯入阻力的大小。
根据含水量和抗剪强度随深度变化的规律，基本可分为三层：0~15cm，含水量迅速下降，天然湿密度增大，抗剪强度和抗渗能力迅速提高;15-30cm，含水率趋于稳定，抗剪强度缓慢上升；在30cm以下深度，湿密度变化不大，抗剪强度亦变化较小。在层位30cm处沉积物抗剪强度最大达到28kPa，贯入强度最大达到58.7kPa，承载能力低。
3结论
此次试验对东太平洋研究区深海沉积物进行了土工力学特性测定，得出以下结论：
(1)研究区表层沉积物的物理力学性质具有高含水率、高压缩性、低密度、低强度的软弱土。
(2)研究区柱状沉积物随深度的增加，含水量降低，贯入阻力和抗剪强度增加。因此下部土的强度要比表层高，在层位0~15cm处沉积物抗剪强度大幅度提高，约为18kPa以上，可将此参数作为采集设备的设计研究依据。
中山舰事件之谜(3)研究区土样承载力低，在设计制造采集设备时应考虑安全系数。
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