第1章　海洋土工程特性研究概况

1.1　海洋土的成因及特点

海洋土是相对于陆上土而言的，是物理、化学和生物过程综合作用的结果。海洋土的组成包括陆源物质、生物物质、宇宙物质、火山物质、化学物质等，它们形成了海底特殊的地形地貌和分布特征。海洋土的形成、分布规律及工程特性与各种海洋结构的地基稳定性密切相关。

1.1.1　海洋沉积物

海洋沉积物是由陆源碎屑物质和生物、化学过程的溶液中形成分解出的物质组成。陆源碎屑主要是由河流、冰山和风携带的微粒组成，有机物质大多数来源于贝壳和海洋生物体的骨骼。按其成因可将海洋土颗粒分为3大类。岩成颗粒：主要是硅酸盐类矿物和颗粒，由风化作用时陆地岩石破碎而来，此外还有火山喷发和宇宙的尘埃陨石等天体带来的外来物。生物颗粒：它是海洋生物体的骨骼、牙齿和贝壳等难溶解的残余部分。水成颗粒：它是海水或沉积物水和其他物质发生化学反应形成的，多金属结核就是这种类型突出的例子。

河流是海洋中沉积物的最大来源，它每年将大约200亿t的沉积物质贡献给海洋，其中大部分来自亚洲，其次是欧洲。年输沙量在10亿t以上的大河由恒河和黄河，1亿～10亿t的有长江、伊洛瓦底江、湄公河、印度河、布拉马普特拉河、密西西比河、亚马孙河和科罗拉多河。风每年能够将10亿t的尘埃物质搬运到海洋中，其中主要来源于沙漠和高山。生物成因沉积物在成分上可能是钙质或硅质的。钙质的碳酸盐沉积物分布的范围比较广，包括大陆边缘和大洋底，大洋钙质生物沉积根据其固结度不同可分为钙质软泥、白垩和石灰岩，其中钙质软泥分布最广。钙质软泥根据生物门类可分为有孔虫软泥、钙质超微化石软泥及翼足虫软泥，它们约占洋底面积的47.7%。远洋硅质沉积是含生物骨屑50%以上，硅质生物遗骸30%以上的沉积物，根据固结度的不同可分为硅质软泥、硅藻土、放射虫土、瓷质岩和燧石。根据生物类型可将硅质软泥分为硅藻软泥和放射虫软泥，它们约占洋底面积的14.2%。

1.1.2　海洋土的组成及微观结构

来源多样的海洋沉积物，在复杂的海底动力环境下，经过了不同的搬运与沉积过程形成了不同物质组成和结构特征的沉积物。

1.海洋土的物质组成

海洋土和陆地土相比，在物质成分上有很大区别，特别是土中含有很高的可溶盐生物组分和碳酸盐组分，影响着海洋土的工程性质。

不同环境的沉积物来源不同，它们的沉积类型和物质成分也有很大差别。在大陆边缘的沉积物中生物组分相对较小，以陆源岩成物质为主，而深海大洋中的沉积物生物组分较高，有时甚至高于非生物组分（陆源、自生、火山及宇源），使得它们在矿物成分、化学成分和粒度成分以及物理力学性质方面和陆源沉积物都有不同。

大陆台阶（大陆架和大陆坡）、深海丘陵和深海平原不同环境中沉积物的粒度成分和颗粒密度有较大的差别。大陆边缘的沉积物中粗粒沉积物较多，平均粒径和颗粒密度比深海平原和丘陵要高。大洋中的火山沉积和浊流沉积的平均粒度比硅质和碳酸盐软泥要高，褐色和红色黏土最细。由于沉积类型不同，它们的饱和容重、孔隙度和声波在其中的传播速度（声速比即沉积物声速/海水声速）也不同。

海洋沉积物中的矿物成分和化学成分与沉积物来源密切相关，因此在世界大洋中很难找到一个统一的规律，但它们都在不同程度上影响着沉积物的物理性质。沉积物中的黏土矿物是构成黏土颗粒的主要成分，是控制黏性土工程性质与变化的主要因素之一。高岭石的晶体化学结构特点决定了高岭石与水相互作用所表现的物理、化学性质较弱，因此含高岭石矿物的黏性土工程性质不易因外界条件变化而变化。蒙脱石晶体结构特点决定蒙脱石具有很大的亲水性、吸附性、离子交换容量，与水相互作用表现了强烈的物理－化学性能，并对外界条件非常敏感。因此蒙脱石含量较高的土具有含水量大、压缩性高、强度低、吸水膨胀、失水收缩及高塑性等特点，其性质易随外界条件变化而变化。伊利石的亲水性、置换与吸附等物理－化学性能介于蒙脱石与高岭石之间，绿泥石的物理－化学作用的活跃性与伊利石相似。沉积物中的化学成分，特别是可溶盐类的含量对松软土工程性质的影响，以及难溶盐类的含量对海洋土工程性质的影响均较大，碳酸盐含量增加，内摩擦角φ增大，液限和塑性指数减小，塑性降低，表现为粒状土的倾向。

2.海洋土的微结构特征

（1）结构类型。土的结构是其物质成分的存在形式，它反映土的形成及存在条件，与土的物质成分一样，是决定土的工程性质，特别是变形及强度的基本内在因素。一般地说，土的物质成分对其外界条件变化的反应比较迟钝，而结构却非常灵敏，因此要研究海洋土的工程特性及其在动荷作用下的变化首先就需要研究它的结构，特别是它的微观结构。海洋土的微结构类型大体可以分为以下4种类型：

1）粒状胶结结构。粒状胶结结构是指以集粒或粉粒为骨架，颗粒间基本上互相接触，粒间孔隙较小的土体结构。由于胶结材料的不同，粒状结构又可以分为粒状盐晶胶结结构和粒状黏土胶结结构两个亚类。

2）粒状链接结构。粒状链接结构是指以集粒或粉粒为骨架，颗粒间有一定距离，粒间由黏土“畴”构成的链把粒状连接在一起，是粒间空隙较大的土结构。

3）絮状链接结构。絮状链接结构是指以絮凝体为骨架，由黏土“畴”构成的链把凝聚体连接在一起，构成絮状链接结构。根据絮凝体的疏密程度和连接链的长短，可以分为致密絮凝长链结构、致密絮凝短链结构、开放絮凝长链结构和开放絮凝短链结构4个亚类。

4）黏土基质结构。这种结构含有大量黏土“畴”凝聚成规则或不规则的凝聚体，凝聚体再进一步聚合在一起，形成黏粒基质结构。如果黏土基质中凝聚体排列比较紧密，而生成面－面叠聚形态，称之为定向黏粒基质结构，一般存在于较深的沉积物中；如果凝聚体内孔隙大而多，并且互相连通呈开放排列，称之为开放黏粒基质结构，这种结构一般存在于浅层土中。

（2）微结构类型与工程性质的关系。海洋沉积物的微结构对其工程性质具有重要影响。粒状胶结结构的土具有较小的孔隙度，较高的强度，较低的压缩性。粒状链式连接的沉积物强度较高，但孔隙度较大，压缩性中等偏高。絮凝结构的沉积物却往往具有高压缩性、高流变性、高灵敏性和低强度的特点，这种不良的工程性质在开放絮凝长链结构中表现尤为突出。

高压缩性一般发生在开放长链结构中，因为“长链”连接意味着存在着大量的不稳定的粒间空隙。“开放”凝簇结构意味着有较多的絮凝体内的粒内孔隙，具有这种结构的土，在一定的压力作用下就会产生较大的变形。

高流变性主要产生在长链结构中，不管骨架颗粒是粒状还是絮凝体，在长期应力作用下都将发生长期的流动变形，根据一些学者的研究主要是剪切应力使连接链条拉长和畸变的结果。

高灵敏性与开放絮凝结构中“畴”的排列方式有关，如果黏土畴呈边－面－角的空间网格排列，这种排列具有一定的空间刚度，破坏时强度将急剧降低，因此表现为高灵敏性。

低强度是开放絮凝链式连接的一大特点，这种连接一般发生在集粒和黏土凝聚体之间，这些黏土凝聚体是在海水条件下，由黏粒和黏土畴凝聚成各种大小不同的凝聚体，凝聚体之间并不互相接触，两者之间相隔一段距离，一些小凝聚体有的像链条那样把两个大凝聚体控制住，有的像桥那样把凝聚体连接在一起，这种连接强度低，链的长细比越大，强度越低，在剪应力的作用下将产生长时间的流动变形。

粒状胶结结构和定向黏粒基质结构强度较高，因为粒状胶结结构中颗粒基本上是相互接触的，粒间孔隙较小，定向黏粒基质结构的基质黏土中凝聚体内“畴”的排列比较紧密，而且是面－面的叠聚，凝聚体内微孔隙较少而小，所以强度较高，不像开放黏粒基质结构那样，凝聚体内“畴”的排列比较疏松，而且是边－面连接，凝聚体内微孔隙大，互相连通，所以强度较低。

1.1.3　海洋土的原位应力状态

天然土层在历史上所受过的固结应力（指土体在固结过程中所受的有效压力）称为前期固结压力，黏性土的压缩性因所经历的应力历史不同而异，按照土层所受的前期固结压力与现有压力相对比的情况，可将黏性土分为正常固结土、超固结土和欠固结土3种。正常固结土层在历史上所经受的前期固结压力Pc等于现有上覆土层的有效应力P1，即Pc＝P1；超固结土层历史上曾经受过大于现有上覆土层有效应力的前期固结压力，即Pc＞P1；欠固结土层的前期固结压力则小于现有上覆土层的有效应力，即Pc＜P1（图1.1.1）。

海洋土也存在这3种原位应力状态。一般而言，陆架和陆坡上的沉积物处于超固结状态。在海洋中正常沉积过程所形成的海洋土应是正常固结的，但海底土因沉积环境的改变有时在同一地区上下土层可能处于不同的固结状态。

（1）超固结作用的可能机制。超固结作用起因于固结后的应力解除，即图1.1.1中的B类土层，历史上本是相当厚的覆盖沉积层，在土的自重作用下已达到固结稳定状态，图中虚线表示当时沉积层的地表，后来由于流水或冰川剥蚀作用而形成现在地表。因此前期固结压力Pc＝γhc（hc为剥蚀前地表下的计算深度），超过了现有土层自重应力P1，所以B类土是超固结的。

在海洋条件下它可能由于潜水环境的海洋侵蚀和以前冰川作用而引起的，也可能由以往波浪加载的影响而引起，特别是浅水区前期固结压力可能因此而得以增加。

（2）欠固结的可能机制。欠固结通常与土体中超孔隙压力的存在有关，按照有效应力原理，欠固结土的原位有效应力σ′＝σ－u要小于上覆土层的有效覆压力γz，如果总应力不变，则有效应力与孔隙压力（孔隙压力uw和孔隙气压力ua）有关，因此造成超孔隙压力的因素也就是欠固结土存在的可能机制，归纳起来有4种，如图1.1.2所示。

1）新近快速沉积作用。在沉积期间，随着超孔隙水压力的增加，总应力也增加，但超孔隙水压力的消散可能相当慢，它取决于沉积厚度及固结系数，还有排水情况，因此，有效应力会小于最终值r′z，土体将保持欠固结状态，直到超孔隙水压力u消散到与静水压力相等，即σ′＝r′z时沉积物成为正常固结状态。

2）沉积物中的气体。这里主要指的是沉积物中的密闭气体，它的压力可导致沉积物的超孔隙压力的增加，从而造成有效应力（σ′＝σ－u）小于土体相应的上覆自重应力（P1＝r′z），即处于欠固结状态。密闭气体可由原与大气相通的吸附气体或游离气体转变而成，或由生物作用而成。气体产生越多，孔隙压力越高。

3）沉积物中渗透压力的存在。土层中的地下水或海水，只要有水头差的存在（地形或涨落潮的影响），受到静水压力的作用，就会有一个渗透压力，此压力可使孔隙水压力增加，尤其是在有水流溢出地表时，有效应力σ′将等于总应力减去孔压u，再减去在孔隙中渗透的孔隙水压力。

4）波浪循环荷载。大的暴风产生的周期性荷载，能够在土层中产生超孔隙压力，尤其是在饱和的松软土中，这样又将使有效应力小于有效覆盖压力。对于渗透性低的沉积物而言，一次风暴产生的孔隙水压力可能叠加在早期风暴和其他机制产生的孔隙水压力上，使土层的有效应力进一步减小。但风暴引起的有效应力减小是一个短暂的现象，因超孔隙压力在风暴期间或期后将趋于消散，所以当风暴过后，孔隙压力消散时，土体可能又处于正常固结或超固结状态。

1.1.4　海洋土的工程特性

现有的海洋土工程性质资料绝大部分是大陆边缘的，深海资料较少。主要包括无机黏土、钙质沉积物、硅质沉积物、半远洋沉积物及浊流沉积物和火山灰。

1.无机黏土

海洋黏土沉积与陆上黏土的差异在于海洋土中有原位应力状态并可能有气体存在，但大量实验资料也证明，海洋黏土和陆地黏土的基本性质是相同的，特别是在滨海地区，陆上黏土工程性质中的某些关系可应用到海洋中。深海大洋中的黏土在塑性、强度、固结特性、变形参数等许多方面与陆地黏土也有许多相似之处。主要差别在结构上多以絮状结构出现而具有高压缩性、高灵敏度、高流动性、低强度的特点。

2.钙质沉积物

钙质土的有效内摩擦角φ较高，通常高于硅质砂，随着围压的增大，抗剪强度显著减小。原因是钙质砂含有大量的角状颗粒及相应的粒间孔隙，故其摩擦角高于石英砂。其工程性质在很大程度上取决于以下因素。

（1）平均有效应力效应：随着平均有效应力效应的增加，土从破裂时膨胀变化到更具塑性性质，在此情况下剪切呈现出体积的减小，此种转变一般在较低围压（200kPa）时出现，而陆上的硅质砂通常要在2000kPa时才出现这一转变。

（2）压碎效应：φ′值随平均有效应力增大而减小，归因于颗粒的压碎效应，颗粒破碎的发生使钙质砂剪胀性减小，体积收缩应变增大，峰值强度降低。

（3）胶结效应：有研究表明，在很小应变下胶结的样品实际上不产生孔隙压力，但在较大的应变下颗粒胶结开始破坏，并且开始产生出显著的孔隙压力。胶结作用破坏，碳酸盐会表现出像未胶结的钙质粉砂一样，在纯流体静应力下，胶结破坏发生在压力为1～5MPa之间时，它取决于胶结物胶结的强度。

（4）碳酸盐含量效应：随着碳酸盐含量增大，φ值增大，破坏时孔隙压力却减小，随着碳酸盐含量增加液限和塑性指数减小。固结特性在高压力下压缩性有明显降低趋势，在更高的应力水平下，呈现出与某些灵敏度高的黏土和硅质砂相似的情况。

3.硅质沉积物

硅质沉积物平均比重值为2.45，最低为2.30，因为它们主要由比重为2.10的蛋白二氧化硅组成。其中放射虫软泥具有最低的容重（平均为1.12g/cm3），最高的孔隙度（89%）和最高的含水量（平均389%）。对这种异常的沉积物进行显微镜观测，发现它们不仅有很高的粒间孔隙度，而且每一骨架颗粒也是空心和多孔的。硅藻黏土其特点是具有高的含水量（89%～205%），非常低的抗剪强度（特别是对硅藻软泥来说）和非常低的水下容重。

4.半远洋沉积物

出现在所有大陆边缘的斜坡和大陆裙上部，它是大陆风化产物通过各种途径搬运来的碎屑物质的快速沉积。北太平洋半远洋沉积物的总平均粒度为3.36μm，饱和容重为0.95g/cm3，含水量为90%，孔隙度为67%。北大西洋的半远洋沉积物平均粒度为3.24μm，饱和容重1.58g/cm3，含水量为80%，孔隙度为65%。

5.浊流沉积物和火山灰

北太平洋的浊流沉积物是由极细砂和中粉砂向上递变为黏土的序粒层组成的，其物理性质见表1.1.1。

在北大西洋中也存在着类似于北太平洋的那种砂和粉砂序粒层，只是比太平洋沉积物略粗些，其物理性质见表1.1.2。火山灰的饱和容重为1.75g/cm3，含水量为40%，孔隙度为48%。