Macro- and micro-characteristics and mechanical properties of deep-sea sediment from South China Sea
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摘要: 针对中国南海深海软土的研究对于南海资源开发利用具有重要意义。由于取样困难，目前针对深海软土的研究较少，另外深海软土赋存环境特殊，其特性与常规软土有显著差异。通过基础物化特性试验、环境电镜扫描（ESEM）、一维固结及蠕变试验、常规三轴试验、对南海深海软土的材料特性、微观结构、压缩及蠕变特性、三轴剪切特性进行研究分析。试验结果表明该深海软土具有高含水率、低密度、高孔隙比、高饱和度的特点，为高液限粉土，矿物成分中以方解石和伊利石为主。电镜扫描结果显示该深海软土呈片状层理堆积结构，存在疏松架空骨架和贯通孔隙，能储存大量孔隙水，土体中存在生物残骸。一维固结及蠕变试验中，深海软土压缩性强，次固结变形大，固结系数随着竖向压力的增加而减小，次固结系数随着竖向压力的增加先增大后减小。在固结不排水三轴试验中，该深海软土表现出应变硬化特征，有效应力路径呈现先加载后卸载的特征，固结排水三轴试验中，应变硬化的特征更显著，有效应力路径呈现持续加载的特征。Abstract: The research on deep-sea sediment is meaningful for the exploitation and utilization of resources in the South China sea. Because of the difficulties in getting the natural deep-sea sediment, there are scarce researches on it. Besides, the mechanical properties and microstructures of the deep-sea sediment are different from the ordinary soft soil due to the unique geological environment. In this study, the basic material tests, ESEM tests, oedometer tests, 1D creep tests and conventional triaxial tests are conducted to investigate the material properties, microstructures, compression and creep characteristics and shear strengths of the deep-sea sediment. As shown in the results, the deep-sea sediment is a kind of silt with a high liquid limit, high water content, low bulk density, large void ratio and high saturation. The analysis of mineral composition shows calcite and illite are abundant. The micro-pictures show a lamellar layered stacked structure with loose skeleton and large pores, which attributes to the large void ratio and high water content, and there are some biological remains. In the oedometer and 1D creep tests, the deep-sea sediment shows high compressibility and large secondary consolidation deformation. The consolidation coefficient decreases with the vertical pressure, while the secondary consolidation coefficient ascends with the vertical pressure and then decreases after reaching the peak value. In the conventional triaxial tests, the deep-sea sediment shows strain hardening. The stress path from the consolidated undrained shear tests shows both loading and unloading processes, while only the loading process is found in the consolidated drained shear tests.
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Keywords:
- deep sea /
- soft soil /
- microstructure /
- compression /
- shearing /
- oedometer test /
- triaxial test
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0. 引言
中国南海蕴藏着丰富油气资源，属于世界四大海洋油气聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称，该海域目前已探明37个油气盆地，分布于南海北部和中南部[1-2]。南海北部大陆架油气区，是中国海上重要的油气产区且储存着丰富的水合物资源[3]。海洋油气资源主要分布在水深大于400 m的深水区域[4]，海上钻井平台、海底管道、深海采矿车等服务于深海资源开发的设施直接或间接与深海软土接触。由于对深海软土认识不足及深海作业经验缺乏，目前深海资源开采面临挑战[4]，因此针对深海软土特性的研究对于南海资源有效开发和减少开采事故具有重要意义。
目前，一些学者通过基础物化特性试验和微观试验，研究了中国沿海地区软土的宏观物化特性[5-12]、微观结构和孔隙特征[14-16]。对于其力学特性的研究主要通过原位剪切和贯入试验，常规三轴试验、固结及蠕变试验等，研究软土剪切特性[5, 13]、固结与次固结特性[6-13]。研究结果表明，中国沿海地区广泛分布淤泥质黏土和粉质黏土，多为软塑或流塑状态，强度较低，长期荷载作用下的蠕变特性显著。目前也有部分学者针对中国南海深海软土的物化特性、剪切和固结特性进行了研究，相应结果表明深海软土具有高含水率、高压缩性，低强度的特点[17-20]。然而由于取样困难，目前对于深海软土的物化特性、微观结构及力学特性的分析较少。另一方面，由于深海软土赋存环境特殊，其力学特性与陆地软土或近海软土有显著差异，因此对于深海软土的研究是必要的。
本文参照蒋明镜等[18]针对南海深海软土的研究方法，通过基础物化特性试验、环境电镜扫描、一维固结及蠕变试验、常规固结不排水及排水三轴试验，对南海北部陆坡区另一地域深海软土的材料特性、微观结构、压缩及蠕变特性、三轴剪切特性进行全面分析。着重分析对比不同测点深海软土、深海软土与常规近海软土的差异性，旨在为南海资源开发提供更为完备的试验数据。
1. 土体宏微观特性
1.1 土体基本物理化学特性
本研究用土由“东方红2”船执行的基金委2017南海北部及吕宋海峡共享航次取得，采用重力式柱状取样器通过有缆布放，到达距海床表面一定高度后，利用取样器自身重力和配重将取样器压入海床，取样后用海绵包裹储存深海土的PVC管，做好密封处理，平稳运输，保证土样受到的扰动较小。取土位置为东经115:02.761，北纬19:46.044，水深1552 m，柱状样长度2.25 m，直径10.3 cm，土样图片、各试验用土的含水率以及距海床表面的深度（即在PVC管中的位置）示意图如图 1所示。由上至下颜色呈现灰棕色到灰褐色的变化，具有较为明显的层理结构，表面存在孔洞，内部存在裂隙。本文及中国南海北部陆坡区部分深海软土基本物化特性如表 1所示，界限含水率及粒径组成如表 2所示，可知深海软土具有高含水率、高孔隙比、低密度、高饱和度的特点，该区域主要分布有高液限粉土和黏土，粉粒和黏粒含量高，呈流塑状态。本文深海软土粉粒和黏粒占比分别为66.9%和33.1%，与其余3处深海软土接近，含水率、孔隙比、塑限、液性指数均大于其余3处深海软土，天然密度低于其余深海软土。本文深海软土矿物成分见表 3，非黏土矿物和黏土矿物含量分别为59.3%和40.7%，其中含量最高的分别为方解石和伊利石。
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图 1 原状深海软土及各试验用土的含水率及在PVC管中的位置Figure 1. Pictures of natural deep-sea sediment and its water contents in different areas表 1 土体基本物化特性Table 1. Basic material properties of soils表 2 土体界限含水率及粒径组成Table 2. Limit water contents and grain-size distribution文献 液限
wL/%塑限
wP/%塑性指数
IP液性指数
IL土样分类 砂砾 粉粒 黏粒 2~0.25 mm 0.25~0.075 mm 0.075~0.005 mm ＜0.005 mm 刘文涛[17] 85.07 44.68 40.40 1.64 MH(86)；CH(4) 1.49 1.83 59.44 35.65 蒋明镜等[18] 60.20 40.90 19.30 1.71 MH 3.91 4.79 58.80 32.50 Wang等[20] 92.10 14.20 77.90 1.06 CH 0 0.13 69.20 30.60 本文 73.06 57.29 15.77 5.11 MH 0 0 66.90 33.10 注：MH代表高液限粉土，CH代表高液限黏土；括号里数字代表试样个数。 表 3 土体矿物成分Table 3. Mineral composition非黏土矿物含量/% 黏土矿物含量/% 石英 钾长石 斜长石 方解石 石盐 蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石 21.0 1.6 8.4 25.3 3.0 4.1 21.5 7.2 7.9 1.2 深海软土微观结构
采用环境场发射扫描电镜（FEI-Qunta FEG 250），对高含水率的原状深海软土进行测试，避免烘干过程或者冻干过程造成土体孔隙收缩，尽量保证观测到天然状态下的深海软土微观结构。分别放大1500倍、5000倍、10000倍。
原状深海软土微观结构见图 2，深海软土表面存在较大的贯通孔隙，内部存在大量微孔。图 2（b），（c）中的A区域边缘可观察到片层状叠聚体的特征，可见疏松架空的团簇骨架（B区）以及生物残骸（C区）。土体中分布大量孔隙，连通性强，疏松的结构内部可以容纳大量流体，因此深海软土孔隙比大，含水率高。
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图 2 原状深海软土环境电镜扫描图片Figure 2. SEM images of microstructure of natural deep-sea sediment2. 试验方案
2.1 一维固结及蠕变试验
采用南京奋钧智能科技有限公司生产的中压三联固结仪FJ-STC-3M。一维压缩试验包括加载、卸载、再加载阶段，加荷路径为12.5，25，50，100，200，300，400，300，200，100，200，300，400，800，1000，1600 kPa，每一级加荷时间为24 h。一维固结蠕变试验中，加荷路径为12.5，25，50，100，200，300，400，800，1600 kPa，每一级加荷时间为72 h左右，土样采用内径61.8 mm，高度20 mm的标准环刀从PVC管中直接切取，避免扰动，试验过程中保持土体饱和度不变。试验过程及方法参照《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》[21]。
2.2 三轴压缩试验
试验采用GDS应力路径三轴仪，进行固结不排水三轴（CU）及固结排水三轴（CD）试验。利用切割机将原状样从PVC管中取出，取样过程中应避免切割机接触土体表面造成扰动。使用切土器制备直径39.1 mm，高度80 mm的原状样，放于饱和器内再置于真空罐中抽气饱和。由于该深海软土取自海床以下2.5 m内，根据土体浮重度估算土体有效应力，考虑到一些深海工程可能涉及到海床表面以下更大深度，因此三轴试验过程中围压选择为100~600 kPa。试验过程中，首先在一定围压σ3下等向固结，固结完成判定依据为孔压消散至少达到95%以上。固结完成后保持围压不变，关闭/打开排水阀分别进行不排水/排水剪切，剪切开始前将轴向位移清零，CU和CD试验中剪切速率分别为0.044%/min和0.01%/min，试验过程参照《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》[21]。
3. 试验结果分析
3.1 一维固结及蠕变试验分析
原状土压缩回弹曲线如图 3（a）所示，压缩指数Cc和回弹指数Cs分别为1.317和0.076，由Casagrande作图法确定该深海软土结构屈服应力σy为28.55 kPa。该深海软土100~200 kPa荷载下压缩系数a1−2=4.05 MPa-1＞0.5 MPa-1，为高压缩性土，压缩模量Es, 1-2为0.92 MPa。图 3（b）对比了南海北部陆坡区深海软土和广州、天津等地的近海软土压缩回弹曲线，由图 3可知深海软土的压缩曲线相比近海软土，孔隙比随着竖向压力的增加降低幅度更大、降低速度更快。本文深海软土对于荷载更为敏感，即在竖向压力p较小的初始加荷阶段就具有显著的变形和较大的压缩系数，当竖向压力大于结构屈服应力时，变形迅速增加，孔隙比急剧下降。表 4对比了南海北部深海软土及广州深圳等地近海软土压缩指标，可知该深海软土a1−2大于其他深海软土和近海软土，Cc大于其他深海软土。
表 4 不同土体压缩指标对比Table 4. Compression parameters of different soils一维固结蠕变试验中，不同竖向压力下应变ε与时间lgt关系见图 4，同一竖向压力下，加载初期变形较大，而后逐渐稳定。当竖向压力大于结构屈服应力时（50~200 kPa），每一级加荷初期，变形显著增加，在图 4中表现为曲线初始段显著上升。当变形稳定后，竖向应力增加对变形影响减小（300~400 kPa），曲线平稳。当竖向压力增加到一定程度，土体结构二次破坏，加载初期的变形再次增大（800~1600 kPa）。应力-应变等时曲线如图 5所示，曲线上凸，应变随竖向压力增加而增加，应变在加载初期（12.5~200 kPa）增长速度快，随着竖向压力继续增加，应变增长速率减缓。随着时间增加，应变曲线出现偏移，说明深海软土固结蠕变特性受压力和时间共同影响。当竖向压力较小时，土体结构即破坏，应变迅速增加，应力-应变等时曲线为近似直线，土体表现出弹性特征，随着压力增加，土颗粒重新排列，应变增长减慢，土体表现出黏塑性特征。
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图 4 各级荷载下应变与时间lgt关系Figure 4. Strain versus time (lgt) under different vertical pressures图 6为各级荷载下，试样高度d与时间√t的关系曲线，固结系数由时间平方根法确定：
Cv=0.848ˉh2t90。 (1) ![]()
图 6 各级荷载下试样高度和时间(√t)的关系Figure 6. Height of sample versus time (√t) under different vertical pressures式中：ˉh为最大排水距离，等于某一压力下试样初始与终了高度的平均值之半；t90为固结度达90%所需的时间。不同软土各级荷载下的固结系数如图 7所示，本文深海软土在竖向压力较小时（12.5，50 kPa），固结系数明显大于另一深海软土和近海软土，随着竖向压力增加，固结系数迅速下降。在不同的软土中，固结系数随着竖向压力的增大呈现出不同的变化规律，张志敏等[11]对于天津近海软土的研究结果中，固结系数随着竖向压力的增加而增加。本文深海软土的固结系数随着荷载的增加而减小，同陈晓平等[13]针对广州南沙的近海软土和蒋明镜等[18]针对南海深海软土的研究结果类似。造成深海软土与近海软土固结系数规律差异的主要原因是深海软土孔隙比大，土体结构受荷载影响大，在加载初期土体变形大、固结速度快、初始固结系数大，随着竖向压力的增加，变形逐渐稳定，固结系数减小。
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图 7 不同软土固结系数与竖向压力的关系曲线Figure 7. Consolidation coefficient versus vertical pressure of different soils高压缩性深海软土的次固结变形大，次固结变形对于海洋软土上的结构物影响显著。图 8为各级荷载下，孔隙比e与时间lgt的关系曲线，每级荷载下，曲线弯曲段的拟合直线和直线段的延长线交点对应的时间可看做主固结完成时间[18]。次固结系数Cα取直线段斜率，由下式计算：
Cα =Δelgt1−lgt2。 (2) ![]()
图 8 各级荷载下孔隙比和时间(lgt)的关系Figure 8. Void ratio versus time (lgt) under different vertical pressures式中：t1为主固结完成时刻；t2为求次固结沉降量的时刻；这里取图 8直线段末端对应的时间；Δe为对应时刻孔隙比的变化量。
图 9为不同地区软土次固结系数Cα和竖向压力p的关系，由图 9可知，本文深海软土Cα大于近海软土，各级荷载下，该深海软土Cα在0.023~0.085。当12.5≤p≤200 kPa时，Cα随着p的增加而显著增加，当200 < p≤400 kPa，Cα随着p的增加而急剧下降，最后当p > 400 kPa时，Cα随着p的增加而持续降低。总体上Cα随着p的增加先增加后减小，该趋势同雷华阳等[6]、余湘娟等[8]及张志敏等[11]针对近海软土的研究结果类似，但是深海软土在p较小时Cα即出现显著上升，并且在p较大时Cα呈现持续降低的现象，并没有出现余湘娟等[8]和张志敏等[11]研究中，p较大时Cα趋于稳定的现象，其原因是深海软土的次固结变形较大，蠕变特征更显著，次固结系数受竖向压力的影响更显著。
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图 9 不同软土次固结系数和竖向压力的关系Figure 9. Secondary consolidation coefficient versus vertical pressure of different soils参考雷华阳等[6]提出的方法研究次固结系数Cα和竖向压力p的关系，对一维固结蠕变试验的结果进行拟合。如图 10所示，可得
lgp/lgCα=algp+b， (3) 针对该深海软土，a=−0.759，b=−0.027。
Mesri等[22]总结了22种黏土的一维固结试验结果，认为压缩指数Cc与次固结系数Cα的比值大致为一个常数，其值在0.025~0.1。本文深海软土Cc/Cα在0.0343~0.0632，表 5为不同地区Cc/Cα的比值。
表 5 不同地区软土Cc/Cα范围Table 5. Cc/Cα of different soft soils from different areas3.2 三轴压缩试验结果
固结不排水三轴试验中，偏应力σ1−σ3及孔压u与轴向应变ε1的关系曲线见图 11，12。不同围压下，随着ε1的增加，偏应力和孔压先增加后稳定，大体呈现出应变硬化的特征，较高围压下个别试样出现应变软化现象。以平均有效应力(σ1+σ3)/2-u为横坐标，以(σ1−σ3)/2为纵坐标，绘制有效应力路径，如图 13所示，初始剪切阶段，平均有效应力增大，土样呈现剪胀特征，随着进一步剪切，平均有效应力减小，土体呈现剪缩特征，并逐渐达到临界状态，有效应力路径呈现先加载后卸载特征。
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图 11 CU中不同围压下偏应力-应变曲线Figure 11. Deviatoric stress-strain relation curves under different confining pressures in CU tests![]()
图 12 CU中不同围压下孔压-应变曲线Figure 12. Pore pressure-strain relation curves under different confining pressures in CU tests![]()
图 13 CU中有效应力路径Figure 13. Effective stress paths under different confining pressures in CU tests固结排水试验中，图 14，15分别为不同围压下的偏应力-应变曲线及孔压-应变曲线，与CU试验不同，随着应变的增加，CD试验中土体允许排水，孔压部分消散造成有效应力增加，因此偏应力随着应变的增加而持续增加，应变硬化特征更为显著。剪切过程中由于该软土渗透性差，排水不充分，因此孔压不能完全消散。图 16为CD试验中有效应力路径，由于剪切过程中允许排水，孔压较小，孔压对应力路径的影响非常有限，因此有效应力路径没有出现CU试验中的弯曲段，在剪切过程中呈现持续加载现象。
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图 14 CD中不同围压下偏应力-应变曲线Figure 14. Deviatoric stress-strain relation curves under different confining pressures in CD tests![]()
图 15 CD中不同围压下孔压-应变曲线Figure 15. Pore pressure-strain relation curves under different confining pressures in CD tests![]()
图 16 CD中有效应力路径Figure 16. Effective stress paths under different confining pressures in CD tests参考《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》[21]，CD试验中无明显峰值的情况下，应以应力路径密集点或按一定轴向应变（这里取轴向应变ε1=15%）对应的偏应力作为峰值偏应力或破坏应力。CU和CD中峰值偏应力和围压大致呈线性相关，拟合曲线如图 17所示。通过绘制应力莫尔圆得到CU和CD中土体抗剪强度指标，如表 6所示，在固结不排水条件下，该深海软土总黏聚力为8.33 kPa，总内摩擦角为15.25°，有效黏聚力为12.75 kPa，有效内摩擦角为25.34°。有效黏聚力较蒋明镜等[18]研究中的深海软土大，有效内摩擦角较之小。
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图 17 CU和CD中峰值偏应力和围压的关系Figure 17. Peak deviatoric stresses under different confining pressures in CU and CD tests表 6 抗剪强度指标Table 6. Strength parameters obtained by triaxial tests4. 结论
本文通过室内试验，系统研究了中国南海深海软土的基本物化特性、微观结构、一维压缩及蠕变特性、三轴剪切特性。得到以下4点结论。
（1）中国南海北部陆坡区广泛分布有高液限粉土及黏土，具有高含水率、高孔隙比、低密度和高饱和度的特点，呈流塑状态，粉粒和黏粒含量高。本文深海软土的含水率、孔隙比、塑限、液性指数均高于其他几处深海软土，天然密度低于其他深海软土。
（2）本文深海软土呈片状层理堆积结构，存在疏松架空的团簇骨架，能够容纳大量孔隙水，内部存在生物残骸。
（3）本文深海软土相比其他深海或近海软土压缩性强，压缩指数和压缩系数最大，在竖向压力p较小时就具有显著的变形，固结系数Cv在荷载较小时明显大于其他深海或近海软土，并随着p的增加而急剧减小。深海软土次固结变形大，次固结系数Cα大于近海软土且随着p的增加先增加后减小。
（4）在固结不排水试验中，该深海软土大多呈现应变硬化特征，峰值偏应力和围压呈线性关系，应力路径呈现先加载后卸载的特征。在固结排水试验中，偏应力随着应变的增加持续增长，应变硬化更显著，应力路径呈现持续加载现象。
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图 1 原状深海软土及各试验用土的含水率及在PVC管中的位置
Figure 1. Pictures of natural deep-sea sediment and its water contents in different areas
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图 2 原状深海软土环境电镜扫描图片
Figure 2. SEM images of microstructure of natural deep-sea sediment
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图 4 各级荷载下应变与时间lgt关系
Figure 4. Strain versus time (lgt) under different vertical pressures
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图 6 各级荷载下试样高度和时间(√t)的关系
Figure 6. Height of sample versus time (√t) under different vertical pressures
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图 7 不同软土固结系数与竖向压力的关系曲线
Figure 7. Consolidation coefficient versus vertical pressure of different soils
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图 8 各级荷载下孔隙比和时间(lgt)的关系
Figure 8. Void ratio versus time (lgt) under different vertical pressures
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图 9 不同软土次固结系数和竖向压力的关系
Figure 9. Secondary consolidation coefficient versus vertical pressure of different soils
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图 11 CU中不同围压下偏应力-应变曲线
Figure 11. Deviatoric stress-strain relation curves under different confining pressures in CU tests
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图 12 CU中不同围压下孔压-应变曲线
Figure 12. Pore pressure-strain relation curves under different confining pressures in CU tests
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图 13 CU中有效应力路径
Figure 13. Effective stress paths under different confining pressures in CU tests
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图 14 CD中不同围压下偏应力-应变曲线
Figure 14. Deviatoric stress-strain relation curves under different confining pressures in CD tests
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图 15 CD中不同围压下孔压-应变曲线
Figure 15. Pore pressure-strain relation curves under different confining pressures in CD tests
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图 16 CD中有效应力路径
Figure 16. Effective stress paths under different confining pressures in CD tests
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图 17 CU和CD中峰值偏应力和围压的关系
Figure 17. Peak deviatoric stresses under different confining pressures in CU and CD tests
表 2 土体界限含水率及粒径组成
Table 2 Limit water contents and grain-size distribution
文献 液限
wL/%塑限
wP/%塑性指数
IP液性指数
IL土样分类 砂砾 粉粒 黏粒 2~0.25 mm 0.25~0.075 mm 0.075~0.005 mm ＜0.005 mm 刘文涛[17] 85.07 44.68 40.40 1.64 MH(86)；CH(4) 1.49 1.83 59.44 35.65 蒋明镜等[18] 60.20 40.90 19.30 1.71 MH 3.91 4.79 58.80 32.50 Wang等[20] 92.10 14.20 77.90 1.06 CH 0 0.13 69.20 30.60 本文 73.06 57.29 15.77 5.11 MH 0 0 66.90 33.10 注：MH代表高液限粉土，CH代表高液限黏土；括号里数字代表试样个数。 
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表 3 土体矿物成分
Table 3 Mineral composition
非黏土矿物含量/% 黏土矿物含量/% 石英 钾长石 斜长石 方解石 石盐 蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石 21.0 1.6 8.4 25.3 3.0 4.1 21.5 7.2 7.9
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