舟山—岱山间西部海域第四纪海底沉积物物理力学指标统计分析

王振红，潘永坚，潘国富，陈培雄

（1. 国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012；2. 浙江工程勘察院，浙江 宁波 315012）

舟山—岱山间西部海域第四纪海底沉积物物理力学指标统计分析

王振红1，潘永坚2，潘国富1，陈培雄1

（1. 国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012；2. 浙江工程勘察院，浙江 宁波 315012）

根据工程地质钻探资料，对舟山—岱山岛间西部海域第四纪沉积物的物理力学指标进行统计分析，发现本海区第四纪海底土具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、抗剪强度低等特征。统计表明，物理指标之间、力学指标和物理指标之间因参数的不同，相关性和变异性具有明显的不同，且随着地层深度的变化，物理力学指标的变异系数变化较明显。物理指标和力学指标的回归方程表明，各力学指标与不同的物理指标之间具有较好的线性相关性。

物理力学性质；第四纪沉积物；相关性；变异系数；回归方程

随着我国经济建设的加速发展，开发和利用海洋成为我国经济建设领域的重要内容。对海洋的开发利用和海上工程的建设是以海底土为依托的，而常见的大部分海洋工程特别是海底管线等浅基础工程是以第四纪海底土为基础的，查明第四纪海底土的物理力学性质对海洋工程建设是必不可少的前期工作。

岩土工程研究中，既要做定性分析，也要做定量分析，统计分析是岩土研究中重要的定量分析方法，其中，相关分析、变异系数分析和回归分析是常用的统计分析方法[1]。通过这些定量分析方法，能够对岩土体的物理力学性质进行分析，为工程建设服务。

舟山作为我国重要的港口城市和各种海洋设施的集中地，在浙江海洋开发和建设中具有重要的地位。20世纪80年代以来，一些学者对舟山群岛海域进行了大量的调查研究工作，取得了大量有价值的成果[2-5]，但是对于本海域海底沉积物的物理力学性质研究却相对较少。本文主要依据舟山－岱山岛间西部海域进行的 8个孔的工程地质钻探资料（图1），对本区海底沉积物的物理力学性质进行统计，并对物理力学指标进行了相关性、变异性以及回归性分析，以期为本区以后的海洋工程建设中沉积物的经验性定量关系提供参考。

1 研究区所属海域概况

研究区位于舟山本岛与岱山岛之间的西部海域（图1）。在地质构造上位于华南褶皱系浙东南褶皱带的东北部，长期的地壳活动中，北东向、北北东向断裂较发育，北西向、北北西向、南北向和东西向断裂亦有发育。海域周围岛屿众多，水下冲蚀沟槽较发育，水深最大达70 m，水下地形坡度最大达35°。潮流以往复流为特征，涨潮流向西或向北，落潮流向东或向南，涨潮流速略大于落潮流速[6]。

图 1 研究区位置及钻孔站位Fig. 1 Location of the study area and borehole stations

2 分析方法

研究区海底第四纪沉积物主要为淤泥质土和亚粘土，根据研究区内第四纪沉积物的成因类型、空间分布发育规律以及物理力学性质等工程地质特征，将第四纪地层从上到下分为3大层，其中第2大层又分为2亚层。对本海域第四纪沉积物的物理性质分析主要从含水量（W）、天然密度（ρ）、孔隙比（e）、液限（WL）、塑性指数（IP）进行，力学性质主要考虑压缩系数（a0.1-0.2）、压缩模量（Es）、固结快剪（c、ψ）等参数进行分析。

运用相关性分析、变异性分析和线性回归分析方法，计算了研究区第四纪沉积物物理力学指标间的变异系数和相关系数，确定了各指标间的最佳回归方程。物理指标以及物理指标与力学指标间的相关性分析均采用线性关系模型。

3 研究区海底第四纪沉积物物理力学性质

3.1 沉积物物理力学指标

根据对研究区内第四纪沉积物物理力学性质的统计，得出各层沉积物的物理力学指标，结果见表1。

由表1的统计结果可以看出，本海域第四纪海底沉积物物理力学性质具有以下特点：

含水量范围介于20%～63%。表层含水量较高，其范围为39.5%～63.3%，平均为46.1%，向下随着埋深增大含水量逐渐降低，全新世早期形成的亚粘土，含水量范围为 22.2%～48.6%，平均含水量为35.4%。

天然密度在Ⅰ层、Ⅱ1层、Ⅱ2层变化较小，Ⅲ层较上部地层变化稍大，总体上沉积物的天然密度随地层深度的增加有细微增大。

本区海底表层沉积物的孔隙比较大，均大于1，随着地层深度增大，孔隙比变小，但平均值均在 1以上，说明本区第四纪海底沉积物孔隙比高，密实度较差。

液限介于24%～52%之间，平均值在36%左右，本区第四纪沉积物的液限平均值随埋深的变化较小，Ⅱ1层较上下地层稍大，平均为 39.9%，其上部和下部地层液限基本一致。

塑性指数介于11%～20%，部分大于20%，从上到下平均值分别为15.7%、17.3%，15.8%、15.6%。与液限相对应，塑性指数平均值Ⅱ1层较上下地层稍大，其上部和下部地层平均值变化较小。

压缩系数平均值大于0.5 MPa-1，压缩模量平均值小于4 MPa，表明本区第四纪海底沉积物具有高压缩性的特点，并且随地层深度的增大，压缩性逐渐降低。

固结快剪强度指标 c、ψ值较小，表层平均分别为17.1 kPa、9.1°，随地层埋深增大，其值逐渐增大，但变化较小。表明本区第四纪海底沉积物的强度较低，在重力、波浪力等外力作用下易受到破坏。

表 1 研究区全新世海底沉积物的物理力学性质指标统计表Tab. 1 Physical and mechanical properties of quaternary marine sediments in the study area

3.2 相关性分析

相关分析是研究变量之间密切程度的一种统计方法，用相关系数表示。相关系数是对变量之间关系密切程度的度量指标。

本文根据物理力学指标，分别对各物理指标之间、物理指标与力学指标之间的相关性进行分析。物理指标选取含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指数，分析其相关性。力学指标选取压缩系数、压缩模量、固结快剪c值、ψ值与物理指标中的含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指数之间进行相关性分析。

（1）物理指标相关性分析

表2为两个物理指标之间的相关性分析结果。由表2可知，含水量与孔隙比高度相关，相关系数大于 0.8，而与天然密度、液限、塑性指数为中度相关，相关系数绝对值大于0.5小于0.8。天然密度与孔隙比具有较好的相关性，与液限、塑性指数的相关性为中度相关。孔隙比与液限、塑性指数的相关性为中度相关。液限与塑性指数相关性较好。此外，从表中还可以看出，含水量与天然密度、天然密度与孔隙比、液限、塑性指数之间呈负相关，这说明随着含水量的增加，天然密度是降低的，随着天然密度的增大，孔隙比、液限、塑性指数逐渐降低。

表 2 物理指标之间的相关性Tab. 2 The correlation between the physical indexes

（2）物理指标与力学指标相关性分析

表3给出了物理指标与力学指标之间的相关性分析结果。

表 3 物理指标与力学指标之间的相关性Tab. 3 The correlation between the physical and mechanical indexes

由表3可知，本区第四纪海底沉积物力学指标与不同的物理指标之间的相关性具有一定的差异，力学指标总体上与含水量、天然密度、孔隙比相关性较好，与液限、塑性指数相关性较差。压缩系数与孔隙比的相关性最好，与含水量、天然密度相关性为中度相关，与液限、塑性指数相关性低；压缩模量与天然密度相关性最好，与含水量、孔隙比相关性为中度相关，与液限、塑性指数相关性较低；固结快剪c值与含水量、天然密度、孔隙比相关性为中度相关，与液限、塑性指数相关性较低；固结快剪ψ值与含水量、天然密度、孔隙比相关性为中度相关，与液限、塑性指数相关性较低。从中可以看出，对于不同的物理指标，对力学指标的影响是不同的。

3.3 变异性分析

变异系数又称为标准差率，是标准差与平均值的比值，是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，是一组数据变异程度的指标，反映了单位均值上的离散程度。

根据已收集的钻孔试验资料，对舟山－岱山海域第四纪沉积物根据分层进行了物理力学指标的变异性分析，结果如表4。

表 4 各层土的物理力学指标变异性Tab. 4 Variability of physical and mechanical indices

由表4分析可知，舟山—岱山海域第四纪沉积物的变异性具有以下特点：

物理指标的变异系数较力学指标的变异系数低，说明物理指标的数据比较集中，变化范围小，力学指标的数据较分散，变化范围大，这与以往的研究相吻合[7]。在物理指标中，天然密度的变异系数最小，塑性指数的变异系数较大。天然密度变化范围小是变异系数小的原因。

从地层差异上看，Ⅰ层的物理力学指标变异系数最小，Ⅲ层的物理力学指标变异系数最大，即随着地层深度的加大，物理力学指标的变异系数逐渐变大。分析这种差异的原因，可能有二：其一，与各土层的固结程度有关，表层沉积物由于沉积时代较晚，上部环境相同，因此物理力学指标较集中，随地层深度的增加，整个研究区内的地层固结差异变大，物理力学指标分散，从而造成随地层深度的增加，物理力学指标的变异系数逐渐变大；其二，可能与土体的应力释放有关，上部土层由于沉积时代晚，应力小，在取样和测试过程中，应力释放变化小，下部土体沉积时代较久，应力大，在取样和测试过程中，土体应力释放变化大，造成测试结果的变异性偏大。

3.4 回归分析

在工程地质研究中，土体的力学指标不容易直接获得，物理指标在样品保存得当的情况下，都容易直接获得。所以，二者之间存在何种关系对于通过物理指标获得力学指标具有重要的意义。

海底沉积物的力学性质与其物理性质密切相关，不同物理性质的沉积物的力学性质具有差异性。对沉积物的力学性质影响较大的物理指标主要有以下几个：含水量、天然密度、孔隙比、液限、塑性指数等。含水量决定着土体的强度，天然密度综合反映了土的物质组成及其结构特征，孔隙比反映了土体的密实程度，液限与土的很多性质相关，且与土体的力学性质也有一定的相关性，塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，综合反映了土的物质组成[8,9]。

本文沉积物力学性质选取压缩系数、压缩模量、固结快剪强度c值、ψ值，将物理指标参数引入回归方程，通过回归分析将对土体影响显著的自变量选出，并将影响不显著的剔除，形成最佳回归方程。表5给出了沉积物力学指标的回归方程。

表 5 回归分析结果Tab. 5 Results of regression analysis

由表5可知，舟山—岱山海域第四纪沉积物的力学指标和物理指标之间具有很好的线性相关性。回归方程表明：压缩系数与孔隙比密切相关，压缩模量与天然密度密切相关，固结快剪c值与天然密度密切相关，ψ值与天然密度密切相关。即压缩系数受孔隙比的影响较大，压缩模量、固结快剪c值、ψ值受天然密度的影响较大。

4 结 论

通过以上分析，可得出如下结论：

（1）舟山—岱山海域第四纪沉积物具有高含水量、高孔隙比、高压缩性的特点。平均含水量接近或大于液限值，平均孔隙比均大于 1，平均压缩系数大于0.6 MPa-1，固结快剪c、ψ值较小。且随着地层深度的增加，含水量、孔隙比、压缩系数逐渐降低，天然密度、压缩模量、固结快剪参数逐渐增大。

（2）舟山—岱山海域第四纪沉积物物理指标之间、物理指标和力学指标之间具有一定的相关性。各物理指标相关性较好，力学指标与物理指标中的含水量、天然密度、含水量相关性较好，与液限、塑性指数相关性差。

（3）舟山—岱山海域第四纪沉积物物理指标与力学指标的变异性具有一定的差异，物理指标的变异系数要小于力学指标的变异系数。随着地层埋深增大，沉积物的变异系数逐渐增大。

（4）舟山—岱山海域第四纪沉积物的力学指标与物理指标之间具有一定的线性关系。压缩系数与孔隙比关系密切，压缩模量、固结快剪c值、ψ值与天然密度关系密切。

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Statistic analysis of physical and mechanical indices of quaternary marine sediments in the western sea area between Zhoushan and Daishan Island

WANG Zhen-hong1, PAN Yong-jian2, PAN Guo-fu1, CHEN Pei-xiong1

(1. Key of Laboratory of Engineering Oceanography, Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China；
2. Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo 315012, China)

According to the engineering geologic borehole data in the western sea area between Zhoushan Island and Daishan Island, the physical and mechanical indices of quaternary sediments are analyzed. The quaternary sediments are characterized by high water content, high void ratio, high compressibility and low shear strength. It is found that there are some differences of correlations and variability because of the difference of indices, and with the change of the depth, there is significant change between these indices. Regression equation shows that there is a good linear correlation between physical and mechanical indices.

physical and mechanical properties; quaternary sediment; correlation; coefficients of variation; regression equation

P736.211

A

1001-6932(2011)05-0557-05

2010-08-27；

2011-05-02

浙江省自然科学基金（Y5100027，Y5100402）；国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项资助（JT0803）。

王振红（1985－），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：海洋工程地质。电子邮箱：wangzh2104122@163.com。