胶州湾沉积物声学与岩土工程性质关系研究

郑杰文，刘保华，阚光明，刘晓磊，李官保，裴彦良

(1.青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237；2.深海基地管理中心，山东 青岛 266237；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；4.中国海洋大学，山东 青岛 266061)

胶州湾沉积物声学与岩土工程性质关系研究

郑杰文1，刘保华2，阚光明3，刘晓磊4，李官保3，裴彦良3

(1.青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237；2.深海基地管理中心，山东 青岛 266237；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；4.中国海洋大学，山东 青岛 266061)

基于胶州湾近岸海洋沉积物柱状样品声学物理与力学性质实验室测量计算与原位力学性质测量等方法，采用数理统计分析方法对该海域不同类型沉积物声学物理力学性质开展了实验研究。研究结果表明：胶州湾近岸不同类型沉积物压缩波速与剪切波速差异明显。其中，粉砂质砂压缩波速与剪切波速最高，黏土质砂、砂质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土压缩波速次之，黏土最低；同一类型沉积物压缩波速差值普遍低于50 m/s，剪切波速差值普遍低于20 m/s；不同类型沉积物动弹性模量与动剪切模量的变化规律与声学性质基本一致，但其变化趋势不显著；沉积物声学性质与物理力学性质指标间表现为良好的二次函数关系，声学性质与物理性质间的相关程度显著高于力学性质，在测试指标量值范围内，沉积物压缩波速与剪切波速随沉积物容重与强度的增长而增长，随沉积物含水量与孔隙度的增长而降低。

岩土工程；沉积物；声学；物理性质；力学性质

0 引 言

海洋沉积物声学性质测量与其影响因素及机理研究，是海底声学研究的一项重要研究内容，其主要研究要素包括压缩波速、剪切波速、声衰减、声阻抗、频散因子等，其主要物理影响因素包括粒度组分、容重、含水量、孔隙度等，其主要力学影响因素包括压缩模量、剪切模量、剪切强度、贯入强度等[1]。早在20世纪50年代，美国等国家就已经开始了对声波在沉积物中传播速度和衰减的测量。

20世纪70年代，伴随海底探测需求和现代声呐技术的发展，地声学作为一门与水声学、地质学、地球物理学等密切相关的交叉学科，逐渐发展起来[2-4]。我国在海底沉积物地声属性方面开展研究始于20世纪70年代末，并取得了一批具有国际水平的研究成果，架设了海洋声波传播问题与海底工程地质特性之间的桥梁，梁元博和卢博指出海洋沉积物声学特性的研究是一项多学科、跨学科领域的互相渗透、互相交叉的前缘课题，需要开展大量基础理论的研究，才能够保持我国海洋沉积声学研究位于国际先进行列[5]。声波在海洋沉积物中的传播过程与影响机理的研究成果在准确认知水下声场结构特征，实现海洋声场准确预测，开展海洋工程地质条件勘查与稳定性评价，进行海洋工程场地分区与底质分类等方面具有重要应用价值[6]。

研究区域为黄海之滨胶州湾海域，研究工作基于现场原位测量与实验室测量，对沉积物样品进行了声学物理与力学性质测试分析。该区位于大沽河入海口西侧附近海域，属于陆相沉积与海相沉积环境相互作用地带，海底沉积物特性典型，工程地质环境复杂，地层结构特殊[7]。研究区滨临青岛胶州市县级市，是青岛蓝色经济建设的重点支持区域，近年来海洋工程建设积极活跃，成为海洋工程地质学家与工程师们关注的热点区域。

笔者基于胶州湾的不同类型沉积物样品的声学性质(压缩波速、剪切波速)、物理性质(容重、含水量、孔隙度)与力学性质(锥尖阻力、剪切强度、贯入强度、动弹性模量、动剪切模量、动泊松比)的测量与计算，分析胶州湾海底沉积物声学特性与工程地质特性的分布特征，为该区工程地质活动与场地评价提供基础数据；并对该区海底沉积物声学特性的影响因素及机理进行了探讨，为进一步构建完善的地声模型提供理论指导。

1 方 法

1.1 粒度组分测试

对采集的沉积物柱状原状样品进行15 cm间隔样品切割，每段样品分别进行平行样品粒度组分测试，总计进行30组测试分析。粒度测试采用英国Malvern 2000激光粒度仪进行不同粒度组分测试(砂粒0.064～4 mm；粉粒0.004～0.064 mm；黏粒<0.004 mm)，采用谢帕德三角图分类方法对样品进行沉积物分类(图1)。

图1 谢帕德三角分类Fig. 1 Shepard triangular diagram of sediment classification

1.2 物理性质测量

对分割制备的声学测试样品，均进行湿容重与含水量测试以及孔隙度与干容重的计算。湿容重采用环刀法进行测试，含水量采用烘干法测试，均为3组平行测试求均值。孔隙度由式(1)计算得到；干容重由式(2)计算得到。

(1)

(2)

式中：e为孔隙度，无量纲；γd为干容重，kN/m3；γ为湿容重，kN/m3；w为含水量，%；Gs为颗粒体积质量，取实验测量经验值27.1 kN/m3。

1.3 力学性质测量与计算

对声学测试样品，分别采用微型剪切仪与笔式贯入仪进行了剪切强度、贯入强度的实验室测量；采用普氏贯入仪与便携式静力触探设备进行了贯入强度与锥尖阻力的原位测试。依据式(3)～式(5)进行沉积物样品动弹性模量、动剪切模量与动泊松比的计算。

(3)

(4)

(5)

式中：Ed为沉积物动弹性模量，kPa；Gd为沉积物动剪切模量，kPa；μd为沉积物动泊松比，ρ为沉积物密度，g/cm3；Vp为沉积物压缩波速，m/s；Vs为沉积物剪切波速，m/s。

1.4 声学性质测量

沉积物压缩波速采用自主设计研发的声学测试设备，利用WSD-3数字声波仪，采用投射法对沉积物样品进行频率为200 kHz的压缩波速测量[8]。沉积物剪切波速采用英国GDS弯曲元测量单元，匹配自主设计研制的测量控制架，进行了2 kHz的剪切波速测量[9]。测试温度均在室温20°～22°范围内，压缩波速与剪切波速测量值受温度影响很小。沉积物样品声速测量在常温常压测量环境下进行。

2 结 果

笔者在胶州湾采集沉积物重力柱状样品，长度为1～3 m，共采集10个重力柱状样品。在实验室内以15 cm间隔对沉积物样品进行分割，总计测试30组样品。测试项目包括沉积物粒度组分、物理性质、力学性质、声学性质，如表1。

表1 胶州湾沉积物物理力学性质与声学性质测试结果

基于沉积物样品粒度测试分析得出胶州湾沉积物主要有粉砂质砂、黏土质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土、黏土等7种类型。沉积物平均粒径为3.606～7.616 μm，砂粒含量为5.20%～29.37%，黏粒含量为2.11%～34.46%，分选系数为1.123～2.075，属于分选程度普遍较好的陆源碎屑沉积物。沉积物物理性质表现为区域非均匀性特征，湿容重为17.5～22.7 kN/m3，干容重为12.4～19.2 kN/m3，含水量为22.3%～42.8%，孔隙度为0.38～0.97。沉积物力学性质表现为中低强度特征，存在显著非均匀分布特征。实验室测量剪切强度为0.30～1.82 kPa，笔式贯入强度为0.1～1.4 N；现场测量普氏贯入强度为4.0～22.5 N，锥尖阻力为0.04～0.47 MPa。研究区沉积物动力特性分异显著，弹性承载性普遍偏低，动弹性模量为0.084～0.681 MPa，动剪切模量为0.028～0.227 MPa，可推测胶州湾沉积物密实度存在非均匀特征，该推测与计算得到的孔隙度的非均匀分布特征一致。研究区沉积物声学特性因其物理特性的分异同样存在非均匀分布特征。压缩波速为1 392～1 666 m/s，普遍处于中等偏低水平；剪切波速为39.9～100.5 m/s，处于中等偏低水平。

3 讨 论

3.1 沉积物类型对声学性质影响

利用声学方法对沉积物进行分类的研究始于20世纪60年代，基于海底反射系数与沉积物粒径、孔隙度的关系，提出了利用垂直入射声脉冲的海底反射系数勘测海底沉积物类型；之后，海洋学家研究了10 kHz以下的低频垂直入射波传播特性与沉积物类型间的相互关系[10]。

笔者基于胶州湾柱状样品声学实验室测量，研究了不同类型沉积物在200 kHz频率的压缩波速〔图2(a)〕与2 kHz频率的剪切波速的变化规律〔图2(b)〕。从图2(a)中可以发现：粉砂质砂压缩波速最高，在1 612～1 666 m/s范围；黏土质砂、砂质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土压缩波速次之，这3类沉积物压缩波速相差不明显，普遍在1 530～1 639 m/s范围，其中，砂质粉砂是胶州湾沉积物的主要类型；黏土沉积物压缩波速最低(1 392～1 399 m/s)，该类型沉积物在胶州湾浅表层(埋深3 m范围内)分布较少；黏土质粉砂压缩波速(1 454～1 520 m/s)介于黏土与前5中类型沉积物之间，也是胶州湾近岸海域的主要沉积物类型。

图2 沉积物类型与压缩波速和剪切波速柱状图Fig. 2 Histogram of sediment types, compressional wave speed and compressional wave speed

每一种类型沉积物压缩波速最大变化量普遍低于50 m/s。阚光明等在南黄海中部开展的海底沉积物原位30 kHz频率的压缩波速测量显示，最大原位声速为1 607 m/s，为粉砂质砂[11]，与文中实验室测量结果一致，但其原位压缩波速低于文中实验室测量结果。沉积物物理性质差异、声波频散与物理扰动导致的沉积物液化固结后失水压密对测量数据的差异均具有不同程度的影响[12]。

不同类型沉积物的剪切波速变化规律基本与压缩波速变化规律一致，但与压缩波速相比〔图2(a)〕，不同类型沉积物剪切波速变化差异性偏低〔图2(b)〕。剪切波速最高的粉砂质砂剪切波速在69.3～100.5 m/s范围；剪切波速次之的黏土质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土剪切波速在48.9～77.4 m/s范围；剪切波速最低的黏土沉积物剪切波速在39.9～41.3 m/s。每一种类型沉积物剪切波速相差普遍低于20 m/s。阚光明等[13]与孟祥梅等[8]在南黄海中部采集的沉积物柱状样品的剪切波速测量结果显示其不同分布区域的沉积物剪切波速在12.05～74.55 m/s范围，普遍低于笔者测量结果；其剪切波速最高值出现于粉砂质砂，最低值出现于黏土沉积物，与笔者测量的结果一致。

3.2 沉积物类型对动力性质的影响

海底沉积物动力性质是海洋工程地质环境评价与岩土工程研究的一项重要内容。动弹性模量与动剪切模量是表征沉积物动力性质的两个重要参数。动弹性模量量化了沉积物轴向上抵抗弹性变形的能力；动剪切模量量化了沉积物剪切面上抵抗弹性变形的能力。基于沉积物压缩波速与剪切波速计算分别得到沉积物动弹性模量与动剪切模量是海底声学在海洋工程地质与岩土工程研究领域中的一项重要应用[6]。

由于粒度、矿物组分与结构的差异，不同类型沉积物动力行为特性也存在差异。从图3中可以看出：动弹性模量与动剪切模量最高值出现在粉砂质砂类型沉积物，与压缩波速与剪切波速最高值出现在粉砂质砂类型沉积物一致(图2)。

但由于该类型沉积物含水量偏高且存在差异，该类型沉积物动模量差异显著(0.308～0.681 GPa； 0.103～0.227 GPa)；黏土沉积物动弹性模量与动剪切模量均最低(0.084～0.091 GPa；0.03～0.028 GPa)。其他类型沉积物动模量居于两者之间(0.108～0.399 GPa；0.036～0.106 GPa)。总体而言，胶州湾同一类型沉积物动模量差异与不同类型沉积物动模量差异相差不明显，说明沉积物类型对胶州湾沉积物动弹性变形稳定性及其非均匀分布影响不显著。

图3 沉积物类型与动弹性模量和动剪切模量柱状图Fig. 3 Histogram of sediment types, dynamic elasticity modulus and dynamic shear modulus

3.3 沉积物物理性质对声学性质影响

河口海岸带沉积物类型主要为陆源碎屑沉积，在后沉积固结作用下形成典型结构特征的海洋沉积物。作为海陆交互作用活跃地带，在海洋水动力(波浪、海流、潮汐等)、生物(主要指生物扰动)和生物地球化学(矿物分解、沉淀及原位气泡形成)的相互作用下，近岸浅水环境浅表沉积物(上部几米深度范围)沉积物分布时空变化剧烈，形成普遍存在的非均匀沉积分布特征[1]。不同类型沉积物具有不同的矿物与粒度组成、形成不同的组构、结构排列和颗粒定向性、颗粒间相互作用以及颗粒与有机质或孔隙流体的相互作用，这些参数控制着沉积物的物理性质与沉积物声学与土工响应过程。

从图4中可以发现胶州湾沉积物压缩波速与剪切波速与沉积物湿容重、干容重、含水量、孔隙度这4类物理性指标间表现出较好的二次函数关系曲线，相关系数均在0.80以上。在胶州湾沉积物物理性质测量指标量值范围内，压缩波速与剪切波速随湿容重与干容重的增长而增长，随含水量与孔隙度的增长而降低。孟祥梅等[8]与潘国富等[14]采用100 kHz声波频率在南黄海中部及其他典型海域采集的沉积物样品的测试同样发现较为一致的变化规律；阚光明等[11]在南黄海中部开展的原位测量也发现一致的变化规律，但二次函数系数存在差异，二次函数的差异即表征为沉积物声学性质的区域差异。

3.4 沉积物静力学性质对声学性质影响

沉积物静力学性质描述的是沉积物的强度问题。对同一类型沉积物而言，密实度越大，强度则越大；对不同类型沉积物而言，沉积物强度则是沉积物组成结构与物理性质耦合作用的综合反映。沉积物压缩波速与剪切波速与不同类型沉积物强度的关系研究对于无损判断沉积物工程地质性质具有重要意义。

对于胶州湾近岸沉积物声学与静力学性质关系的描述定性而言，沉积物强度越高，则沉积物压缩波速与剪切波速越高(图5)。与现场测量获取的普氏贯入强度与锥尖阻力相比，实验室测量获取的剪切强度与贯入强度与沉积物实验室测量获取的压缩波速与剪切波速相关程度更高。样品输运过程中的物理扰动与温度变化是导致这一差异的重要因素[7]。与沉积物物理性质指标比较而言，沉积物力学性质与声学性质参数的关系大致满足二次函数相关性，但其相关程度显著低于沉积物物理性质与声学性质指标。

图4 沉积物压缩波速与物理性质关系曲线Fig. 4 Relationship curve between sediment compression wave speed and shear wave speed for physical properties

图5 沉积物压缩波速与静力学性质关系曲线Fig. 5 Relationship between sediment compressional wave speed and shear wave speed for static mechanical properties

4 结 论

笔者基于胶州湾沉积物柱状样品的采集与实验室分段物理力学性质测试与计算以及原位力学参数的测试，分析了该区域沉积物的变形强度特征；采用数理统计分析方法，研究了沉积物声学-物理-力学性质间的相互关系，得出以下结论。

1)胶州湾近岸沉积物普遍发育类型有粉砂质砂、黏土质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土、黏土等7种；沉积物物理力学性质与声学性质存在较为显著的非均匀分布特征；该区域浅表沉积物总体处于中低强度与非稳定性沉积区域。

2)胶州湾近岸不同类型沉积物压缩波速与剪切波速差异明显，普遍表现为粉砂质砂最高，黏土质砂、砂质粉砂、砂质黏土、粉砂质黏土压缩波速次之，黏土最低，同一类型沉积物压缩波速差值普遍低于50 m/s，剪切波速差值普遍低于20 m/s；不同类型沉积物动弹性模量与动剪切模量的变化规律与声学性质基本一致，但其变化趋势低于不同类型沉积物声学性质的变化规律。

3)胶州湾近岸沉积物声学性质与物理力学性质指标间表现为较为良好的二次函数关系。在测试指标量值范围内，沉积物压缩波速与剪切波速随沉积物容重与强度的增长而增长，随沉积物含水量与孔隙度的增长而降低；沉积物声学性质与物理性质间的相关程度显著高于力学性质。

[1] JACKSON D R，RICHARDSON M D．高频海底声学[M]．刘保华，阚光明，李官保，译．北京：海洋出版社，2013． JACKSON D R，RICHARDSON M D.High-FrequencySeafloorAcoustics[M]. LIU Baohua, KAN Guangming, LI Guanbao, transl. Beijing: China Ocean Press, 2013.

[2] 张叔英．地声学：一门研究海底的重要学科[J]．物理，1997(5)：280-285． ZHANG Shuying. Geo-acoustics: an important discipline studying seafloor[J].Physics, 1997(5): 280-285.

[3] 孙笑，赵明阶，汪魁，等．波动理论在岩土工程测试中的应用研究进展[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(1)：58-62. SUN Xiao, ZHAO Mingjie, WANG Kui, et al. Research on application of wave theory in geotechnical engineering[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(1): 58-62.

[4] 赵明阶，徐蓉．岩石声学特性研究现状及展望[J]．重庆交通学院学报，2000，19(2)：79-85． ZHAO Mingjie, XU Rong. The present situation and prospect of the acoustic properties research in rock[J].JournalofChongqingJiaotongInstitute, 2000, 19(2): 79-85.

[5] 梁元博，卢博．海洋沉积物声学物理和土力学[J]．地球科学进展，1991，6(6)：42-43． LIANG Yuanbo, LU Bo. Sediment acoustics and physics and soil mechanics[J].AdvanceinEarthSciences, 1991, 6(6): 42-43.

[6] 郑杰文，刘保华，阚光明，等．海底沉积声学在海洋工程地质研究中的应用[J]．工程地质学报，2014，22(增刊1)：511-519． ZHENG Jiewen, LIU Baohua, KAN Guangming, et al. Application of seafloor acoustics in marine engineering geology[J].JournalofEngineeringGeology, 2014: 22(Sup l): 511-519.

[7] 李广雪，刘勇，史经昊，等．胶州湾地质与环境[M]．北京：海洋出版社，2014． LI Guangxue, LIU Yong, SHI Jinghao, et al.GeologyandEnvironmentofJiaozhouBay[M]. Beijing: China Ocean Press, 2014.

[8] 孟祥梅，刘保华，阚光明，等．南黄海海底沉积物声学特性及其影响因素试验研究[J]．海洋学报，2012，34(6)：74-83． MENG Xiangmei, LIU Baohua, KAN Guangming, et al. An experimental study on acoustic properties and their influencing factors of marine sediment in the southern Huanghai Sea[J].ActaOceanologicaSinica, 2012, 34(6): 74-83.

[9] 郑杰文，刘保华，阚光明，等．胶州湾潮滩沉积物剪切波速及其频散特性研究[J]．工程地质学报，2015，23(增刊1)：205-212． ZHENG Jiewen, LIU Baohua, KAN Guangming, et al. Shear wave velocity and frequency dependency of flat sediments in Jiaozhou Bay[J].JournalofEngineeringGeology, 2015, 23(Sup l): 205-212.

[10] 孟金生，关定华．海底沉积物的声学方法分类[J]．声学学报，1982(6)：12-20． MENG Jinsheng, GUAN Dinghua. Acoustical classification of sea floor sediments[J].ActaAcoustics, 1982(6): 12-20.

[11] 阚光明，苏元峰，李官保，等．南黄海中部海底沉积物原位声速与物理性质相关关系[J]．海洋学报，2013，35(3)：166-171． KAN Guangming, SU Yuanfeng, LI Guanbao, et al. The correlations between in-situ sound speeds and physical parameters of seafloor sediments in the middle area of the southern Huanghai Sea[J].ActaOceanologicaSinica, 2013, 35(3): 166-171.

[12] 李官保，阚光明，孟祥梅，等．环境条件变化对海底沉积物实验室声速测量结果的影响[J]．海洋科学进展，2013，31(3)：360-366． LI Guanbao, KAN Guangming, MENG Xiangmei. Effect of the condition changes on the laboratory acoustic velocity measurements of seafloor sediments[J].AdvancesinMarineScience, 2013, 31(3): 360-366.

[13] 阚光明, 张一凡, 苏元峰, 等．南黄海中部海底沉积物剪切波速度测量及其与物理力学性质参数的关系[J]．海洋科学进展，2014，32(3)：335-342． KAN Guangming, ZHANG Yifan, SU Yuanfeng, et al. Shear wave speeds measured for sediments from the middle of the southern Yellow Sea and their correlations with physical-mechanical parameters[J].AdvancesinMarineSciences, 2014, 32(3): 335-342.

[14] 潘国富，叶银灿，来向华，等．海底沉积物实验室剪切波速度及其与沉积物的物理性质之间的关系[J]．海洋学报，2006，28(5)：64-68． PAN Guofu, YE Yincan, LAI Xianghua, et al. Shear wave velocity of seabed sediment from laboratory measurements and its relationship with physical properties of sediment[J].ActaOceanologicalSinica, 2006, 28(5): 64-68.

(责任编辑：刘 韬)

Correlation Between Sediment Acoustics and Geotechnical Properties in Jiaozhou Bay

ZHENG Jiewen1, LIU Baohua2, KAN Guangming3, LIU Xiaolei4, LI Guanbao3, PEI Yanliang3

(1.Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, Shandong, P.R.China;2.National Deep-Sea Base Management Center, Qingdao 266237, Shandong, P.R.China;3.First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, Shandong, P.R.China;4.China Ocean University, Qingdao 266061, Shandong, P.R.China)

Sediment columnar samples were collected from coastal areas of Jiaozhou Bay to conduct the measurement of acoustics and physical and mechanical properties, together with in-situ measurement of mechanical properties. Mathematical statistics was used to analyze the sediment acoustics and physical and mechanical properties of different types of sediments in the above sea. The study demonstrates that a significant discrepancy of compression wave speed and shear wave speed exists in different types of sediments at coastal areas of Jiaozhou Bay. Among them, compression wave speed and shear wave speed of silty sand are the highest. The compression wave speed of clayed sand, sandy silt, sandy clay, and silty clay take the secondary place, and that of clay is the lowest. The discrepancy of compression wave speed is generally lower than 50 m/s and shear wave speed is generally lower than 20 m/s for the same type of sediments. The variation rule of the dynamic elasticity modulus and dynamic shear modulus of different types of marine sediments is basically accordant with the acoustics properties, but with a non-obvious variation. There is a good quadric relationship between sediment acoustics and physical properties, and the relevance degree between acoustics and physical properties is obviously higher than sediment mechanical properties. In addition, within the range of the measured parameters of sediment physical and mechanical properties, sediment compression wave speed and shear wave speed are increased with the increase of sediment bulk density and strength, while decreased with the increase of sediment water content and porosity.

geotechnical engineering; sediments; acoustics; physical properties; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.11

2015-10-26；

2015-12-26

国家自然科学基金项目(41506077; 41330965)；海洋所专项基金项目(GY0215G06)；海洋公益性专项项目(201405032; 201405036-2)

郑杰文(1984—)，女，河北衡水人，博士后，主要从事海洋沉积声学与海洋地质工程方面的研究。E-mail：jiewen@fio.org.cn。

O319.56

A

1674- 0696(2017)05- 057- 07