中国黄海海域低液限海相黏土欠固结特性及其工程地质意义研究

针对海洋填海工程中地基沉降控制难题，研究人员通过固结试验系统研究了黄海海域不同深度海相黏土的压缩性(Cc)、固结系数(cv)及预固结压力(p0)，发现该区域黏土具有低液限(wL=35.34-42.22%)、低渗透性(k=0.82-1.57×10-7cm/s)和欠固结(OCR<1)特征，揭示了快速沉积与低渗透性共同导致的欠固结机制，为海洋工程建设提供了重要参数依据。

　　

海洋工程建设中，海相黏土的固结特性直接关系到填海造地、海上风电等重大工程的安全稳定性。然而，全球不同海域的海相黏土表现出显著差异的压缩性和固结状态，其内在机制尚不明确。中国黄海海域作为重要的海洋经济发展区，其海相黏土的工程地质特性研究亟待深入。尤其值得注意的是，诸如日本关西国际机场等案例已警示，忽视海相黏土的特殊固结行为可能导致灾难性沉降和巨额维护成本。

为系统揭示黄海海域海相黏土的固结特性，来自中国某研究机构的研究团队对取自22-61m深度的海相黏土开展了一系列固结试验研究。通过对比原状土与重塑土在不同孔隙水条件下的压缩行为，结合现场CPTU测试数据，首次证实该区域黏土普遍存在欠固结特征，相关成果发表于《Applied Ocean Research》。

研究采用固结仪测定压缩指数(C_c)和固结系数(c_v)，通过双对数法确定预固结压力(p₀)，并采用泰勒法计算固结系数。试验样本包括原状样（ZK66-2、ZK66-3、ZK66-4）和分别用海水/淡水制备的重塑样，测试过程包含加载-卸载-再加载全过程。同时结合现场CPTU测试的锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力数据，验证室内试验结果。

3.1 e-p关系
通过孔隙比-压力曲线分析发现，黄海黏土初始孔隙比(e₀)仅为0.63-0.68，压缩系数(a_v1-2)为0.30-0.48MPa^-1，属于中等压缩性土。饱和处理会轻微降低压缩性，而初始孔隙比差异显著影响压缩曲线形态。

3.2 e-logp关系
双对数法确定的预固结压力(p₀=74.28-85.22kPa)远小于土体自重应力(p_z=217-594kPa)，证实所有样品均处于欠固结状态(OCR<1)。压缩指数(C_c=0.14-0.23)与回弹指数(C_s=0.03-0.04)的比值(C_s/C_c=0.121-0.238)反映出土体结构弹性特征。

3.3 ε_z-p曲线
淡水饱和样品的应变恢复率(21.38-49.14%)高于天然状态样品(20.76-33.18%)，表明孔隙水盐度降低会增强土体回弹能力。压缩模量(E_s)受初始饱和度和孔隙比共同调控。

3.4 固结系数
固结系数(c_v=0.21-2.97×10^-3cm²/s)在再加载阶段可提升达416%，但随压力增加呈下降趋势。原状土的c_v值普遍高于重塑土，证实结构效应不可忽视。

4.1 结构效应
重塑土的压缩指数较原状土提高15-20%，但预固结压力相近。固结过程中，原状土c_v值始终高于重塑土，尤其在预固结压力后的再压缩阶段差异显著。

4.2 海水效应
海水重塑土(Sa-RE-ZK66-3-S)较淡水重塑土(RE-ZK66-3-S)的压缩指数降低4.35%，固结系数提高42-67%，表明盐分通过改变黏土颗粒排列方式影响力学行为。

5.1 物理特性
黄海黏土在塑性图中位于CL区域(低液限黏土)，其异常低的压缩性(C_c=0.14-0.23)与低液限(w_L=35.34-42.22%)、低含水量(w=23.08-25.91%)和低初始孔隙比(e₀=0.63-0.68)直接相关。

5.2 盐度效应
与印度Njarackal黏土(C_c降低30%)相比，黄海黏土对盐度变化敏感性较低(C_c仅降低4.35%)，这与其以伊利石为主的矿物组成有关。

5.3 欠固结机制
Gibson一维固结理论揭示，高沉积速率(R)与低渗透性(k)、低固结系数(c_v)共同导致(R/2√c_v)值增大，形成深部高孔隙水压力区。CPTU测试在20-30m和40m以下检测到的异常高孔隙压力(Δu>200kPa)直接验证了这一机制。

该研究首次系统揭示了黄海海域海相黏土的欠固结特性及其形成机制，为海洋工程建设提供了关键参数。研究发现该区域黏土具有"三低特征"(低液限、低渗透性、低压缩性)，但受快速沉积作用影响呈现显著欠固结状态，这种特殊组合对桩基贯入阻力和工后沉降预测提出新挑战。研究强调在海洋地质勘察中必须结合原位测试(如CPTU)与室内试验，并考虑孔隙水化学组成的影响。这些发现不仅完善了海洋土力学理论体系，更为中国沿海重大工程的地基处理提供了科学依据，对预防类似关西机场的工程事故具有重要实践价值。