巖土工程地質(zhì)勘察第十章

第十章海洋巖土工程勘察

本章重點：海洋沉積物的工程地質(zhì)特征；海港的工程地質(zhì)問題及其處理措施，港口工程地質(zhì)勘察要點。

第一節(jié)概述

一、海洋工程的分類

1、港灣工程：港口、船廠、海灣水庫、海上架橋、圍海造田、海上機場及海上城市

2、海洋動力工程：潮汐、波浪及海水溫差發(fā)電站

3、以海底石油為中心的海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)工程：海洋石油鉆探平臺、人工島、海底儲油罐庫及海底輸油管等

4、海底電纜、地錨工程5、海底隧道及海底倉庫工程6、海中瞭望塔、燈塔7、軍事海洋工程：軍事基地、水下補給基地、水下兵工廠、水下觀測系統(tǒng)及反潛環(huán)境預(yù)報系統(tǒng)等

第二節(jié)海洋沉積物的工程地質(zhì)特征及變形破壞型式一、海洋沉積物的工程地質(zhì)特征

海洋這一特殊的沉積環(huán)境，決定了海洋沉積物具有獨特的工程地質(zhì)性質(zhì)。海洋沉積物特別是淺海、三角洲沉積物主要是由粘土、粉砂和砂組成的松軟沉積物，常常含有較多的生物骨骼和有機巖屑。這類物質(zhì)同陸上沉積物相比具有以下十大特點。

1.高靈敏度。

由于海水的離子作用，海洋沉積物的靈敏度一般都在4以上。也就是說，當海洋沉積物受到擾動時其強度可喪失75％以上，有的甚至可達98.8％。

2.高孔隙性。

由于海水的長期作用，粘土質(zhì)海洋沉積物戍典型的絮狀結(jié)構(gòu)，絮狀的細小粒子堆聚成巨大的絮狀物，其孔隙比一般都大于1.5，有的甚至可高達5.4。

3.高觸變性。

粘土質(zhì)海洋沉積物的膠體特性很強，在海洋環(huán)境中粘土粒子之間有一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。當沉積物被擾動時結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)遭到破壞并發(fā)生膠溶作用，強度大大降低甚至變成稀釋狀態(tài)，但當其靜止后由于凝聚作用又會使沉積物的強度有所恢復(fù)。所以這種高觸變性可以多次重復(fù)發(fā)生。

4.高蠕變性。

粘土質(zhì)海洋沉積物在固定不變的或連續(xù)發(fā)生的剪切應(yīng)力作用下，隨著時間的延續(xù)會產(chǎn)生長期的流變變形，常使建筑物的沉降持續(xù)很多年。

5.高液化性。

細粒砂質(zhì)海洋沉積物在某種動力作用下，瞬息間就會使飽水砂的結(jié)構(gòu)突然破壞，砂粒相互脫離接觸，孔隙水壓力增至全應(yīng)力，砂粒懸浮而失穩(wěn)，使建筑物地矗產(chǎn)生不均勻沉降，或由于液化的砂土向旁側(cè)流出使建筑物遭到破壞。

6.高含水性。

海洋沉積物的天然含水率都在塑限以上，且大部分超過了液限，有的高達423％。資料表明，海洋沉積物的這種高含水性是隨深度的增大而降低的，致使其抗剪強度隨深度的增大而增大。

7.高壓縮性。

粘土質(zhì)海洋沉積物屬高壓縮性軟土，壓縮系數(shù)一般都大于0.816μ㎡／N，有的可高達20.4μ㎡／N，因此海洋工程建筑的沉降量都非常大。8.低滲透性。

粘土質(zhì)海洋沉積物基本上是不透水的，這對地基的固結(jié)不利，所以海洋工程建筑地墓沉降延續(xù)的時間很長。9.低強度。

海洋沉積物的力學強度很低，局部地方甚至可出現(xiàn)負強度。

10.高變異性。

海洋沉積物就其成因類型而言并不如陸地沉積物多，但海洋沉積物在空間分布的變化上卻比陸地沉積物大得多。二、海洋沉積物變形破壞的主要型式

海洋沉積物特別是三角洲沉積物，在不斷增加的沉積作用、海浪、地震等超荷載的影響下常產(chǎn)生負強度效應(yīng)而導(dǎo)致變形和破壞。其變形破壞的主要型式是滑坡。這些滑坡大致可以分為以下幾種類型：

1．邊緣旋轉(zhuǎn)型滑坡

這類滑坡是在一種凹透鏡狀的曲線底部之上發(fā)生的滑動。多個剪切破裂面同時開裂發(fā)展到共同的平行于沉積基底的底部剪切面。產(chǎn)生這類滑坡的主要原因是由于沉積速度過快造成的超孔隙壓力及沉積體前沿坡度過大。

2．滑塌沉陷型滑坡

這類滑坡在平面上呈碗狀凹陷形，其邊緣被明顯的陡坎所圈定。發(fā)生這類滑坡的地區(qū)海底坡度很小，一般僅0.1°—0.2°，產(chǎn)生這類滑坡的原因是各支河口外沉積物的沉積負荷差異、波浪壓力的循環(huán)荷載和有機質(zhì)遞解不斷產(chǎn)生天然氣。

3．瓶頸型滑坡

這類滑坡從沉積物開始移動的發(fā)源處的上坡方向和下坡方向均有滑動，向上坡方向傳播的滑動使破壞區(qū)不斷擴大，稱擴展破壞區(qū)。產(chǎn)生這類滑坡的主要原因可歸結(jié)為：當沉積物重塑到某一含水量時，較高的天然氣和孔隙水壓力使沉積物流出，上坡方向的斜坡失去了支撐發(fā)生進一步滑動，其剪切面的深度一般在泥面以下10—20m處。

4．延長型滑坡

這類滑坡多出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)型滑坡受到特殊干擾的時候，多數(shù)滑坡的上坡方向都有一個滑動發(fā)源區(qū)具有明顯的旋轉(zhuǎn)型滑坡的特征。中部有一個狹長的溝槽將上坡方向的滑坡發(fā)源區(qū)和下坡方向的組合坡腳扇連接起來。產(chǎn)生這類滑坡的主要原因與瓶頸狀滑坡相似。

第三節(jié)海港工程地質(zhì)研究一、概述二、海港的主要工程地質(zhì)問題

1、區(qū)域穩(wěn)定問題

1）海岸是地殼運動和洋面變遷的共同結(jié)果2）地質(zhì)構(gòu)造對我國海岸發(fā)育的控制作用3）海岸的升降變化對建港的影響

2、碼頭及防波堤的地基穩(wěn)定問題

不同類型的建筑物對地基允許承載力的要求是不同的。對于碼頭和防波堤來說，它們是港口的重型建筑物，而且主要部分甚至全部是建于海灘上的，修建前不可能很好地整平地基，會因地基傾斜導(dǎo)致建筑物靜荷載合理的作用點偏離地基中心，使地基承受傾斜力;強大海浪海流的拖曳作用也會在地基承壓面上產(chǎn)生一個偏心力。像這樣的傾斜負荷和偏心負荷，會使地基在一個比正常作用于基礎(chǔ)底面上的力低的荷載下就發(fā)生破壞。因此這些建筑物對地基允許承載力的要求更高，最好修在基巖或砂礫石地基上。

3、港池和航道的回淤問題及處理措施

1）阻止淤積物進入海港的措施

根據(jù)淤積物的來源和性質(zhì)的不同，一般有三種處理方法。

(1)石子和粗砂類淤積物的處理方法

粗粒淤積物主要發(fā)生在侵蝕強烈、流速很大的山區(qū)河流之河口處。由于粗粒物質(zhì)大多沿河床運動，因此可以在河流上特別是上游支流的入口處，修建低的順壩將可能進入海港的大小石子予以阻攔，或者將它們引導(dǎo)到別的地方去。

(2)細粒淤積物的處理方法

一些位于流速緩慢的河口港，因為潮水的反復(fù)漲落，水中懸移質(zhì)含量較重，容易造成海港回淤。此時可在下游將河口拓寬，借用漲潮和退潮的河水沖刷港口河道，以防止海港回淤。此外，如果裝有特別設(shè)計的單向潮閘，在退潮的時候?qū)ο凹右钥刂疲嗫衫猛顺钡牧α壳宄蹆?nèi)的淤積物。

(3)大量回淤的處理方法

當建港地區(qū)的河口淤塞十分嚴重時，則應(yīng)建筑離河港以避免回淤。這就是將海港建筑在離河口一定距離的地方，開挖一條進港河道把海港與河口連接起來。必要時還可在進港河道上建一閘，以便在水渾濁時期，將河口與海港隔離開，達到阻止淤積物進入海港的目的。2．清除港內(nèi)淤積物的措施

目前清除港內(nèi)淤積物最有效的措施仍然是浚挖，就是用挖泥船將淤積物挖除。一艘新式挖泥船有一萬匹馬力，每天可挖泥2萬米3以上，所以用此法來維持一個海港的預(yù)定水深是不會有困難的。為了選擇合理的防淤措施，工程地質(zhì)勘察中必須查明：淤積物的主要來源地及其進入海港的方向；淤積物的性質(zhì)及其粗細程度;淤積物的大概數(shù)量。三、港址選擇和建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程地質(zhì)論證(一)港址選擇的工程地質(zhì)論證

1、港址的基本要求

港址選擇是一項重要而復(fù)雜的工作。良好的港址能夠加快施工速度、縮短建設(shè)時間、節(jié)省建設(shè)投資，內(nèi)部配置合理、經(jīng)營管理便利，船舶運轉(zhuǎn)安全，迅速、維修工作少，有利于降低運輸費用。因此它應(yīng)滿足以下具體要求：(1)港灣應(yīng)具有寬闊的水域以便于船舶自由進出和回旋；(2)港池和航道有較大的水深(一般不小于12m)以便較大船舶的進出和靠泊；(3)港口水域最好有天然掩護，如必須建造防波堤時，則應(yīng)有較好的地基條件，以保證防波堤的安全和經(jīng)濟；

(4)沖、淤不強烈，以保證港池和航道的穩(wěn)定和預(yù)計的水深；(5)要有方便的船舶靠泊錨地，所以海底不能有太多巖石，也不能有太多砂成全是泥；(6)有足夠的陸域面積，以便于港口作業(yè)區(qū)和各種建筑物合理而有規(guī)律地布道。還要有碼頭等重型建筑物的良好地基；(7)海港地處國防前哨，是國家的門戶、水陸交通的樞紐，必須滿足國防和戰(zhàn)備要求；(8)有足夠的電源和水源，有良好的施工場地，建筑材料供應(yīng)方便并盡可能就地取材以減少運輸費用；(9)與城市有良好的聯(lián)系和配合；(10)岸線長度和水、陸域，均應(yīng)有港口進一步發(fā)展的余地。

2．不同地區(qū)港址的特點

(1)海岸地區(qū)港址的特點

根據(jù)組成物質(zhì)的不同，我國海岸可分為巖岸、砂岸和淤泥質(zhì)海岸。巖岸岸線曲折，岸坡一般較陡，近岸水深條件好，有掩護較好的海灣，而且泥砂來源少，地基條件好，容易形成天然良港。

沙岸岸線平直，岸坡較緩，一般是水淺浪小，泥砂來源多，因此主要問題是如何保證減少港內(nèi)回淤以維持適當?shù)乃?。淤泥質(zhì)海岸岸線平直，岸坡極緩，深水區(qū)離岸極遠，沿岸泥砂運動強烈，地基條件差。在這種地區(qū)建港，回淤和地基穩(wěn)定問題是主要的工程地質(zhì)問題。

(2)河口地區(qū)港址的特點

入海河口有良好的掩護和深水岸線，且地勢開闊平坦，在這里建港有條件發(fā)展為海陸聯(lián)運的樞紐。但由于河口外往往有攔門砂存在，航道必須在攔門砂上開挖，因此河口地區(qū)航道的回淤問題就成為必須解決好的首要問題了。對于有河叉分布的三角洲，則應(yīng)選擇河床較為穩(wěn)定的叉河作為航道。此外，在河，口地區(qū)建港，還應(yīng)選擇水深合適的順直段或彎曲河段的凹岸，潮流界附近是淤積最嚴重的河段，一般不宜建港，為避免潮流附近的航道經(jīng)常大量挖泥，故應(yīng)在潮流界以下建港為宜。

3．港址的選擇

選擇港址時必須根據(jù)對港址的要求，全面研究各比較港址的工程地質(zhì)條件，特別其中的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和巖土工程地質(zhì)性質(zhì)等，抓住區(qū)域穩(wěn)定性、建筑物配置和地基穩(wěn)定性、港池回淤等主要工程地質(zhì)問題進行具體地分析對比，才能選出比較優(yōu)良的港址來。(二)防波堤的布置和結(jié)構(gòu)選擇的論證

防波堤的平面布置型式可分為四種基本類型(圖12-13）1．單突堤式：自海岸適當?shù)牡攸c起構(gòu)筑一道伸入海中的防波堤，以形成一片寧靜的海域作為港口。2．雙突堤式：這種港口是由兩道防波堤圍合而成。這種布置形式較單突堤式優(yōu)越，可以阻擋幾個不同方向的風浪和漂砂，也可適應(yīng)不同的自然地質(zhì)環(huán)境。3．島堤式：將防波堤全筑于海中如島一樣，阻擋迎面襲來的風浪和漂砂。防波堤的形式可直可曲，數(shù)量可多可少，視地形地質(zhì)條件與需要而定。4．混合堤式：是把突堤和島堤聯(lián)合起來運用以形成港口。它可適用于各種不同的自然地質(zhì)環(huán)境，同時具有多個進出口，非常方便，故常為大型港口所采用。防波堤的結(jié)構(gòu)型式也比較多，根據(jù)它們對地質(zhì)條件的要求不同，可分為斜坡堤式，直立堤式，混成堤式三大類。

第四節(jié)離岸建筑的工程地質(zhì)研究一、離岸建筑的類型及其所處的環(huán)境特征

離岸建筑(OffshoreStructure)是指那些建筑在距離海岸相當遠的海中建筑物，也稱為岸外建絨，除防被堤辨，按共用途述有海洋鉆探平臺，梅上燈塔，人工島(ArtfficiaIsland)，海上飛機場、海上油池和梅洋資料收集塔臺等。二、海洋鉆探平臺穩(wěn)定性問題

海洋鉆探和陸上鉆探的主要區(qū)別在于海洋鉆探必需設(shè)置鉆探平臺(plateform)。海上鉆探平臺的地基是否穩(wěn)定，特別是在風浪等因素作用下是否會因地基的變形失穩(wěn)而導(dǎo)致鉆探平臺的滑移傾倒，是必須予以高度重視的問題。1969年8月17日卡米爾颶風襲擊了墨西哥的路易斯安那沿海地區(qū)，致使該處當時世界上工作水深最大的一座固定式海上鉆探平臺倒塌，造成了巨大的損失，僅被破壞的設(shè)備就價值1億多美元。究其原因是由于暴風波浪對沉積物的擾動，強度降低，進而向海底下坡方向滑塌，對平臺的基礎(chǔ)構(gòu)件造成巨大的水平作用力使其發(fā)生彎曲破壞，導(dǎo)致了平臺的倒塌。

第五節(jié)海洋建筑工程地質(zhì)勘察要點

一、港口工程地質(zhì)勘察要點

大中型港口的工程地質(zhì)勘察一般與設(shè)計階段相適應(yīng)地劃分為選址勘察、初步設(shè)計工程地質(zhì)勘察和施工圖設(shè)計工程地質(zhì)勘察三個階段。

(一)選址工程地質(zhì)勘察(選址勘察)選址勘察的目的是概略地了解擬建港址的工程地質(zhì)條件，為綜合評價港址的建設(shè)適宜性提供工程地質(zhì)資料。采用的勘察方法主要是收集已有的資料和現(xiàn)場踏勘。若需要布置勘探工作時，河港勘探點距順岸向一般為300—500m，垂岸向100—200m；海港勘探點距一般為500一l000m，當基巖埋藏較淺時可適當加密?？碧缴疃纫话憔怀^40m。勘探宜采標貫試驗等簡單方法。

(二)初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察(初勘)

初勘的目的是為在已選定的港址上合理地確定建筑的總體布置、結(jié)構(gòu)型式、基礎(chǔ)類型，和施工方法等提供工程地質(zhì)資料。