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硅藻微化石对沉积物抗剪强度和边坡稳定性的影响

摘要

硅藻微化石已在世界各地的许多天然海洋沉积物中被发现，被认为是硅藻不服从指数特性与抗剪强度之间的良好岩土关系的原因。我们重新审视了硅藻的静态剪切强度，并给出了硅藻的第一次循环不排水剪切强度实验—研究粘土-淤泥混合物硅藻对海底边坡稳定性的作用。结果表明，内摩擦角随硅藻含量的增加而增大。然而，我们在先前的研究中提供了对内摩擦角的严重高估的证据。基于600kPa以下不同压力的直剪实验，我们发现在纯硅藻中内摩擦角由增加到。相似地，对于静抗剪强度，循环剪切强度随硅藻含量的增加而增加。然而，与静态剪切强度相比，最大的增幅不是从0%增加到25%，而是从75%增加到100%。有趣的是，硅藻土沉积物往往会因液化而失效，尽管指数特性与液化敏感性之间的良好关系预示着相反的情况。液化失效仅发生在含le;50%硅藻的样品中，而低硅藻含量较低的样品则表现为循环软化。在静态和循环加载条件下，海洋沉积物中硅藻微化石显著增加了边坡稳定性，因为硅藻在加载模式下会导致更高的阻力。强度的增加被解释为颗粒互锁和表面粗糙度的结果，这在给定的高度变化的硅藻物种中是非常高效的。

1.简介

硅藻在世界海洋表层沉积物中占了相当大的比例，硅藻的主要富集带在：

1. 几乎分布在整个南半球；
2. 太平洋的北带，鄂霍次克海，白令海和日本海；
3. 近赤道带，在太平洋和印度洋有很好的定义，在大西洋中不那么明显。

天然海洋硅藻土沉积物的种类从几乎纯硅藻到硅藻壳与无机或有机沉积物的混合物不等。硅藻微化石是单细胞水生浮游植物留下的中空骨骼。它们在形成过程中，通过消耗溶解的二氧化硅，从一个纤毛或拉长的中心生长出来。在我们星球的火山活动区域中，经常观察到地土沉积。火山产出产生丰富的硅质水生环境，从而为硅藻的生产力提供燃料。此外，最丰富的硅藻生长的区域是在沿海水域，那里的养分引流发生或上升流正在发生。

从力学角度看，即使是少量的硅藻微化石(10%)也会严重改变沉积物的物理和岩土性质。硅藻表面粗糙，密度低，吸收能力强，比表面积大，是磨料。单个硅藻硅藻的孔隙空间高达60-70% 。硅藻土的岩土特性是独特的:含水量、孔隙率、孔隙度、渗透率、可压缩性、稠度极限、不排水剪切强度随硅藻数量的增加而增加，其中体积密度降低。我们建立了与指数支撑相关的已建立的经验方程，即沉积物抗剪强度不受硅藻沉积的海洋沉积物剪切强度的影响，是海底边坡稳定性的关键控制因素。海底边坡的破坏程度比陆地上的要大很多，并且在小于18的坡度上发生。由于它们的体积和长时间的运行，它们会破坏重要的海底基础设施，并可能产生破坏性的海啸。一些大体积（大于）次海洋边坡的破坏已在具有硅藻沉积物的地区被发现。考虑到世界范围内硅藻土的广泛分布，以及对深海开采的经济利益的增加，了解它们的地质力学行为是非常重要的，以便为边坡稳定性提供更可靠的模型。

斯瓦考特、塔纳卡、迪亚兹·罗德·盖兹等人做了大量岩土剪切实验研究重组粘性土壤不同硅藻微体化石内容为了确定硅藻沉积物的工程性质。这些研究涵盖了统计、封闭、排水和未排水剪切试验的范围，并一致地报告了硅藻含量增加的抗剪强度。这些研究对边坡稳定性分析的结果是，含硅藻的边坡沉积物比缺乏硅藻的有机或无机地基更能抵抗静态和重力载荷。虽然这可能是静态加载的情况，但有一些研究认为动态负载在硅藻土沉积物上是不够的。由于硅藻的微化石经常在技术上活跃，因此必须考虑到地震作用的影响，以了解边坡的稳定性。地震引起了斜坡沉积物的周期性剪切应力，并可能导致沉积物的破坏，包括更多的塑性的循环软化，粘土样的沉积物，或松散沉积的粒状沉淀物的液化。循环软化描述了循环加载的塑性沉积物的逐渐强度下降和应变积累。液化是在地震引起的过度孔隙压力达到垂直有效的静水覆盖应力时发生的一个沉积故障过程。沉积物像液体一样，几乎没有剪切阻力。艾因西勒建议硅藻土在循环加载条件下易于液化。然而，据我们所知，没有岩土学研究系统地研究硅藻微化石对沉积物循环阻力的影响。

在本研究中，我们首先回顾了普通硅藻土的静态抗剪强度，然后开始填补这类样品的循环剪切实验的间隙。本文介绍了第一个三轴循环未排水剪切实验，研究了硅藻土微化石-粘土-粉土混合物，旨在更好地了解硅藻微化石对地震荷载作用下海底边坡稳定性的影响。在地震荷载条件下，我们将重点关注硅藻土沉积物对周期性剪切应力的响应、其失效敏感性和在斜坡沉积序列中作为弱层的潜在作用。

2.原理与方法

2.1 样品的材料

在斯瓦考特、塔纳卡、迪亚兹·罗德·盖兹的例子中，在0% DE (0DE:100C)、25% DE (25DE:75C)、50% DE (50DE:50C)、75% DE (75DE:25C)和100% DE (100DE:0C)的基础上，制备了一种粘质粉土(C)和纯硅藻土(DE)的混合物。所有的混合物都是基于在干重的比例上，然后与蒸馏水混合。浆体是在其各自的液体极限的水含量上制备的，并在它们具有宏观的均匀性之前进行搅拌。确定了基本的沉积物特性，确定了液体极限、塑性极限、粒径分布和颗粒密度(qs)，以确保早期工人在硅藻土-粘土-淤泥混合物中观察到的岩土特性趋势的一致性。这些岩土指标参数作为一阶液化敏感性分析的结果。从塑性指数和液限中可以估算出液化易感性，或与粒径分布相结合的液限]。粒径分布通过激光衍射分析与Coulter LS-13320TM仪器进行测量，确认了该方法的局限性，特别是对不规则形状的粒子。在117个等级中测量了晶粒大小，从0.04到2000。用瑞典的落锥法测定了阿特贝格极限。用氦比重计测定材料样品的固体体积以获得。

如图1所示。这个图显示了在这里使用的材料混合物的累积粒径分布，以及斯瓦考特等人使用的硅藻土根。(a)颗粒大小的累积粒径。(b)硅藻土的代表性SEM图像，硅藻土完整而破碎的硅藻， (c)粘土-粉砂体，显示粘土中覆盖的粉粒。

粘土质粉砂的基本组分是一种商业粘土矿产丰富的沉积物。在这里，它被用作半远洋淤泥质沉积物的模拟物。通过半定量XRD分析，采用飞利浦多用途衍射仪和软件组合Philips X0Pert HighScore和QUAX ，确定了其矿学成分。它构成了62%的层状硅酸盐矿物(主要是蒙脱石、伊利石和混合层粘土)和其他矿物成分，包括石英、方解石和长石。硅藻土(DE)被收集于德国北部的鲁讷堡石南、低地的萨克森州。在一个湖的边界上发现了几厘米深的石英砂。在原地，硅藻土是潮湿和非岩化的。在实验室中，取样的块被洗了，但没有在实验室里刷成白色，以分离表面的石英沙粒。蒸馏的水的加入导致了硅藻土块的一些分解。对SEM图像的可视化分析表明，硅藻土由几乎纯生物的蛋白石组成，具有一定程度的机械改变或碎片(图1)。然而，由于取样的块体的自然变化，我们预计在样品材料中，断裂与完整的硅藻、有机物甚至石英砂的比例会发生变化。以图像为基础的颗粒形状分析显示，主要是中心型半胱氨酸，大小在大约50 左右。这些物种出现在盐水和淡水中。然而，经过测试的硅藻在最后一次间冰期(约130-115年)中在淡水和沉积物中生长。硅藻土包含约3%的有机材料。

2.2静态排水剪切实验

静态排水剪切强度是静态边坡稳定性分析的关键参数。通过静态、排水剪切试验，研究了随着硅藻含量的增加而进行的排水剪切强度演化，并比较了本文所使用的材料的抗剪强度特性。圆柱形样品(25 , 2.5 cm高)被放置在液体极限处的直接剪切装置中。垂直在样本上应用期望的正常应力。在样本高度不变的情况下，样本被允许合并，这样样本就被假定为完全排干，而应用的近似等于有效的正常应力。有效的正常应力是正常应力与孔隙水压力的差值 。因此，所有的样品在剪切之前都处于正常的固结状态，即超固结比(OCR)为1。剪力发生在一个预定的平面上，它施加了正常的压力。每个实验的剪切位移为12毫米，剪切速率为0.33。这种剪切速率足够慢,允许不断进行排水剪切。每样材料在法向应力200kpa, 400kpa，和600kpa中剪切。200~600kPa的应力模拟了海平面以下40~120m的有效静水垂直覆岩应力，假设平均沉积物有效单位重量是。这一深度间隔(40 - 120mbsf)对应于一个经常观测到的海底滑坡的头崖高度，这与海底滑坡的核爆深度近似。

每一次剪切试验只使用一次样品材料，以避免累积颗粒破碎的潜在影响。然而，这也为混合物中每个样品的物理性质带来了变化的可能性。根据莫尔-库仑本构法，选择直接剪切测量法，以确定抽干剪切强度参数的确定:

式中：—抗剪强度

—黏聚力

—内摩擦角

由莫尔-库仑破坏线确定的内聚力是在零有效法向应力下的外推剪切力，如莫尔-库仑图中与y轴相交的莫尔-库仑破裂线的截距。我们建议用这种方式来计算“表观内聚”，以区别于需要在单独的测试中进行测量的真正的土壤参数-内聚(c)。通过应用一系列有效的常规应力，我们的目标是提高对材料的静态抗剪强度的理解，因为其他试验者经常假设黏聚力为零从单一的剪切实验中推导出内摩擦角的角度。

2.3 循环不排水抗剪强度试验

循环不排水剪切强度试验揭示了沉积物对地震晃动的动力响应，其中孔隙水压力演化和泥沙变形是主要的输出信息。通过应力控制、循环不排水剪切强度试验，利用马勒姆动态三轴试验装置模拟了普通硅藻土样混合物的地震振动。在实验室条件下，循环剪切应力定义为:

式中：是由对圆柱形试样（表面积、高）在恒定侧压力下进行循环垂直加载和卸载产生的循环偏应力。通过对铝制圆柱体中液体极限的试样材料进行评估，制备出圆柱形试样。浆体在铝制气缸内的垂直荷载为100kPa，并在整合完成后在三轴单元内组装。在每次实验之前，样品都是真空饱和的，被去离子化，脱水的水，所有样品的水饱和度至少为95%。初始有效的平均围压应力，在性质上反映，设置为150 kPa，有300kPa流体背压：

式中：和分别是在固结结束时的初始有效垂直和横向应力。

所有的样品通常都是统一的，并在均匀的、谐波的、压缩扩展的模式下进行循环加载。频率为1.0 Hz，用于地震工程实践的标准频率。在循环不排水载荷作用下，以100hz的频率记录了垂直分布、循环应力、侧向应力和超孔隙压力演化。循环不排水抗剪强度通常以循环剪切应力比(CSR)和循环次数与破坏图相比较。CSR定义为：

CSR是对地震烈度的间接测量。瑟德和尹德瑞斯开发了一个简化的程序，将地震的峰值加速度与等效的CSR和实验室中加载周期的数量联系起来。详细描述请见克雷默。在液化过程中，由超过90%的和/或5%的双幅轴向应变增加的孔隙水压力定义了失效的循环次数。我们选择了5%的双幅轴向应变作为第二个失效准则，因为液化通常与该标准一致，因为它是岩土工程实践中的标准失效标准。通常归为，并称为归一化孔隙压力比。应用循环剪应力的范围从40kpa到90kpa，也就是，CSRs在0.13-0.3范围内。

3.结论

3.1 一般混合物的物理性质

图1展示了斯瓦考特、迪亚兹·罗德·盖兹为这项研究使用的硅藻土端元混合物样本的累积的粒度分布曲线。硅藻土是一种的粘质粉土。斯瓦考特、迪亚兹·罗德·盖兹使用的硅藻土端元稍微粗一点，它的在10左右。本文所测试的材料的灰泥尺寸(lt; 2 mm)，从最大的29个vol.%减少到11个vol. %，在纯硅藻土中，粉砂和沙的比例随着硅藻土含量的增加而增加。材料的界限含水量和颗粒密度的概述见表1。在硅藻土端元中，随着纯硅藻土从0%到100%的变化，液限从粘质粉土的56%增加到289%，塑限从38%增加到206%，界限含水率增加了大约5倍，颗粒密度从2.7 g/ccm减少至2.23 g/ccm。

3.2 单调排水剪切实验

表2给出了直接剪切试验的关键样品参数和试验结果的总结。从纯粘质粉土到纯硅藻土的孔隙比和含水量增加5个百分点。这与界限含水量 (表1)相一致。数据进一步表明，随着有效法向应力从200增加到600kPa，孔隙比(固有含水量)的降低，随着纯硅藻土含量的减少而急剧下降。注意，空隙率的散点随纯硅藻土的增加而增加。图2a提供了各直剪试验的剪切应力与剪切位移数据。可以看出，在粘质粉土层中，3-4毫米剪切位移后，剪切应力达到峰值(由黑色填充点表示)，而硅藻材料在剪切位移时达到峰值剪切强

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