海洋原位試驗方法綜述

王偲，于彥江，寇貝貝

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州 510075；2.中國地質調查局廣州海洋地質調查局 廣州 510075)

海洋原位試驗方法綜述

王偲1，2，于彥江1，2，寇貝貝1，2

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州 510075；2.中國地質調查局廣州海洋地質調查局 廣州 510075)

深海海底的淺層沉積物不排水抗剪強度低、飽和松散且易受擾動。由于海洋的復雜環境，常規取樣對原位土體擾動較大，文章主要介紹了靜力觸探試驗、動力觸探、扁鏟側脹儀試驗、十字板剪切試驗和海上抽水試驗等海洋原位試驗的原理、優點、適用范圍、設備以及相關應用情況。明確了我國海洋原位試驗的發展方向。

深海海底；海洋原位試驗；淺層沉積物

隨著海洋開發的“深度”發展，眾多以海底土體為基礎的海洋工程應運而生，掌握海底沉積物的物理性質和力學性質對海洋工程的建設至關重要。深海海底的淺層沉積物以飽和軟土為主，該土厚度大、土質比較均一，具有高塑性指數、容重小、不排水抗剪強度低、高含水量、飽和松散且容易擾動等特點。由于常規取樣對原位土體擾動比較大，影響室內試驗結果準確性，為了詳細掌握海底土體的相關特性，海洋土體原位測試在海洋地質調查和海洋工程勘察中使用越來越廣泛。

土體原位測試是指，在工程地質勘察現場，在不擾動或基本不擾動土層的情況下對土層進行測試，以獲得所測土層的物理力學性質指標及劃分土層的一種土工勘察技術。主要分為土層剖面測試法和土體專門測試法兩大類。土層剖面測試法主要包括靜力觸探、動力觸探、扁鏟側脹儀試驗及波速法等。具有可連續進行、快速經濟的優點。專門測試法主要包括載荷試驗、旁壓試驗、標準貫入實驗、抽水和注水試驗、十字板剪切試驗等。通過此法可得到土層中關鍵部位土的各種工程性質指標，精度高，超過室內試驗的成果，測試成果可直接供設計部門使用。由于海洋的特殊環境，海水的存在制約了許多陸地常規原位試驗的適用條件，類似標準貫入試驗、載荷試驗、旁壓試驗等陸地常規原位試驗都不適用于海洋。目前海洋土體原位測試應用較多的包括土層剖面測試法當中的靜力觸探試驗、動力觸探試驗和扁鏟側脹試驗，以及土體專門測試法當中的十字板剪切試驗和海上抽水試驗。

1 土層剖面測試法

1.1 靜力觸探試驗

海底靜力觸探試驗(Cone Penetration Test，CPT)，是目前運用最多且最先進的海底土體原位測試方法。以恒定的速率通過液壓貫入方式將探頭和觸探桿貫入到土中，在貫入過程中，通過儀器測定孔隙水壓力、錐尖阻力和側壁摩阻力及其隨深度的變化曲線，并現場計算求得海底土體的物理、力學參數，準確、高效地完成海洋工程的地質調查與評價[1]。廣泛應用于濱海相沉積層、三角洲沉積層和河湖相沉積軟土層的土體參數測定，在港口海岸基礎設施建設、近海資源開采平臺、海下電纜及油氣管線鋪設的工程安全性評價中發揮著重要的作用，也是未來港口、航道、海洋環境地質工程地質調查的主要手段[2]。

CPT 技術快速、經濟，現場試驗無需取樣、適用范圍廣并且能夠進行長期觀測。西方國家早在20世紀60年代就開始針對海底土體的靜力觸探試驗，技術發展迅猛，已經實現了商品化，并提供相關技術服務。國內研究靜力觸探技術比較晚，由于各方面原因，技術目前仍停留在科研水平[3]。

按照貫入工藝將海底靜力觸探技術分為平臺式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)3種類型[4]。平臺式CPT的貫入設備設置于承載船或固定平臺上，適用于水面平靜的江河湖泊中。海床式CPT的貫入設備穩定架設于海床面之上，能夠保證觸探路徑在空間上的完整性，適用于淺海區域。井下式CPT是靜力觸探與鉆探相互結合的循環貫入技術，作業深度理論上能夠達到鉆探的深度，最深的探測深度已經達到海底數百米。

海底靜力觸探試驗相關設備種類繁多，國外主要應用的型號及相應作業特點如下：① 1965年，荷蘭輝固公司研制生產Seabull自升式平臺水域CPT，其觸探深度5 m。② 1972年，荷蘭輝固公司研制生產Seacalf型海床式CPT，其作業深度6 000 m，觸探深度50 m。 ③1974年荷蘭范登堡公司研制生產了兩種型號的CPT，其中：WISON-APB型井下式CPT作業水深700 m，最大推力150 kN，單次貫入1.6 m；DW WISON-AP型井下式CPT最大推力100 kN，單次最大貫入3 m。④1975年，荷蘭Deltares公司研制生產Diving Bell套管式平臺CPT，其觸探深度60 m。 ⑤ 1977年，英國與挪威聯合研制生產了鉆探、觸探一體化的海床式CPT，其工作水深190 m，觸探深度40 m。 ⑥1982年，加拿大海灣資源公司研制生產了自帶超聲波無線技術、特殊的潤滑探頭的新型海底CPT，其5 t貫入力使觸探深度達到71 m。⑦ 1990—2005年，荷蘭Geomil公司研制生產了MANTA-200海床式 CPT、SHARK-200 近岸式CPT和ORCA-200 無線井下式CPT，作業特點是最大水深200 m，觸探最大深度40 m，水下液壓電池驅動組供電。⑧ 2000—2010年，荷蘭范登堡公司研制生產了3種CPT，其中，ROSON近海式CPT，作業水深200 m，貫入20 m；ROSON海床式CPT，作業水深1 500 m，貫入40 m；DW ROSON深海海床CPT，作業水深4 000 m，貫入50 m。⑨ 2010年，德國海洋環境研究中心研制生產的GOST海底CPT，采用液壓動力，工作水深4 000 m，觸探深度38 m。⑩ 2014年，英國Datem公司研制生產了Neptune系列CPT，其探頭能夠連續貫入。

我國研制生產的海底靜力觸探試驗相關設備主要有以下幾種：① 1973年，中國科學院海洋研究所研制生產自鎖沉放式海底CPT，其觸探深度7 m，適用于淺層淤泥質地層。② 1976，中國廣東省航運規劃設計院研制生產船載式CPT，這款設備需下套管。③ 1994年，中國地礦部海洋地質研究所研制生產鉆探、觸探一體化船載式CPT，其測試水深15 m，觸探深度30 m。④ 2003年，中國船舶工業勘察設計研究院研制生產MJ-II型CPT，其與水域靜探平臺結合，平臺高度可調節。⑤ 2005年，中國吉林大學工程技術研究所研制生產淺海域海底CPT測試系統，其測試主體可進行人工操作。⑥ 2008年，中國廣州海洋地質調查局研制生產井下式海底CPT 系統，其由液壓驅動，一次觸探多回次貫入，作業深度10～100 m。⑦ 2014年，中國海洋大學研制生產海底CPTss 系統，其應用于淺海，最大貫入深度10 m。

1.2 動力觸探試驗

海上動力觸探以自由落體型動力觸探為主，自由落體型動力觸探儀的作用原理與常規觸發取芯器類似，整個作用過程分為設備下落、重錘釋放和錐體貫入3個階段。通過重錘纜與貫入器之間的杠桿控制兩者平衡，重錘由于自重較大，先到達海底，貫入器依靠自重在離水底一定距離處自由落體插入沉積物中。

自由落體型動力觸探試驗主要用于測量包括沉積物強度(探頭椎尖和套筒所受阻力)，孔隙壓力，熱導率和溫度梯度(海底熱流計)。由于沒有一個適用于動力觸探的測量標準，而且測量結果也因為不同貫入儀器而不同，沉積物的承載力、抗剪強度等物理參數與測量結果目前主要依靠相關經驗公式建立關系[5]。它是一種能夠經濟快速地評價海底表層沉積物特性的海上原位試驗方法。動力貫入設備最早(20世紀70年代)應用于軍事領域的海底雷區的探測[6]。隨著科技的不斷發展，動力貫入設備逐漸應用到海濱建設的工程勘察、管道選線巖土測試以及原位選址可行性分析研究等領域。

國外研制的貫入儀主要有以下幾種：① 1972年，紐芬蘭紀念大學研制生產“Impact Penetrometer”，能夠比較室內測量沉積物力學性質與原位測量的偏差；② 1973年，紐芬蘭紀念大學研制生產“Marine Impact Penetrometer”，其作業深度180 m，觸探深度4.5 m。 ③ 1995年，加拿大國防部研制生產“STING MK”，其能夠分類200～300 m淺層海底沉積物，并探測其特性參數，但設備存儲空間不足并且缺乏強度測試。④ 1995年，阿卡迪亞大學研制生產消耗式海底貫入儀(XBT)，可快速、準確地利用加速度值來推導海底表層沉積物的抗剪強度。⑤ 2000年，哥倫比亞大學研制生產“PROBOS”，其使用測量錐尖阻力的探頭，數據存儲量大幅提高。⑥ 2006—2010年，德國海洋環境研究中心共研制生產了6款貫入儀。其中：“SW-FF”的最大作業深度200 m ；“DW-FF ” 的作業深度4 000 m，觸探深度4.5 m，數據記錄頻率1 kHz，能測量孔隙壓力和靜水壓力；“NIMROD-FF” I型的作業深度200 m，重量輕，易操作，適應惡劣海洋環境；“NIMROD-FF” II型有測量加速度、傾斜度及壓力傳感器，數據采集頻率1 kHz ；“FluMu ” 附帶高敏感度傳感器，能夠測量沉積物與海水界面壓力和密度的微小變化；“LIRmeter ” 作業深度4 500 m，貫入深度4 m。

國內外研制的熱流計主要有以下幾種：① 1950—1971年，日本東京大學研制生產“Bullard”型熱流計，其管狀探針長度和直徑較大，與取樣器結合取樣。② 1957—2002年，哥倫比亞大學Lamont地質研究所研制生產“Ewing”型熱流計，其采用了取樣器、針式探針，克服了Bullard提出的測量時間過長、船體漂移、海底取樣等問題，精度和效率有所提高。③ 1976—1994年，Hyndma等改進“Lister”型熱流計，其使用脈沖探針法和多次插底技術，擁有高精度數字記錄方式，快速、簡單、高效率。④ 2011年，廣州海洋地質調查局研制生產劍魚I型多通道熱流探針(Lister型)，配合ROV使用，溫度測量精度4～5 mK(0℃～30℃)，熱導率測量精度±5%，分辨率可達1 mK，傾斜傳感器測量范圍0～38°。

不同種類的自由落體型動力觸探設備測量不同的土體參數，根據海底沉積物的土體強度，自由落體型動力觸探儀的尺寸可以設計成各種尺寸，最短的僅有21.55 cm，最長的可以達到10～15 m。沖擊速度可以根據要求預先選擇。

1.3 扁鏟側脹試驗

扁鏟側脹試驗是利用靜力或錘擊動力將一扁平鏟形測頭貫入土中，達到預定深度后，利用氣壓使扁鏟測頭上的鋼膜片向外膨脹，分別測得膜片中心向外膨脹不同距離(分別為0.05 mm和1.10 mm這兩個特定值)時的氣壓值，進而獲得地基土參數的一種原位試驗[7]。該試驗使用的探頭為扁平形，整個貫入過程中土體受到的影響比較小，消除了土體擾動對試驗結果的影響，能夠很準確地測試出試驗土體的基本特征。

試驗適用于一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黃土等，不適用于含碎石的土。它簡單、快速、能重復使用。可用于土層劃分與定名、不排水剪切強度、應力歷史、靜止土壓力系數、壓縮模量、固結系數等的原位測定。

本試驗是1980年由意大利人SilvanoMarchetti發明的一種原位測試的方法，在EUROCODE 7(1997)、ASTM (2002)、TC16 (1997)等標準中都有相應的標準測試方法[8]。我國越來越多的單位開始使用扁鏟側脹試驗進行巖土工程勘察。用于海洋扁鏟側脹試驗的設備(圖1)主要由扁鏟探頭、鉆桿、測控箱、氣源組成[9]。設備的貫入力達到整個設備重量7 t。

圖1 海底扁鏟側脹測試

常用的有兩種型號：①貫入和DMT試驗是完全獨立進行的。操作方式和在陸上一樣，但最大深度為70 m，適合近岸和淺海區域試驗；②貫入和DMT試驗部分是一體的。氣壓在海底測量，并通過數字信號傳輸到地表，貫入和測量采用同一個控制器，最深可在200 m水深下完成DMT試驗，適合深海試驗。

2 專門測試法

2.1 十字板剪切試驗

海上原位十字板剪切試驗能夠測量黏土靈敏度和不排水抗剪強度等特性[10]。測試原理是通過往海底鉆孔內的黏土中插入標準形狀和尺寸的十字板，并施加扭矩，使其在海底土體中勻速扭轉形成圓柱狀破壞面，通過換算、評價試驗測得的抗剪強度值，等同于測試目的層海底天然黏土在原位壓力下的不排水抗剪強度[11]。它不需要從海底取土樣，避免了鉆探取樣對土體的擾動，是一種有效地在天然應力狀態下進行原位測試的方法。

原位十字板剪切試驗所需設備分手動和電動(圖 2)，主要包括直徑20 mm的不銹鋼型軸桿、驅動裝置、測力與記錄單元和十字板(矩形、錐形)等試驗設備，由于是在海底做試驗，在下入試驗設備之前，需要下套管進行隔離。

圖2 海底十字板剪切儀

在海上做原位十字板剪切試驗受多種因素的影響，如風浪及涌浪、水流、水深、鉆具自沉等容易引起套管晃動、擾動土體，影響試驗數據可靠性。在十字板剪切試驗的實際應用中，操作過程要嚴格遵循規范，此外，盡量減少或降低上述提到的各種因素的影響程度。

優點：①原位測試，不用取樣，特別是對難以取樣的軟土，可以在現場對基本處于天然應力狀態下的土層進行扭剪，所求抗剪強度指標可靠。②野外測試設備輕便，操作容易。③測試速度較快，效率高[12]。

港珠澳大橋工程某海域水深10～15 m，水流1.0～2.5 m，海浪1.2～2.5 m，選擇固定平臺為十字板剪切試驗工作平臺，使用固定套管保護探桿，并且在套管的內部放置了垂直導向器，這些措施基本消除了外界因素的影響，試驗時遵守相關試驗規范標準。最終，本次試驗測得數據完全滿足現場勘察技術的相關要求。姚首龍等對南海某孔獲得的原位十字板剪切試驗結果，經過后期室內試驗處理，得到相對合理的黏性土的不排水抗剪強度值，認為原位十字板剪切試驗可為海上實際工程設計提供可靠的巖土設計參數[13]。

2.2 海上抽水試驗

抽水試驗是以地下水井流理論為基礎，通過在實際井孔中抽水時，水量和水位變化的觀測來獲取水文地質參數，評價水文地質條件[14]。陸地水文水井抽水試驗在理論和技術上已經相當成熟。海上抽水試驗由于海水的存在，與陸地抽水試驗的不同主要體現在成井及需要搭建穩定的水上平臺。

穩定的水上平臺是成功進行海上抽水試驗的前提，為保證平臺的穩定，施工鉆探船適合選擇大載重量、強抗風浪能力的工程船，為了應對可能發生的惡劣氣候環境，選擇旁側式鉆探平臺或者內置式平臺。鉆機選擇鉆深能力超過300 m大功率鉆機，便于起拉較重的鉆具、護孔套管等設備，如船只自帶大型起吊機械更好[15]。

無論陸地還是海上抽水試驗，成井是保證抽水試驗成功實施的最關鍵環節。陸上水井在鉆進完成后，直接按照順序依次下入沉淀管、花管和實管，然后進行填礫和止水。海上抽水試驗需要下入2～3層隔水套管(圖3 )，最外邊一層套管主要起活動保護作用，里面二層套管下至主要止水層中，封隔海水，最內層套管作為抽水試驗管。填礫止水后，驗證止水效果主要從地下水與海水水質、水溫和水位這3個方面進行分析考慮，確保止水效果達到要求。

圖3 海上抽水試驗成井結構

海上抽水試驗影響因素較多，但是能夠在避免對土體擾動的情況下獲得海洋土體的水文地質參數，結果準確可靠。目前在人工島、海底隧道等工程已廣泛應用。

廣州海洋地質調查局“奮斗五號”船在2010年8月執行了瓊州海峽工程地質鉆探項目，完成了該船第一個海上抽水試驗。外層選用一層Ф178隔水套管至20.5 m主要止水層的頂部，然后下人Ф108的鋼質濾水管(Ф108套管制作)，最后錘擊Ф108的實管。通過對比往Ф108管內壓入清水量與Ф178套管排出水量驗證止水效果。整個抽水試驗過程按照陸地抽水試驗標準進行操作，獲得了相關樣品和數據[16]。

3 海上原位試驗對比

每種海上原位試驗由于測試原理的不同，相應的原位測試參數也不盡相同。比如靜力觸探和動力觸探都是測量錐尖阻力和側壁摩阻力，通過換算求得海底土體的物理、力學參數。海上原位試驗都有一定的適用范圍，土層剖面法適用于各種類型海底土，海底軟土、黏土使用十字板剪切試驗測試土體剪切強度精度較高。在實際應用當中，根據需求選擇合適的測試方法，盡可能地發揮其優勢，嚴格按照規范試驗，最大限度地降低測試方法的不足對測試結果的影響。各種試驗方法對比如下。

(1)土層剖面測試法：①靜力觸探。測試參數包括孔隙水壓力、錐尖阻力和側壁摩阻力；適用范圍包括濱海相沉積層、三角洲沉積層和河湖相沉積軟土層；優點是快速、經濟，無需取樣、適用范圍廣，并且能夠進行長期觀測；不足是測試過程比較繁雜。②動力觸探。測試參數包括探頭椎尖和套筒所受阻力；適用范圍包括海底表層沉積物；優點是靠自重貫入無需外動力，適用范圍比較廣泛；不足是無測量標準，而且測量結果也因為不同貫入儀器而不同。③扁鏟側脹試驗。測試參數包括土體膨脹側向壓力；適用范圍包括一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黃土等；優點是可以測量應力歷史、靜止土壓力系數、壓縮模量等，貫入對土體影響比較小，測試結果較精確；不足是測試過程比較繁雜。

(2)專門測試法：①十字板剪切試驗。測試參數包括土體剪切強度；適用范圍包括海底表層沉積物，特別是軟土、黏土；優點是不需要取樣，野外測試設備輕便，操作容易，測試速度較快，效率高；不足是受環境影響因素較多。②海上抽水試驗。測試參數包括水量、水位；適用范圍包括海底深部各類土；優點是準確獲取水文地質參數，現場評價水文地質條件；不足是受環境影響因素較多，測試過程比較繁雜。

4 結論與建議

綜合關于各種海洋原位試驗方法的相關介紹，得出如下結論與建議：

(1)國外海洋工程地質勘察更加推崇原位測試，海洋原位測試由近、淺海逐步向深海發展，擁有完善的規范，測試儀器體積規格逐漸減小，數字化、自動化程度越來越高，操作過程越來越簡單。

(2)國內海洋原位試驗的技術與設備水平還處于初期探索階段：靜力觸探試驗國內應用較多，且相應國產技術設備發展很快，數字化和自動化是未來發展的目標；動力觸探測量的參數種類越來越豐富，設備更加便攜且精度提升許多，我國關于動力觸探的技術設備目前都依靠進口，應加快我國相關技術的自主研發水平；扁鏟側脹試驗在我國陸地上使用較廣泛，在海上的應用鮮有報道，值得國內技術人員重點研究；十字板剪切與海上抽水試驗目前在國內主要應用于近海、淺海，相應技術裝備比較簡陋，應盡快提升設備的技術水平，研究向深海方向發展，且應盡快制定專門的海上試驗規范。

[1] 馮志強，馮文科.南海北部地質災害及海底工程地質條件評價[M].南京：河海大學出版社，1996：140-144.

[2] 石要紅.海底土體靜力觸探關鍵技術研究[D].青島：中國海洋大學，2005.

[3] 陳奇，徐行，石要紅，等.國內外海底靜力觸探的技術研究與進展[J].南海地質研究，2009(7)：78-89.

[4] 陸鳳慈.靜力觸探技術在海洋巖土工程中的應用研究[D].天津：天津大學，2005.

[5] GRYNAGIER A，ZIEGLER T，FICHTER W.Identification of dynamic parameter for a one-axis drag-free gradiometer[J].Aerospace and Electronic Systems，IEEE Transactions on，2013，49(1)：341-355.

[6] STARK N，COCO G，BRYAN K R，et al.In-site gotechnical characterization of mixed grain-size bedforms using a dynamic penetrometer[M].2012：540-544.

[7] 楊超，汪稔，傅志斌，等.扁鏟側脹試驗在濱海沉積軟土中的應用[J].水文地質工程地質，2010，37(2)：79-82.

[8] 周道青.扁鏟側脹試驗以及其他原位測試的對比應用研究[D].南京：南京工業大學，2005.

[9] 季福東，賈永剛，劉曉磊，等.海底沉積物工程力學性質原位測量方法[J].海洋地質與第四紀地質，2016(3)：191-200.

[10] D 2573-94 Standard test method for field vane shear test in cohesive soil[S].America：Ameriean Society For Testing And Materials，1994.

[11] 顧曉魯，錢鴻緒，劉惠珊，等.地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[12] 陶凱，趙家明，徐緒程.海上十字板剪切試驗的影響因素及應對措施[J].中國水運，2013(9)：329-330.

[13] 姚首龍，鄭喜耀.海上原位十字板剪切試驗方法介紹[J].海岸工程，2015(2)：67-73.

[14] 楊柳，楊正文.巖土工程勘察中抽水試驗探討[ J ].工程建設，2009，41(3)：21-28.

[15] 李友龍.海上抽水試驗關鍵技術探討[J].地下水，2011(2)：199-200.

[16] 于彥江，張志剛，莫建，等.海上抽水試驗成井工藝探討[J].地下水，2012(5)：20-21.

Summary of Marine In-Situ Testing Methods

WANG Cai1，2，YU Yanjiang1，2，KOU Beibei1,2

(1.Key Laboratory of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources，Guangzhou 510075，China; 2.Guangzhou Marine Geological Survey，China Geological Survey，Guangzhou 510075，China)

The saturated and unconsolidated abyssal sediment has low shearing strength and peculiarity of perturbable.In the face of complex environment of ocean and turbulence to seabed soil by conventional sampling techniques，the principle，advantages，scope of application，equipment and the applications of several marine in-situ testing were described，including offshore CPT，dynamic cone penetration，flate dilatometer testing，offshore in-situ vane shear test and offshore pumping test.

Marine；In-Situ Testing；Principle；Equipment

2016-08-11；

2016-11-24

國土資源部海底礦產資源重點實驗室開放基金項目(KLMMR-2015-B-01).

王偲，助理工程師，碩士，研究方向為鉆井工藝和技術，電子信箱：wangcsy0922@163.com

P74；TU195

A

1005-9857(2017)01-0081-06