季福東，賈永剛,2，劉曉磊，郭　磊，張民生，單紅仙,2

(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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新型海上靜力觸探設(shè)備的研制與應(yīng)用*

季福東1，賈永剛1,2，劉曉磊1，郭磊1，張民生1，單紅仙1,2

(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

摘要：海上靜力觸探是一種操作簡單、經(jīng)濟(jì)高效、測量數(shù)據(jù)可靠的海床土體原位測量方法。國內(nèi)自主研發(fā)的海上靜力觸探設(shè)備很少能夠廣泛的應(yīng)用在實(shí)際工程勘察中。本文介紹了一種新型海上靜力觸探設(shè)備，由貫入系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、甲板控制系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)四部分組成，可在地形復(fù)雜多樣的灘淺海區(qū)域進(jìn)行連續(xù)走航測試。利用這套設(shè)備在黃河口海域進(jìn)行地質(zhì)勘察，并對該海域的海床土層結(jié)構(gòu)劃分進(jìn)行了探討，證明了該設(shè)備在灘淺海地區(qū)的工程勘察領(lǐng)域有者廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：靜力觸探；原位測試；工程勘察

海底土體性質(zhì)的調(diào)查研究是海上石油平臺、海底隧道、油氣管道、光纜等海洋工程建設(shè)必不可少的重要部分，海底以下數(shù)米至數(shù)十米內(nèi)沉積物性質(zhì)的研究對于海洋環(huán)境調(diào)查、海底資源勘探、海洋開發(fā)利用等各方面都具有重要意義[1-2]。海上靜力觸探的方法是一種操作簡單、經(jīng)濟(jì)高效、測量數(shù)據(jù)可靠的海床土體原位測量方法，在海上工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害研究等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

海上靜力觸探技術(shù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)開始，距今已有50 a的歷史。靜力觸探是目前應(yīng)用最為廣泛、最成熟的海上原位探測技術(shù)，在許多國家現(xiàn)已成為海洋工程地質(zhì)調(diào)查的必做項(xiàng)目，國外已經(jīng)形成了完全商業(yè)化的產(chǎn)品，還有專門從事海上靜力觸探勘察技術(shù)服務(wù)的公司。然而目前為止，我們國內(nèi)開展的海上靜力觸探技術(shù)基本都是由國外引進(jìn)的方法，觸探儀器也大都為外國生產(chǎn)，國外應(yīng)用較多的海床式靜力觸探系統(tǒng)如Geomil公司的“MANTA”系統(tǒng)和輝固公司的“SEACALF”系統(tǒng)等，這些深海靜力觸探設(shè)備最大工作水深在2 000 m左右，但由于這些設(shè)備一般較為笨重，對調(diào)查船體要求較高，另外國外設(shè)備一般價(jià)格昂貴，這都使得很難在我們國內(nèi)的工程勘察領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

自20世紀(jì)70年代開始，我們國內(nèi)部分研究所和高校研制了一些海上靜力觸探設(shè)備，如1973年，中國科學(xué)院海洋研究所研制的我國第一個(gè)海床式水下靜力觸探設(shè)備[6]。它的動力裝置采用水下電機(jī)帶動機(jī)械傳動的方式進(jìn)行貫入，然而設(shè)備測量深度較淺，作業(yè)效率較低、風(fēng)險(xiǎn)和難度也相對較大；2001年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制的鉆孔式靜力觸探設(shè)備，為國內(nèi)首次采用液壓驅(qū)動裝置，工作水深可達(dá)100 m，觸探深度可達(dá)120 m，這種鉆孔式靜力觸探設(shè)備對調(diào)查船要求較高，一般需要有大型勘察施工船才能進(jìn)行作業(yè)，這也限制了這種設(shè)備的普及應(yīng)用；2005年，吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所研制的“淺海域海底靜力觸探測試系統(tǒng)等[7-8]，這套設(shè)備采用柔性鋼制探桿的貫入方式，設(shè)備僅在海上進(jìn)行了試驗(yàn)測試，并沒有形成成熟的產(chǎn)品。這些靜探設(shè)備的研制促進(jìn)了我國靜力觸探技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)榉N種原因，卻都沒能夠廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程勘察中。針對目前的現(xiàn)狀，迫切地需要研制我們自己的海上靜力觸探設(shè)備，并將其廣泛的應(yīng)用在工程勘察、建設(shè)等領(lǐng)域。

本文介紹的海上新型靜力觸探設(shè)備(Cone Penetration Test System for Shallow Sea，CPTss)由山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)。設(shè)備可在地形復(fù)雜多樣的灘淺海區(qū)域進(jìn)行連續(xù)走航測試。使用該設(shè)備在黃河三角洲區(qū)域進(jìn)行多次外業(yè)測試，在海床土體工程性質(zhì)測量方面取得了很好的效果。

1　CPTss系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)備概述

設(shè)備為長方形，外框架結(jié)構(gòu)采用鋼制材料焊接而成(圖1)。配備充氣式浮力裝置，設(shè)備能夠漂浮在海面上由船拖動行走；通過給浮力系統(tǒng)充氣或排氣，使得設(shè)備沉于海底或自動上浮(圖2)。設(shè)備由貫入系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、甲板控制系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)四部分組成。

圖1　觸探設(shè)備主體Fig.1　The main body of the new CPT equipment

圖2　設(shè)備漂浮于水面Fig.2　Equipment floating on the sea surface

貫入系統(tǒng)由貫入油缸、滑輪組、傳動鋼纜、滑板、夾持油缸及回轉(zhuǎn)馬達(dá)等部件組成(圖3)，探桿貫入時(shí)，貫入油缸活塞桿伸出，通過傳動鋼纜和整個(gè)滑輪組帶動滑板向下運(yùn)動，固定在滑板上的夾持油缸帶動探桿緩慢勻速插入沉積物中，插入深度由位移傳感器測量；探桿上提時(shí)，滑板向上運(yùn)動，即可將探桿提出沉積物。貫入系統(tǒng)采用液壓缸驅(qū)動滑輪組合的行程放大機(jī)構(gòu)，降低了設(shè)備的整體高度，提高了設(shè)備在海底的穩(wěn)定性。

圖3　貫入機(jī)構(gòu)工作原理Fig.3　Working principle of the penetration system

夾持油缸一次貫入回合內(nèi)帶動探桿行程500 mm。它由兩組液壓機(jī)械手分步夾持探桿部件，其中，探桿提升夾持機(jī)械手沿上下導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動，完成探桿的下插和提升動作，固定夾持機(jī)械手在下部，在提升夾持機(jī)械手空動及設(shè)備待機(jī)時(shí)夾持探桿，防止探桿滑落。貫入系統(tǒng)內(nèi)部的位移傳感器，將測量的貫入深度等參數(shù)和系統(tǒng)的其他工作參數(shù)一起在控制面板中顯示。

液壓系統(tǒng)由單相交流220 V/50 Hz船載發(fā)電機(jī)供電，液壓站在設(shè)備內(nèi)部，通過控制系統(tǒng)對水下的換向閥操作，從而實(shí)現(xiàn)探桿貫入和提起、探桿的夾持和導(dǎo)向、配重丟棄等功能。

液壓系統(tǒng)主要由水下直流電機(jī)和液壓驅(qū)動單元組成。由圖4可見，液壓驅(qū)動單元的工作原理，首先水下電機(jī)和液壓泵啟動，之后依靠控制單元控制各電磁閥完成設(shè)備工作，通過貫入系統(tǒng)內(nèi)部的位移傳感器及系統(tǒng)壓力傳感器測量的參數(shù)，可以判斷探桿的貫入深度及貫入力[9]。當(dāng)探桿貫入至設(shè)定深度或達(dá)到設(shè)定工作壓力時(shí)，甲板操縱平臺可以根據(jù)該參數(shù)，進(jìn)行下一步的操作，直至全部工作完成。

圖4　液壓系統(tǒng)工作原理Fig.4　Working principle of the hydraulic system

浮力系統(tǒng)由24套浮力皮囊組成。皮囊對稱分布在設(shè)備框架兩端，每套浮力皮囊可產(chǎn)生凈浮力約90 kg共可產(chǎn)生浮力2 160 kg。皮囊排氣后浮力消失設(shè)備下沉，充氣后皮囊膨脹產(chǎn)生浮力，浮力大于設(shè)備重量時(shí)設(shè)備開始上浮，當(dāng)充氣后皮囊壓力與水深壓力平衡時(shí)，浮力達(dá)到最大。為使皮囊內(nèi)壓力保持與外界壓力平衡，防止皮囊內(nèi)壓力過大損壞皮囊，在上浮的過程中，皮囊內(nèi)氣體可對空排放，使皮囊內(nèi)外壓力保持平衡，壓力控制由壓力變送器監(jiān)控完成，數(shù)值在界面上可實(shí)時(shí)顯示。皮囊內(nèi)外壓差設(shè)定為0.1 kgf/cm2(約7 psi)，超壓后報(bào)警，自動排氣。

控制系統(tǒng)包括水下部分的實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控平臺等，由硬件和軟件兩部分組成。實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)通過電纜與甲板上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連。

水下實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)電路，以微處理器為信息處理控制中心，通過鎧裝同軸電纜及深水接插件與相應(yīng)傳感器、控制對象連接，完成換向閥組轉(zhuǎn)向、位移傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備動作、姿態(tài)參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理，并完成水下模擬量、數(shù)字量和頻率信號的采集、存儲和上傳。

甲板集成化監(jiān)控平臺是監(jiān)測和控制水下電子設(shè)備的綜合操作平臺，主要包括甲板通訊機(jī)、甲板操作臺和甲板多功能機(jī)箱，甲板監(jiān)控系統(tǒng)與水下傳感器及可執(zhí)行單元之間的通信由鎧裝同軸電纜完成。

通過控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)界面可顯示：液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)、壓力參數(shù)(或輸出力N)、設(shè)備工作深度、探桿貫入位移參數(shù)、貫入深度。而探桿的測量數(shù)據(jù)則單獨(dú)通過線纜傳輸?shù)讲杉瘍x進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和存儲。

1.2技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

注：空白處無參數(shù)

2　設(shè)備測試步驟

設(shè)備在0～2級海況下測量穩(wěn)定，但在3級以上海況下，若利用較小漁船進(jìn)行測試時(shí)，由于晃動的原因，加接探桿時(shí)危險(xiǎn)性大大增加，故不推薦在此海況或更差的海況條件下使用，利用這套灘淺海靜力觸探設(shè)備進(jìn)行測試的操作流程見圖5。測試操作步驟如下：

圖5　設(shè)備操作流程圖Fig.5　Flow chart for operating the equipment

1)準(zhǔn)備工作：開始測試之前連接好充氣管路、電纜等部件，使用空氣壓縮機(jī)給浮筒充氣至0.1 kgf/cm2(7 psi)左右，之后開啟液壓站打開上、下夾持油缸安裝探桿，最后將各個(gè)配套部件裝船、布放，將設(shè)備吊至水面后連接拖動纜繩。

2)設(shè)備入水：設(shè)備拖至作業(yè)點(diǎn)后，啟動真空泵對浮筒抽氣排空，使設(shè)備緩慢沉入水下，同時(shí)釋放電纜、測試?yán)|及鋼絲繩。設(shè)備開始下沉后可以關(guān)閉真空泵，打開排氣閥對空排氣。在設(shè)備下沉過程中注意觀察其姿態(tài)及水深等參數(shù)，設(shè)備觸底后查看傾角參數(shù)如不大于10°，即可開始貫入操作。

3)貫入操作：在水深及姿態(tài)等參數(shù)穩(wěn)定后，開啟液壓站進(jìn)行貫入操作。在貫入操作過程中注意設(shè)備姿態(tài)的變化，如傾角參數(shù)發(fā)生較大變化，或觸底后傾角大于10°，應(yīng)將設(shè)備收回重新釋放或更換作業(yè)點(diǎn)；同時(shí)要注意貫入阻力的變化范圍，防止阻力過大導(dǎo)致設(shè)備傾斜。貫入過程如出現(xiàn)其他異常，應(yīng)及時(shí)停止貫入操作，檢查原因，排除故障后再進(jìn)行貫入操作。

4)設(shè)備回收：貫入過程結(jié)束，探桿回到原位后，開啟壓縮機(jī)對浮筒充氣，當(dāng)充氣壓力與水深壓力平衡時(shí)設(shè)備開始上浮，設(shè)備浮出水面后浮筒內(nèi)壓力控制在0.2 kgf/cm2(15 psi)左右，保持設(shè)備漂浮在水面。

5)出水保養(yǎng)：采樣結(jié)束后，設(shè)備出水，用淡水對其內(nèi)外進(jìn)行全面沖洗，去除海水及沉積物，保持設(shè)備清潔。

3　設(shè)備海上試驗(yàn)應(yīng)用

3.1工作區(qū)域情況

研究區(qū)選取在渤海灣南部的埕島油田海域(圖6)。埕島油田海區(qū)位于現(xiàn)代黃河三角洲的前緣，地勢西南高、東北低，黃河口在這一帶曾多次轉(zhuǎn)移改道，經(jīng)歷了海侵與海退和黃河三角洲進(jìn)積與蝕退的交替反復(fù)過程，使該區(qū)灘海淺地層結(jié)構(gòu)紊亂，地層沉積特征復(fù)雜[10-12]。選取的兩個(gè)典型特征點(diǎn)附近海底地形地貌及測點(diǎn)位置水深都有較大差別，利用靜力觸探設(shè)備在研究區(qū)內(nèi)這兩個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行靜力觸探測試，并在測點(diǎn)附近進(jìn)行鉆孔取樣分析。

圖6　研究區(qū)域和測點(diǎn)位置示意圖Fig.6　Locations of the study area and the measuring points

東側(cè)測點(diǎn)水深：7.0 m；平均坡度為7°～8°。該區(qū)域表層為黃褐色粉土，局部夾粉質(zhì)黏土，中密狀態(tài)為主，含水量27.4%～32.3%，密度19.4～20.1 kN/m3。西側(cè)站點(diǎn)地形平坦，水深為9.5 m，地形坡度較小。表層為層厚黃褐色粉土，中等密實(shí)狀態(tài)，含水量23.4%～32.1%，密度18.7～20.4 kN/m3。

3.2測試結(jié)果與分析

根據(jù)靜力觸探測試可得到各個(gè)測點(diǎn)的錐尖阻力、側(cè)摩擦力、摩阻比參數(shù)隨深度變化曲線。進(jìn)而可分析埕島油田海域海床土體成層特征。兩測試點(diǎn)測試得到的錐端阻力及側(cè)壁摩擦力曲線如圖7所示。

圖7　東西兩測點(diǎn)靜探曲線隨深度變化示意圖Fig.7　Changes of the static sounding curves with depth at the eastern and the western measuring points

用靜探曲線判定土質(zhì)類型，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的是按靜力觸探指標(biāo)和曲線特征劃分土類。在靜力觸探過程中，當(dāng)探頭從上覆土層貫入，到達(dá)下臥土層之前，在層面以上一定深度內(nèi)，上覆土層的錐尖阻力值出現(xiàn)“超前”現(xiàn)象；而當(dāng)探頭進(jìn)入下臥土層后，層面以下一定深度內(nèi)，下臥土層的錐尖阻力值出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象[13]。由上一土層單元的超前段和下一土層單元的段構(gòu)成不同土層單元之間的過渡段， 這種過渡段中的某個(gè)確定的深度位置處可以作為不同土層的力學(xué)分層界面[14-15]。

通過測試，確定了站點(diǎn)土體的垂向分布情況和強(qiáng)度參數(shù)，從土層垂向分布情況上看，在深度5 m范圍內(nèi)，地層強(qiáng)度差異較大，存在軟硬交互的現(xiàn)象，錐尖阻力最高為7 MPa，最低僅有0.1 MPa；側(cè)摩阻力最高為140 kPa，最低僅有0.3 kPa。根據(jù)錐尖阻力、側(cè)摩阻力和摩阻比曲線，同時(shí)鉆孔取樣測試結(jié)果對比分析，研究區(qū)各靜力觸探點(diǎn)位3 m以淺土體大致分為3層，表層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，中間層為粉土層，底層為粉質(zhì)黏土層。

根據(jù)靜力觸探所反映出對土質(zhì)特征的對應(yīng)關(guān)系，將測試點(diǎn)土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，同時(shí)依據(jù)研究區(qū)內(nèi)測得的錐尖阻力、側(cè)摩阻力，結(jié)合黃河水下三角洲地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，對研究區(qū)內(nèi)各個(gè)土層地基承載力進(jìn)行計(jì)算[16-17](表2)。為驗(yàn)證各靜力觸探點(diǎn)測試結(jié)果，在測點(diǎn)通過鉆探取芯進(jìn)行層位劃分，并查閱測點(diǎn)附近歷史鉆孔資料，與靜力觸探測試結(jié)果相比，都有著較好的對應(yīng)[18]。

表2　靜探測點(diǎn)土層劃分

4　結(jié)　語

我們研制的這套灘淺海靜力觸探設(shè)備，通過在黃河水下三角洲的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，可以快速、經(jīng)濟(jì)、高效的進(jìn)行多個(gè)測點(diǎn)的作業(yè)實(shí)驗(yàn)。但同時(shí)設(shè)備中也存在一些問題可以改進(jìn)和提高，如設(shè)備貫入操作前需預(yù)接桿，桿過長之后危險(xiǎn)性增加，應(yīng)考慮水下自動接桿技術(shù)，增加觸探深度；工作水深增大時(shí)，觸探探頭的耐壓和防水性能受到考驗(yàn)，另外探頭采集數(shù)據(jù)需要單獨(dú)一根導(dǎo)線連接至甲板采集儀器，設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)性增加，考慮應(yīng)用無纜觸探探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲工作。

利用這套靜力觸探設(shè)備測得的錐尖阻力、側(cè)摩擦力數(shù)據(jù)，進(jìn)而可推算區(qū)域海床土體性質(zhì)、土體分層、推算土的物理力學(xué)參數(shù)、土體地基承載力等，結(jié)合鉆孔分析數(shù)據(jù)，可為海上工程設(shè)施的勘查工作提供有力保障。同時(shí)也希望能對我們國內(nèi)自己靜力觸探設(shè)備的研制提供參考，促進(jìn)我們國內(nèi)靜力觸探技術(shù)的不斷發(fā)展。

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文章編號：1002-3682(2016)02-0001-09

*收稿日期：2015-12-15

作者簡介：季福東(1990-)，男，碩士研究生，主要從事海岸工程地質(zhì)方面研究.E-mail：jifudong@126.com.com

中圖分類號：P743

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.02.001

Development and Application of New Offshore CPT Equipment

JI Fu-dong1, JIA Yong-gang1,2, LIU Xiao-lei1, GUO Lei1,ZHANG Min-sheng1, SHAN Hong-xian1,2

(1.EnvironmentalGeotechnicalEngineeringInstitute，OceanUniversityofChina，Qingdao 266100,China; 2.KeyLaboratoryofMarineEnvironment&Ecology，MinistryofEducation，Qingdao 266003,China)

Abstract:Offshore cone penetration test (CPT) is a method for in-situ measurement of seabed soils, which is simple in operation, cost effective and reliable in measured data. The offshore CPT equipment developed independently in China is rarely able to be widely applied in the practical engineering explorations. Herein, a new offshore CPT equipment is introduced. This type of equitment consists of penetration system, hydraulic system, deck control system and buoyancy system, and can make exploration continuously in navigation in the beach and shallow areas with compex topography. This set of equipment has been applied for a geological survey in the Yellow River delta area, by which the structures of subbottom sediments are divided and discussed, indicating that the equipment has wide potential applications in the field of engineering geologic exploration in the beach and shallow sea areas.

Key words:CPT; in-situ test; engineering exploration

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——復(fù)雜深海工程地質(zhì)原位長期觀測設(shè)備研制(41427803)

(王佳實(shí)編輯)