王偲，于彥江，寇貝貝

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510075；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510075)

海洋原位試驗(yàn)方法綜述

王偲1，2，于彥江1，2，寇貝貝1，2

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510075；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510075)

深海海底的淺層沉積物不排水抗剪強(qiáng)度低、飽和松散且易受擾動(dòng)。由于海洋的復(fù)雜環(huán)境，常規(guī)取樣對(duì)原位土體擾動(dòng)較大，文章主要介紹了靜力觸探試驗(yàn)、動(dòng)力觸探、扁鏟側(cè)脹儀試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)和海上抽水試驗(yàn)等海洋原位試驗(yàn)的原理、優(yōu)點(diǎn)、適用范圍、設(shè)備以及相關(guān)應(yīng)用情況。明確了我國(guó)海洋原位試驗(yàn)的發(fā)展方向。

深海海底；海洋原位試驗(yàn)；淺層沉積物

隨著海洋開發(fā)的“深度”發(fā)展，眾多以海底土體為基礎(chǔ)的海洋工程應(yīng)運(yùn)而生，掌握海底沉積物的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)對(duì)海洋工程的建設(shè)至關(guān)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(zhì)比較均一，具有高塑性指數(shù)、容重小、不排水抗剪強(qiáng)度低、高含水量、飽和松散且容易擾動(dòng)等特點(diǎn)。由于常規(guī)取樣對(duì)原位土體擾動(dòng)比較大，影響室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，為了詳細(xì)掌握海底土體的相關(guān)特性，海洋土體原位測(cè)試在海洋地質(zhì)調(diào)查和海洋工程勘察中使用越來(lái)越廣泛。

土體原位測(cè)試是指，在工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場(chǎng)，在不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)土層的情況下對(duì)土層進(jìn)行測(cè)試，以獲得所測(cè)土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及劃分土層的一種土工勘察技術(shù)。主要分為土層剖面測(cè)試法和土體專門測(cè)試法兩大類。土層剖面測(cè)試法主要包括靜力觸探、動(dòng)力觸探、扁鏟側(cè)脹儀試驗(yàn)及波速法等。具有可連續(xù)進(jìn)行、快速經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。專門測(cè)試法主要包括載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)、抽水和注水試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)等。通過(guò)此法可得到土層中關(guān)鍵部位土的各種工程性質(zhì)指標(biāo)，精度高，超過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的成果，測(cè)試成果可直接供設(shè)計(jì)部門使用。由于海洋的特殊環(huán)境，海水的存在制約了許多陸地常規(guī)原位試驗(yàn)的適用條件，類似標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等陸地常規(guī)原位試驗(yàn)都不適用于海洋。目前海洋土體原位測(cè)試應(yīng)用較多的包括土層剖面測(cè)試法當(dāng)中的靜力觸探試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，以及土體專門測(cè)試法當(dāng)中的十字板剪切試驗(yàn)和海上抽水試驗(yàn)。

1 土層剖面測(cè)試法

1.1 靜力觸探試驗(yàn)

海底靜力觸探試驗(yàn)(Cone Penetration Test，CPT)，是目前運(yùn)用最多且最先進(jìn)的海底土體原位測(cè)試方法。以恒定的速率通過(guò)液壓貫入方式將探頭和觸探桿貫入到土中，在貫入過(guò)程中，通過(guò)儀器測(cè)定孔隙水壓力、錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力及其隨深度的變化曲線，并現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算求得海底土體的物理、力學(xué)參數(shù)，準(zhǔn)確、高效地完成海洋工程的地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)[1]。廣泛應(yīng)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(shù)測(cè)定，在港口海岸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、近海資源開采平臺(tái)、海下電纜及油氣管線鋪設(shè)的工程安全性評(píng)價(jià)中發(fā)揮著重要的作用，也是未來(lái)港口、航道、海洋環(huán)境地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查的主要手段[2]。

CPT 技術(shù)快速、經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)需取樣、適用范圍廣并且能夠進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。西方國(guó)家早在20世紀(jì)60年代就開始針對(duì)海底土體的靜力觸探試驗(yàn)，技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，并提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)。國(guó)內(nèi)研究靜力觸探技術(shù)比較晚，由于各方面原因，技術(shù)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(shù)分為平臺(tái)式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)3種類型[4]。平臺(tái)式CPT的貫入設(shè)備設(shè)置于承載船或固定平臺(tái)上，適用于水面平靜的江河湖泊中。海床式CPT的貫入設(shè)備穩(wěn)定架設(shè)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(qū)域。井下式CPT是靜力觸探與鉆探相互結(jié)合的循環(huán)貫入技術(shù)，作業(yè)深度理論上能夠達(dá)到鉆探的深度，最深的探測(cè)深度已經(jīng)達(dá)到海底數(shù)百米。

海底靜力觸探試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備種類繁多，國(guó)外主要應(yīng)用的型號(hào)及相應(yīng)作業(yè)特點(diǎn)如下：① 1965年，荷蘭輝固公司研制生產(chǎn)Seabull自升式平臺(tái)水域CPT，其觸探深度5 m。② 1972年，荷蘭輝固公司研制生產(chǎn)Seacalf型海床式CPT，其作業(yè)深度6 000 m，觸探深度50 m。 ③1974年荷蘭范登堡公司研制生產(chǎn)了兩種型號(hào)的CPT，其中：WISON-APB型井下式CPT作業(yè)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(chǎn)Diving Bell套管式平臺(tái)CPT，其觸探深度60 m。 ⑤ 1977年，英國(guó)與挪威聯(lián)合研制生產(chǎn)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(chǎn)了自帶超聲波無(wú)線技術(shù)、特殊的潤(rùn)滑探頭的新型海底CPT，其5 t貫入力使觸探深度達(dá)到71 m。⑦ 1990—2005年，荷蘭Geomil公司研制生產(chǎn)了MANTA-200海床式 CPT、SHARK-200 近岸式CPT和ORCA-200 無(wú)線井下式CPT，作業(yè)特點(diǎn)是最大水深200 m，觸探最大深度40 m，水下液壓電池驅(qū)動(dòng)組供電。⑧ 2000—2010年，荷蘭范登堡公司研制生產(chǎn)了3種CPT，其中，ROSON近海式CPT，作業(yè)水深200 m，貫入20 m；ROSON海床式CPT，作業(yè)水深1 500 m，貫入40 m；DW ROSON深海海床CPT，作業(yè)水深4 000 m，貫入50 m。⑨ 2010年，德國(guó)海洋環(huán)境研究中心研制生產(chǎn)的GOST海底CPT，采用液壓動(dòng)力，工作水深4 000 m，觸探深度38 m。⑩ 2014年，英國(guó)Datem公司研制生產(chǎn)了Neptune系列CPT，其探頭能夠連續(xù)貫入。

我國(guó)研制生產(chǎn)的海底靜力觸探試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備主要有以下幾種：① 1973年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制生產(chǎn)自鎖沉放式海底CPT，其觸探深度7 m，適用于淺層淤泥質(zhì)地層。② 1976，中國(guó)廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院研制生產(chǎn)船載式CPT，這款設(shè)備需下套管。③ 1994年，中國(guó)地礦部海洋地質(zhì)研究所研制生產(chǎn)鉆探、觸探一體化船載式CPT，其測(cè)試水深15 m，觸探深度30 m。④ 2003年，中國(guó)船舶工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院研制生產(chǎn)MJ-II型CPT，其與水域靜探平臺(tái)結(jié)合，平臺(tái)高度可調(diào)節(jié)。⑤ 2005年，中國(guó)吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所研制生產(chǎn)淺海域海底CPT測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試主體可進(jìn)行人工操作。⑥ 2008年，中國(guó)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制生產(chǎn)井下式海底CPT 系統(tǒng)，其由液壓驅(qū)動(dòng)，一次觸探多回次貫入，作業(yè)深度10～100 m。⑦ 2014年，中國(guó)海洋大學(xué)研制生產(chǎn)海底CPTss 系統(tǒng)，其應(yīng)用于淺海，最大貫入深度10 m。

1.2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

海上動(dòng)力觸探以自由落體型動(dòng)力觸探為主，自由落體型動(dòng)力觸探儀的作用原理與常規(guī)觸發(fā)取芯器類似，整個(gè)作用過(guò)程分為設(shè)備下落、重錘釋放和錐體貫入3個(gè)階段。通過(guò)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(dá)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(dòng)力觸探試驗(yàn)主要用于測(cè)量包括沉積物強(qiáng)度(探頭椎尖和套筒所受阻力)，孔隙壓力，熱導(dǎo)率和溫度梯度(海底熱流計(jì))。由于沒有一個(gè)適用于動(dòng)力觸探的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而且測(cè)量結(jié)果也因?yàn)椴煌炄雰x器而不同，沉積物的承載力、抗剪強(qiáng)度等物理參數(shù)與測(cè)量結(jié)果目前主要依靠相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式建立關(guān)系[5]。它是一種能夠經(jīng)濟(jì)快速地評(píng)價(jià)海底表層沉積物特性的海上原位試驗(yàn)方法。動(dòng)力貫入設(shè)備最早(20世紀(jì)70年代)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的海底雷區(qū)的探測(cè)[6]。隨著科技的不斷發(fā)展，動(dòng)力貫入設(shè)備逐漸應(yīng)用到海濱建設(shè)的工程勘察、管道選線巖土測(cè)試以及原位選址可行性分析研究等領(lǐng)域。

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

國(guó)內(nèi)外研制的熱流計(jì)主要有以下幾種：① 1950—1971年，日本東京大學(xué)研制生產(chǎn)“Bullard”型熱流計(jì)，其管狀探針長(zhǎng)度和直徑較大，與取樣器結(jié)合取樣。② 1957—2002年，哥倫比亞大學(xué)Lamont地質(zhì)研究所研制生產(chǎn)“Ewing”型熱流計(jì)，其采用了取樣器、針式探針，克服了Bullard提出的測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、船體漂移、海底取樣等問(wèn)題，精度和效率有所提高。③ 1976—1994年，Hyndma等改進(jìn)“Lister”型熱流計(jì)，其使用脈沖探針?lè)ê投啻尾宓准夹g(shù)，擁有高精度數(shù)字記錄方式，快速、簡(jiǎn)單、高效率。④ 2011年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制生產(chǎn)劍魚I型多通道熱流探針(Lister型)，配合ROV使用，溫度測(cè)量精度4～5 mK(0℃～30℃)，熱導(dǎo)率測(cè)量精度±5%，分辨率可達(dá)1 mK，傾斜傳感器測(cè)量范圍0～38°。

不同種類的自由落體型動(dòng)力觸探設(shè)備測(cè)量不同的土體參數(shù)，根據(jù)海底沉積物的土體強(qiáng)度，自由落體型動(dòng)力觸探儀的尺寸可以設(shè)計(jì)成各種尺寸，最短的僅有21.55 cm，最長(zhǎng)的可以達(dá)到10～15 m。沖擊速度可以根據(jù)要求預(yù)先選擇。

1.3 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)是利用靜力或錘擊動(dòng)力將一扁平鏟形測(cè)頭貫入土中，達(dá)到預(yù)定深度后，利用氣壓使扁鏟測(cè)頭上的鋼膜片向外膨脹，分別測(cè)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(gè)特定值)時(shí)的氣壓值，進(jìn)而獲得地基土參數(shù)的一種原位試驗(yàn)[7]。該試驗(yàn)使用的探頭為扁平形，整個(gè)貫入過(guò)程中土體受到的影響比較小，消除了土體擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，能夠很準(zhǔn)確地測(cè)試出試驗(yàn)土體的基本特征。

試驗(yàn)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(jiǎn)單、快速、能重復(fù)使用?？捎糜谕翆觿澐峙c定名、不排水剪切強(qiáng)度、應(yīng)力歷史、靜止土壓力系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)等的原位測(cè)定。

本試驗(yàn)是1980年由意大利人SilvanoMarchetti發(fā)明的一種原位測(cè)試的方法，在EUROCODE 7(1997)、ASTM (2002)、TC16 (1997)等標(biāo)準(zhǔn)中都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[8]。我國(guó)越來(lái)越多的單位開始使用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)進(jìn)行巖土工程勘察。用于海洋扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的設(shè)備(圖1)主要由扁鏟探頭、鉆桿、測(cè)控箱、氣源組成[9]。設(shè)備的貫入力達(dá)到整個(gè)設(shè)備重量7 t。

圖1 海底扁鏟側(cè)脹測(cè)試

常用的有兩種型號(hào)：①貫入和DMT試驗(yàn)是完全獨(dú)立進(jìn)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(qū)域試驗(yàn)；②貫入和DMT試驗(yàn)部分是一體的。氣壓在海底測(cè)量，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降乇?，貫入和測(cè)量采用同一個(gè)控制器，最深可在200 m水深下完成DMT試驗(yàn)，適合深海試驗(yàn)。

2 專門測(cè)試法

2.1 十字板剪切試驗(yàn)

海上原位十字板剪切試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)量黏土靈敏度和不排水抗剪強(qiáng)度等特性[10]。測(cè)試原理是通過(guò)往海底鉆孔內(nèi)的黏土中插入標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)形成圓柱狀破壞面，通過(guò)換算、評(píng)價(jià)試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度值，等同于測(cè)試目的層海底天然黏土在原位壓力下的不排水抗剪強(qiáng)度[11]。它不需要從海底取土樣，避免了鉆探取樣對(duì)土體的擾動(dòng)，是一種有效地在天然應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行原位測(cè)試的方法。

原位十字板剪切試驗(yàn)所需設(shè)備分手動(dòng)和電動(dòng)(圖 2)，主要包括直徑20 mm的不銹鋼型軸桿、驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)力與記錄單元和十字板(矩形、錐形)等試驗(yàn)設(shè)備，由于是在海底做試驗(yàn)，在下入試驗(yàn)設(shè)備之前，需要下套管進(jìn)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(yàn)受多種因素的影響，如風(fēng)浪及涌浪、水流、水深、鉆具自沉等容易引起套管晃動(dòng)、擾動(dòng)土體，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。在十字板剪切試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用中，操作過(guò)程要嚴(yán)格遵循規(guī)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(yōu)點(diǎn)：①原位測(cè)試，不用取樣，特別是對(duì)難以取樣的軟土，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基本處于天然應(yīng)力狀態(tài)下的土層進(jìn)行扭剪，所求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可靠。②野外測(cè)試設(shè)備輕便，操作容易。③測(cè)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(tái)為十字板剪切試驗(yàn)工作平臺(tái)，使用固定套管保護(hù)探桿，并且在套管的內(nèi)部放置了垂直導(dǎo)向器，這些措施基本消除了外界因素的影響，試驗(yàn)時(shí)遵守相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。最終，本次試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)完全滿足現(xiàn)場(chǎng)勘察技術(shù)的相關(guān)要求。姚首龍等對(duì)南海某孔獲得的原位十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)后期室內(nèi)試驗(yàn)處理，得到相對(duì)合理的黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度值，認(rèn)為原位十字板剪切試驗(yàn)可為海上實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供可靠的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)[13]。

2.2 海上抽水試驗(yàn)

抽水試驗(yàn)是以地下水井流理論為基礎(chǔ)，通過(guò)在實(shí)際井孔中抽水時(shí)，水量和水位變化的觀測(cè)來(lái)獲取水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件[14]。陸地水文水井抽水試驗(yàn)在理論和技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟。海上抽水試驗(yàn)由于海水的存在，與陸地抽水試驗(yàn)的不同主要體現(xiàn)在成井及需要搭建穩(wěn)定的水上平臺(tái)。

穩(wěn)定的水上平臺(tái)是成功進(jìn)行海上抽水試驗(yàn)的前提，為保證平臺(tái)的穩(wěn)定，施工鉆探船適合選擇大載重量、強(qiáng)抗風(fēng)浪能力的工程船，為了應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的惡劣氣候環(huán)境，選擇旁側(cè)式鉆探平臺(tái)或者內(nèi)置式平臺(tái)。鉆機(jī)選擇鉆深能力超過(guò)300 m大功率鉆機(jī)，便于起拉較重的鉆具、護(hù)孔套管等設(shè)備，如船只自帶大型起吊機(jī)械更好[15]。

無(wú)論陸地還是海上抽水試驗(yàn)，成井是保證抽水試驗(yàn)成功實(shí)施的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。陸上水井在鉆進(jìn)完成后，直接按照順序依次下入沉淀管、花管和實(shí)管，然后進(jìn)行填礫和止水。海上抽水試驗(yàn)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(dòng)保護(hù)作用，里面二層套管下至主要止水層中，封隔海水，最內(nèi)層套管作為抽水試驗(yàn)管。填礫止水后，驗(yàn)證止水效果主要從地下水與海水水質(zhì)、水溫和水位這3個(gè)方面進(jìn)行分析考慮，確保止水效果達(dá)到要求。

圖3 海上抽水試驗(yàn)成井結(jié)構(gòu)

海上抽水試驗(yàn)影響因素較多，但是能夠在避免對(duì)土體擾動(dòng)的情況下獲得海洋土體的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。目前在人工島、海底隧道等工程已廣泛應(yīng)用。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗五號(hào)”船在2010年8月執(zhí)行了瓊州海峽工程地質(zhì)鉆探項(xiàng)目，完成了該船第一個(gè)海上抽水試驗(yàn)。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(zhì)濾水管(Ф108套管制作)，最后錘擊Ф108的實(shí)管。通過(guò)對(duì)比往Ф108管內(nèi)壓入清水量與Ф178套管排出水量驗(yàn)證止水效果。整個(gè)抽水試驗(yàn)過(guò)程按照陸地抽水試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，獲得了相關(guān)樣品和數(shù)據(jù)[16]。

3 海上原位試驗(yàn)對(duì)比

每種海上原位試驗(yàn)由于測(cè)試原理的不同，相應(yīng)的原位測(cè)試參數(shù)也不盡相同。比如靜力觸探和動(dòng)力觸探都是測(cè)量錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力，通過(guò)換算求得海底土體的物理、力學(xué)參數(shù)。海上原位試驗(yàn)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(yàn)測(cè)試土體剪切強(qiáng)度精度較高。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，根據(jù)需求選擇合適的測(cè)試方法，盡可能地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格按照規(guī)范試驗(yàn)，最大限度地降低測(cè)試方法的不足對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。各種試驗(yàn)方法對(duì)比如下。

(1)土層剖面測(cè)試法：①靜力觸探。測(cè)試參數(shù)包括孔隙水壓力、錐尖阻力和側(cè)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(yōu)點(diǎn)是快速、經(jīng)濟(jì)，無(wú)需取樣、適用范圍廣，并且能夠進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)；不足是測(cè)試過(guò)程比較繁雜。②動(dòng)力觸探。測(cè)試參數(shù)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(yōu)點(diǎn)是靠自重貫入無(wú)需外動(dòng)力，適用范圍比較廣泛；不足是無(wú)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而且測(cè)量結(jié)果也因?yàn)椴煌炄雰x器而不同。③扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括土體膨脹側(cè)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(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量應(yīng)力歷史、靜止土壓力系數(shù)、壓縮模量等，貫入對(duì)土體影響比較小，測(cè)試結(jié)果較精確；不足是測(cè)試過(guò)程比較繁雜。

(2)專門測(cè)試法：①十字板剪切試驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括土體剪切強(qiáng)度；適用范圍包括海底表層沉積物，特別是軟土、黏土；優(yōu)點(diǎn)是不需要取樣，野外測(cè)試設(shè)備輕便，操作容易，測(cè)試速度較快，效率高；不足是受環(huán)境影響因素較多。②海上抽水試驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括水量、水位；適用范圍包括海底深部各類土；優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確獲取水文地質(zhì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件；不足是受環(huán)境影響因素較多，測(cè)試過(guò)程比較繁雜。

4 結(jié)論與建議

綜合關(guān)于各種海洋原位試驗(yàn)方法的相關(guān)介紹，得出如下結(jié)論與建議：

(1)國(guó)外海洋工程地質(zhì)勘察更加推崇原位測(cè)試，海洋原位測(cè)試由近、淺海逐步向深海發(fā)展，擁有完善的規(guī)范，測(cè)試儀器體積規(guī)格逐漸減小，數(shù)字化、自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作過(guò)程越來(lái)越簡(jiǎn)單。

(2)國(guó)內(nèi)海洋原位試驗(yàn)的技術(shù)與設(shè)備水平還處于初期探索階段：靜力觸探試驗(yàn)國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，且相應(yīng)國(guó)產(chǎn)技術(shù)設(shè)備發(fā)展很快，數(shù)字化和自動(dòng)化是未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)；動(dòng)力觸探測(cè)量的參數(shù)種類越來(lái)越豐富，設(shè)備更加便攜且精度提升許多，我國(guó)關(guān)于動(dòng)力觸探的技術(shù)設(shè)備目前都依靠進(jìn)口，應(yīng)加快我國(guó)相關(guān)技術(shù)的自主研發(fā)水平；扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在我國(guó)陸地上使用較廣泛，在海上的應(yīng)用鮮有報(bào)道，值得國(guó)內(nèi)技術(shù)人員重點(diǎn)研究；十字板剪切與海上抽水試驗(yàn)?zāi)壳霸趪?guó)內(nèi)主要應(yīng)用于近海、淺海，相應(yīng)技術(shù)裝備比較簡(jiǎn)陋，應(yīng)盡快提升設(shè)備的技術(shù)水平，研究向深海方向發(fā)展，且應(yīng)盡快制定專門的海上試驗(yàn)規(guī)范。

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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(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(KLMMR-2015-B-01).

王偲，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)殂@井工藝和技術(shù)，電子信箱：wangcsy0922@163.com

P74；TU195

A

1005-9857(2017)01-0081-06