海洋原位试验方法综述

王偲，于彦江，寇贝贝

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510075；2.中国地质调查局广州海洋地质调查局 广州 510075)

海洋原位试验方法综述

王偲1，2，于彦江1，2，寇贝贝1，2

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510075；2.中国地质调查局广州海洋地质调查局 广州 510075)

深海海底的浅层沉积物不排水抗剪强度低、饱和松散且易受扰动。由于海洋的复杂环境，常规取样对原位土体扰动较大，文章主要介绍了静力触探试验、动力触探、扁铲侧胀仪试验、十字板剪切试验和海上抽水试验等海洋原位试验的原理、优点、适用范围、设备以及相关应用情况。明确了我国海洋原位试验的发展方向。

深海海底；海洋原位试验；浅层沉积物

随着海洋开发的“深度”发展，众多以海底土体为基础的海洋工程应运而生，掌握海底沉积物的物理性质和力学性质对海洋工程的建设至关重要。深海海底的浅层沉积物以饱和软土为主，该土厚度大、土质比较均一，具有高塑性指数、容重小、不排水抗剪强度低、高含水量、饱和松散且容易扰动等特点。由于常规取样对原位土体扰动比较大，影响室内试验结果准确性，为了详细掌握海底土体的相关特性，海洋土体原位测试在海洋地质调查和海洋工程勘察中使用越来越广泛。

土体原位测试是指，在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种土工勘察技术。主要分为土层剖面测试法和土体专门测试法两大类。土层剖面测试法主要包括静力触探、动力触探、扁铲侧胀仪试验及波速法等。具有可连续进行、快速经济的优点。专门测试法主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。通过此法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，超过室内试验的成果，测试成果可直接供设计部门使用。由于海洋的特殊环境，海水的存在制约了许多陆地常规原位试验的适用条件，类似标准贯入试验、载荷试验、旁压试验等陆地常规原位试验都不适用于海洋。目前海洋土体原位测试应用较多的包括土层剖面测试法当中的静力触探试验、动力触探试验和扁铲侧胀试验，以及土体专门测试法当中的十字板剪切试验和海上抽水试验。

1 土层剖面测试法

1.1 静力触探试验

海底静力触探试验(Cone Penetration Test，CPT)，是目前运用最多且最先进的海底土体原位测试方法。以恒定的速率通过液压贯入方式将探头和触探杆贯入到土中，在贯入过程中，通过仪器测定孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩阻力及其随深度的变化曲线，并现场计算求得海底土体的物理、力学参数，准确、高效地完成海洋工程的地质调查与评价[1]。广泛应用于滨海相沉积层、三角洲沉积层和河湖相沉积软土层的土体参数测定，在港口海岸基础设施建设、近海资源开采平台、海下电缆及油气管线铺设的工程安全性评价中发挥着重要的作用，也是未来港口、航道、海洋环境地质工程地质调查的主要手段[2]。

CPT 技术快速、经济，现场试验无需取样、适用范围广并且能够进行长期观测。西方国家早在20世纪60年代就开始针对海底土体的静力触探试验，技术发展迅猛，已经实现了商品化，并提供相关技术服务。国内研究静力触探技术比较晚，由于各方面原因，技术目前仍停留在科研水平[3]。

按照贯入工艺将海底静力触探技术分为平台式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)3种类型[4]。平台式CPT的贯入设备设置于承载船或固定平台上，适用于水面平静的江河湖泊中。海床式CPT的贯入设备稳定架设于海床面之上，能够保证触探路径在空间上的完整性，适用于浅海区域。井下式CPT是静力触探与钻探相互结合的循环贯入技术，作业深度理论上能够达到钻探的深度，最深的探测深度已经达到海底数百米。

海底静力触探试验相关设备种类繁多，国外主要应用的型号及相应作业特点如下：① 1965年，荷兰辉固公司研制生产Seabull自升式平台水域CPT，其触探深度5 m。② 1972年，荷兰辉固公司研制生产Seacalf型海床式CPT，其作业深度6 000 m，触探深度50 m。 ③1974年荷兰范登堡公司研制生产了两种型号的CPT，其中：WISON-APB型井下式CPT作业水深700 m，最大推力150 kN，单次贯入1.6 m；DW WISON-AP型井下式CPT最大推力100 kN，单次最大贯入3 m。④1975年，荷兰Deltares公司研制生产Diving Bell套管式平台CPT，其触探深度60 m。 ⑤ 1977年，英国与挪威联合研制生产了钻探、触探一体化的海床式CPT，其工作水深190 m，触探深度40 m。 ⑥1982年，加拿大海湾资源公司研制生产了自带超声波无线技术、特殊的润滑探头的新型海底CPT，其5 t贯入力使触探深度达到71 m。⑦ 1990—2005年，荷兰Geomil公司研制生产了MANTA-200海床式 CPT、SHARK-200 近岸式CPT和ORCA-200 无线井下式CPT，作业特点是最大水深200 m，触探最大深度40 m，水下液压电池驱动组供电。⑧ 2000—2010年，荷兰范登堡公司研制生产了3种CPT，其中，ROSON近海式CPT，作业水深200 m，贯入20 m；ROSON海床式CPT，作业水深1 500 m，贯入40 m；DW ROSON深海海床CPT，作业水深4 000 m，贯入50 m。⑨ 2010年，德国海洋环境研究中心研制生产的GOST海底CPT，采用液压动力，工作水深4 000 m，触探深度38 m。⑩ 2014年，英国Datem公司研制生产了Neptune系列CPT，其探头能够连续贯入。

我国研制生产的海底静力触探试验相关设备主要有以下几种：① 1973年，中国科学院海洋研究所研制生产自锁沉放式海底CPT，其触探深度7 m，适用于浅层淤泥质地层。② 1976，中国广东省航运规划设计院研制生产船载式CPT，这款设备需下套管。③ 1994年，中国地矿部海洋地质研究所研制生产钻探、触探一体化船载式CPT，其测试水深15 m，触探深度30 m。④ 2003年，中国船舶工业勘察设计研究院研制生产MJ-II型CPT，其与水域静探平台结合，平台高度可调节。⑤ 2005年，中国吉林大学工程技术研究所研制生产浅海域海底CPT测试系统，其测试主体可进行人工操作。⑥ 2008年，中国广州海洋地质调查局研制生产井下式海底CPT 系统，其由液压驱动，一次触探多回次贯入，作业深度10～100 m。⑦ 2014年，中国海洋大学研制生产海底CPTss 系统，其应用于浅海，最大贯入深度10 m。

1.2 动力触探试验

海上动力触探以自由落体型动力触探为主，自由落体型动力触探仪的作用原理与常规触发取芯器类似，整个作用过程分为设备下落、重锤释放和锥体贯入3个阶段。通过重锤缆与贯入器之间的杠杆控制两者平衡，重锤由于自重较大，先到达海底，贯入器依靠自重在离水底一定距离处自由落体插入沉积物中。

自由落体型动力触探试验主要用于测量包括沉积物强度(探头椎尖和套筒所受阻力)，孔隙压力，热导率和温度梯度(海底热流计)。由于没有一个适用于动力触探的测量标准，而且测量结果也因为不同贯入仪器而不同，沉积物的承载力、抗剪强度等物理参数与测量结果目前主要依靠相关经验公式建立关系[5]。它是一种能够经济快速地评价海底表层沉积物特性的海上原位试验方法。动力贯入设备最早(20世纪70年代)应用于军事领域的海底雷区的探测[6]。随着科技的不断发展，动力贯入设备逐渐应用到海滨建设的工程勘察、管道选线岩土测试以及原位选址可行性分析研究等领域。

国外研制的贯入仪主要有以下几种：① 1972年，纽芬兰纪念大学研制生产“Impact Penetrometer”，能够比较室内测量沉积物力学性质与原位测量的偏差；② 1973年，纽芬兰纪念大学研制生产“Marine Impact Penetrometer”，其作业深度180 m，触探深度4.5 m。 ③ 1995年，加拿大国防部研制生产“STING MK”，其能够分类200～300 m浅层海底沉积物，并探测其特性参数，但设备存储空间不足并且缺乏强度测试。④ 1995年，阿卡迪亚大学研制生产消耗式海底贯入仪(XBT)，可快速、准确地利用加速度值来推导海底表层沉积物的抗剪强度。⑤ 2000年，哥伦比亚大学研制生产“PROBOS”，其使用测量锥尖阻力的探头，数据存储量大幅提高。⑥ 2006—2010年，德国海洋环境研究中心共研制生产了6款贯入仪。其中：“SW-FF”的最大作业深度200 m ；“DW-FF ” 的作业深度4 000 m，触探深度4.5 m，数据记录频率1 kHz，能测量孔隙压力和静水压力；“NIMROD-FF” I型的作业深度200 m，重量轻，易操作，适应恶劣海洋环境；“NIMROD-FF” II型有测量加速度、倾斜度及压力传感器，数据采集频率1 kHz ；“FluMu ” 附带高敏感度传感器，能够测量沉积物与海水界面压力和密度的微小变化；“LIRmeter ” 作业深度4 500 m，贯入深度4 m。

国内外研制的热流计主要有以下几种：① 1950—1971年，日本东京大学研制生产“Bullard”型热流计，其管状探针长度和直径较大，与取样器结合取样。② 1957—2002年，哥伦比亚大学Lamont地质研究所研制生产“Ewing”型热流计，其采用了取样器、针式探针，克服了Bullard提出的测量时间过长、船体漂移、海底取样等问题，精度和效率有所提高。③ 1976—1994年，Hyndma等改进“Lister”型热流计，其使用脉冲探针法和多次插底技术，拥有高精度数字记录方式，快速、简单、高效率。④ 2011年，广州海洋地质调查局研制生产剑鱼I型多通道热流探针(Lister型)，配合ROV使用，温度测量精度4～5 mK(0℃～30℃)，热导率测量精度±5%，分辨率可达1 mK，倾斜传感器测量范围0～38°。

不同种类的自由落体型动力触探设备测量不同的土体参数，根据海底沉积物的土体强度，自由落体型动力触探仪的尺寸可以设计成各种尺寸，最短的仅有21.55 cm，最长的可以达到10～15 m。冲击速度可以根据要求预先选择。

1.3 扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验是利用静力或锤击动力将一扁平铲形测头贯入土中，达到预定深度后，利用气压使扁铲测头上的钢膜片向外膨胀，分别测得膜片中心向外膨胀不同距离(分别为0.05 mm和1.10 mm这两个特定值)时的气压值，进而获得地基土参数的一种原位试验[7]。该试验使用的探头为扁平形，整个贯入过程中土体受到的影响比较小，消除了土体扰动对试验结果的影响，能够很准确地测试出试验土体的基本特征。

试验适用于一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土。它简单、快速、能重复使用。可用于土层划分与定名、不排水剪切强度、应力历史、静止土压力系数、压缩模量、固结系数等的原位测定。

本试验是1980年由意大利人SilvanoMarchetti发明的一种原位测试的方法，在EUROCODE 7(1997)、ASTM (2002)、TC16 (1997)等标准中都有相应的标准测试方法[8]。我国越来越多的单位开始使用扁铲侧胀试验进行岩土工程勘察。用于海洋扁铲侧胀试验的设备(图1)主要由扁铲探头、钻杆、测控箱、气源组成[9]。设备的贯入力达到整个设备重量7 t。

图1 海底扁铲侧胀测试

常用的有两种型号：①贯入和DMT试验是完全独立进行的。操作方式和在陆上一样，但最大深度为70 m，适合近岸和浅海区域试验；②贯入和DMT试验部分是一体的。气压在海底测量，并通过数字信号传输到地表，贯入和测量采用同一个控制器，最深可在200 m水深下完成DMT试验，适合深海试验。

2 专门测试法

2.1 十字板剪切试验

海上原位十字板剪切试验能够测量黏土灵敏度和不排水抗剪强度等特性[10]。测试原理是通过往海底钻孔内的黏土中插入标准形状和尺寸的十字板，并施加扭矩，使其在海底土体中匀速扭转形成圆柱状破坏面，通过换算、评价试验测得的抗剪强度值，等同于测试目的层海底天然黏土在原位压力下的不排水抗剪强度[11]。它不需要从海底取土样，避免了钻探取样对土体的扰动，是一种有效地在天然应力状态下进行原位测试的方法。

原位十字板剪切试验所需设备分手动和电动(图 2)，主要包括直径20 mm的不锈钢型轴杆、驱动装置、测力与记录单元和十字板(矩形、锥形)等试验设备，由于是在海底做试验，在下入试验设备之前，需要下套管进行隔离。

图2 海底十字板剪切仪

在海上做原位十字板剪切试验受多种因素的影响，如风浪及涌浪、水流、水深、钻具自沉等容易引起套管晃动、扰动土体，影响试验数据可靠性。在十字板剪切试验的实际应用中，操作过程要严格遵循规范，此外，尽量减少或降低上述提到的各种因素的影响程度。

优点：①原位测试，不用取样，特别是对难以取样的软土，可以在现场对基本处于天然应力状态下的土层进行扭剪，所求抗剪强度指标可靠。②野外测试设备轻便，操作容易。③测试速度较快，效率高[12]。

港珠澳大桥工程某海域水深10～15 m，水流1.0～2.5 m，海浪1.2～2.5 m，选择固定平台为十字板剪切试验工作平台，使用固定套管保护探杆，并且在套管的内部放置了垂直导向器，这些措施基本消除了外界因素的影响，试验时遵守相关试验规范标准。最终，本次试验测得数据完全满足现场勘察技术的相关要求。姚首龙等对南海某孔获得的原位十字板剪切试验结果，经过后期室内试验处理，得到相对合理的黏性土的不排水抗剪强度值，认为原位十字板剪切试验可为海上实际工程设计提供可靠的岩土设计参数[13]。

2.2 海上抽水试验

抽水试验是以地下水井流理论为基础，通过在实际井孔中抽水时，水量和水位变化的观测来获取水文地质参数，评价水文地质条件[14]。陆地水文水井抽水试验在理论和技术上已经相当成熟。海上抽水试验由于海水的存在，与陆地抽水试验的不同主要体现在成井及需要搭建稳定的水上平台。

稳定的水上平台是成功进行海上抽水试验的前提，为保证平台的稳定，施工钻探船适合选择大载重量、强抗风浪能力的工程船，为了应对可能发生的恶劣气候环境，选择旁侧式钻探平台或者内置式平台。钻机选择钻深能力超过300 m大功率钻机，便于起拉较重的钻具、护孔套管等设备，如船只自带大型起吊机械更好[15]。

无论陆地还是海上抽水试验，成井是保证抽水试验成功实施的最关键环节。陆上水井在钻进完成后，直接按照顺序依次下入沉淀管、花管和实管，然后进行填砾和止水。海上抽水试验需要下入2～3层隔水套管(图3 )，最外边一层套管主要起活动保护作用，里面二层套管下至主要止水层中，封隔海水，最内层套管作为抽水试验管。填砾止水后，验证止水效果主要从地下水与海水水质、水温和水位这3个方面进行分析考虑，确保止水效果达到要求。

图3 海上抽水试验成井结构

海上抽水试验影响因素较多，但是能够在避免对土体扰动的情况下获得海洋土体的水文地质参数，结果准确可靠。目前在人工岛、海底隧道等工程已广泛应用。

广州海洋地质调查局“奋斗五号”船在2010年8月执行了琼州海峡工程地质钻探项目，完成了该船第一个海上抽水试验。外层选用一层Ф178隔水套管至20.5 m主要止水层的顶部，然后下人Ф108的钢质滤水管(Ф108套管制作)，最后锤击Ф108的实管。通过对比往Ф108管内压入清水量与Ф178套管排出水量验证止水效果。整个抽水试验过程按照陆地抽水试验标准进行操作，获得了相关样品和数据[16]。

3 海上原位试验对比

每种海上原位试验由于测试原理的不同，相应的原位测试参数也不尽相同。比如静力触探和动力触探都是测量锥尖阻力和侧壁摩阻力，通过换算求得海底土体的物理、力学参数。海上原位试验都有一定的适用范围，土层剖面法适用于各种类型海底土，海底软土、黏土使用十字板剪切试验测试土体剪切强度精度较高。在实际应用当中，根据需求选择合适的测试方法，尽可能地发挥其优势，严格按照规范试验，最大限度地降低测试方法的不足对测试结果的影响。各种试验方法对比如下。

(1)土层剖面测试法：①静力触探。测试参数包括孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩阻力；适用范围包括滨海相沉积层、三角洲沉积层和河湖相沉积软土层；优点是快速、经济，无需取样、适用范围广，并且能够进行长期观测；不足是测试过程比较繁杂。②动力触探。测试参数包括探头椎尖和套筒所受阻力；适用范围包括海底表层沉积物；优点是靠自重贯入无需外动力，适用范围比较广泛；不足是无测量标准，而且测量结果也因为不同贯入仪器而不同。③扁铲侧胀试验。测试参数包括土体膨胀侧向压力；适用范围包括一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黄土等；优点是可以测量应力历史、静止土压力系数、压缩模量等，贯入对土体影响比较小，测试结果较精确；不足是测试过程比较繁杂。

(2)专门测试法：①十字板剪切试验。测试参数包括土体剪切强度；适用范围包括海底表层沉积物，特别是软土、黏土；优点是不需要取样，野外测试设备轻便，操作容易，测试速度较快，效率高；不足是受环境影响因素较多。②海上抽水试验。测试参数包括水量、水位；适用范围包括海底深部各类土；优点是准确获取水文地质参数，现场评价水文地质条件；不足是受环境影响因素较多，测试过程比较繁杂。

4 结论与建议

综合关于各种海洋原位试验方法的相关介绍，得出如下结论与建议：

(1)国外海洋工程地质勘察更加推崇原位测试，海洋原位测试由近、浅海逐步向深海发展，拥有完善的规范，测试仪器体积规格逐渐减小，数字化、自动化程度越来越高，操作过程越来越简单。

(2)国内海洋原位试验的技术与设备水平还处于初期探索阶段：静力触探试验国内应用较多，且相应国产技术设备发展很快，数字化和自动化是未来发展的目标；动力触探测量的参数种类越来越丰富，设备更加便携且精度提升许多，我国关于动力触探的技术设备目前都依靠进口，应加快我国相关技术的自主研发水平；扁铲侧胀试验在我国陆地上使用较广泛，在海上的应用鲜有报道，值得国内技术人员重点研究；十字板剪切与海上抽水试验目前在国内主要应用于近海、浅海，相应技术装备比较简陋，应尽快提升设备的技术水平，研究向深海方向发展，且应尽快制定专门的海上试验规范。

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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

国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金项目(KLMMR-2015-B-01).

王偲，助理工程师，硕士，研究方向为钻井工艺和技术，电子信箱：wangcsy0922@163.com

P74；TU195

A

1005-9857(2017)01-0081-06