深海浅表层沉积物不排水剪切强度的多探头原位测试系统及评价方法研究*

谷忠德 郭兴森 赵 维 王 兴 刘晓磊 郑敬宾 刘敬喜 贾永刚 年廷凯

(① 大连理工大学， 海岸和近海工程国家重点实验室， 大连 116024， 中国) (② 苏州南智传感科技有限公司， 苏州 215127， 中国) (③ 中国海洋大学， 山东省海洋环境地质工程重点实验室， 青岛 266100， 中国) (④ 山东拓普液压气动有限公司， 济南 250107， 中国)

0 引 言

深海能源的高效开发与利用具有战略指导意义，已成为国际社会关注的热点问题。深海油气等能源开发需准确评估浅表层沉积物的原位力学性质。基于独特测试优势的静力触探仪、全流动贯入仪、十字板剪切仪在深海沉积物力学性质评估方面具有很好的应用前景(季福东等， 2016； 李高山等， 2019； 刘锐明等， 2019)。

静力触探仪发展历史悠久，可用于评估海洋软土的不排水剪切强度、土层划分和土性识别等(胡越等， 2020)。根据测试过程的差异，分为井下静力触探(Down-hole CPT)设备和海床式静力触探(Seabed CPT)设备(季福东等， 2016)。井下静力触探设备的工作原理是钻探与静力触探相结合，即每次触探开始前先扫除已经完成触探的土层以便开始贯入操作，如Furgo公司的WISON-APB系统，工作水深为3000 m(Sacchetto et al.，2004； 陈奇等， 2007； 杨岩等， 2017)。由于其触探开始前需要先钻孔，不可避免地会对海底土体造成扰动，因而其测量结果不如Seabed CPT准确； 海床式静力触探设备是将探头通过探杆从海床表面连续贯入土中(陆凤慈等， 2004)。目前，国际上知名的海床式静力触探设备，如图 1 所示(Lunne， 2010； 郭绍曾等， 2015； 刘雨等， 2017； 张红等， 2019)。国内海上静力触探技术发展较晚， 1973年中国科学院海洋研究所研制出一杆到底的沉放式水下静力触探仪，最大工作水深50 m； 2005年，吉林大学工程技术研究所开发出“浅海域海底静力触探测试系统”，最大工作水深55 m； 2005年，广州海洋地质调查局研制出以管内液压推进系统为关键技术的海洋静力触探设备，工作水深可达100 m； 2017年，武汉磐索地勘科技有限公司自主研发的PeneVector海床式静力触探系统最大工作水深1480 m，是我国自主开展静力触探作业的最大水深(蒋衍洋， 2011； 刘雨等， 2017)。

图 1 国际知名海床式静力触探设备Fig. 1 Internationally renowned seabed CPTa. GOST(水深2000 m)； b. NEPTUNE 5000(水深3000 m)； c. SEACALF(水深3000 m)； d. MANTA-100(水深4000 m)

全流动贯入仪基于全流动测试机理，适用于饱和软土力学性质的评估。Randolph et al. (1998)于1994年提出T形全流动贯入仪，并于1998年应用于海洋工程； T形全流动贯入仪在测试过程中容易产生弯矩，导致测试结果失真，因此Kelleher et al. (2005)提出球形全流动贯入仪。Low et al. (2011)通过现场试验分析，强调了T形和球形全流动贯入仪在海洋软土不排水剪切强度评估方面的优势； DeJong et al. (2011)给出T形和球形全流动贯入仪评价海洋软土不排水剪切强度的具体建议。目前，国外西澳大学COFS与NGI仍致力于全流动贯入仪的研究(张红等， 2019)，国内大连理工大学(赵维等， 2013； 范宁等， 2017； 年廷凯等， 2018； 郭兴森， 2021)、东南大学(杨岩等， 2017； 彭鹏， 2018)、天津大学(郭绍曾等， 2017)在全流动贯入仪的研发方面开展了大量工作。

海上十字板剪切仪基于剪切柱体理论可获取软土的不排水剪切强度，通过初始强度与重塑强度的比值可获取灵敏度参数(王偲等， 2017)，具有测试原理简单、测试设备轻便，操作容易、测试速度快，效率高等优点(陶凯等， 2013； 张红等， 2019； 刘恒宇， 2020)。姚首龙等(2015)将南海某孔位获得的原位十字板剪切试验结果与室内试验结果对比分析，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参数。

深海工程如管线、采矿车、锚固基础等主要与浅表层土体相互作用，因此浅表层沉积物力学性质的准确评估将成为保障深海工程建设与运营安全的重要前提。上述3种测试仪器对于深海浅表层土体不排水剪切强度的评估仍有待开展深入研究； 同时3种仪器的测试原理不同，为保证结果的准确，有必要对3种测试仪器的强度测试区间进行分析讨论。因此，针对深海浅表层沉积物的力学特性测试需求，开发集锥形触探仪、球形贯入仪和十字板剪切仪为一体的原位测试系统，提出3种特定测试仪器的不排水剪切强度评价方法，并探讨3种特定仪器各自适合的强度测试区间，以实现对深海浅表层沉积物土力学性质的准确高效和智能化评估。

1 深海浅表层沉积物土力学性质原位测试系统简介

深海浅表层沉积物土力学性质原位测试系统由锥形触探仪、球形贯入仪和十字板剪切仪构成，具体设计尺寸如表 1 所示，实物如图 2 所示。其中锥形触探仪和球形贯入仪以高精度光纤为传感元件(吴涵等， 2020)，具有贯入阻力、超孔隙水压力的测试功能。与传统设计不同，球形全流动贯入仪的孔压测试元件布放于球形探头下1/4位置处，详见图 2b，以保证超孔隙水压力量测结果的准确性、稳定性和可重复性(Colreavy et al.，2016)； 十字板剪切仪具有不排水剪切强度的测试功能，通过在密封装置内填充不可压缩的硅油来平衡内外压，以保证扭矩传感器在不同水深条件下均可正常工作。该系统可根据海底沉积物强度自动选择合适的测试仪器，从而实现对深海浅表层沉积物土力学性质准确、高效、智能地评估。

表 1 仪器尺寸及贯入或扭转参数Table 1 Instrument size and penetration or torsion parameters

图 2 3种原位测试仪器实物图Fig. 2 Physical map of three in-situ test instrumentsa. 锥形触探仪； b. 球形贯入仪； c. 十字板剪切仪

2 软土不排水剪切强度的评价方法

经文献查阅，深海浅表层沉积物一般为2～13 kPa(不排水剪切强度)的软土(魏定邦等， 2021)，为实现准确高效和智能化评估海底浅表层沉积物的力学性质，需要分别确定3种仪器针对浅表层饱和软土不排水剪切强度的评价方法。

2.1 锥形触探仪评价软土不排水剪切强度的方法

锥形触探仪采用式(1)进行海洋饱和软土不排水剪切强度的评价(Rémai， 2013)：

(1)

式中：su-Cone为土体的不排水剪切强度(kPa)；qc为锥尖阻力(kPa)；α为仪器的不平衡面积比，此处为0.75；u为孔隙水压力(kPa)；σv0为上覆土体压力(kPa)；Nkt表示软黏土中的锥尖阻力系数，为无量纲量。

锥尖阻力系数Nkt受到很多因素影响，为确定其值本文通过CEL数值方法( 图 3) 开展了不同土体强度条件下的贯入模拟，模型参数详见表 2，结果详见图 4。为验证数值结果的准确性，将数值模拟中获取的锥尖阻力系数Nkt与前人研究进行对比分析。前人通过RITSS方法、EALE方法得到的锥尖阻力系数Nkt的变化范围约为9.2～10.8，本研究Nkt变化范围约为9.1～9.9，因此可初步验证数值结果的可靠性。为便于工程应用，锥尖阻力系数取值为9.5。

图 3 锥形触探仪贯入数值模型Fig. 3 CPT penetration numerical modela. 土体模型； b. 贯入器； c. 组合模型

表 2 CEL方法模拟参数Table 2 Parameters of CEL method

图 4 锥尖阻力系数Nkt 对比Fig. 4 CPT resistance factor Nkt comparison

图 5 足尺土工模型试验Fig. 5 Full scale geotechnical model testa. 试验系统； b. 锥形触探仪试验

为进一步验证数值结果的准确性，将锥形触探仪的足尺模型试验结果( 图 5) 与T-bar贯入仪和微型十字板剪切仪的试验结果进行对比分析。

足尺模型试验选用与海底浅表层沉积物性质相似的球黏土为试验用土，然后设计并加工了大尺寸模型箱(1.35 m×1.1 m×1.3 m)，采用动力驱动器以实现均匀稳定的速度控制，最终组建了室内贯入平台。其中贯入器包括锥形触探仪、T-bar和微型十字板剪切仪，具体尺寸列于表 3，试验结果如图 6 所示。结果表明，锥形触探仪测试的土体强度与室内T-bar贯入仪和微型十字板测试的不排水剪切强度平均偏差约为15%，再次验证了锥尖阻力系数Nkt=9.5的准确性与合理性。

表 3 T-bar与微型十字板剪切仪(Mini-VST)尺寸Table 3 Size of T-bar and Mini-VST

图 6 锥形触探仪与T-bar和微型十字板试验结果对比Fig. 6 Comparison of CPT with T-bar and Mini VST说明：Nkt 取值为9.5，NT-bar 取值为10.5

2.2 球形贯入仪评价软土不排水剪切强度的方法

球形贯入仪采用式(2)评价海洋软土不排水剪切强度(Nguyen et al.，2015)：

(2)

式中：su-Ball为土体不排水剪切强度(kPa)；qBall为球形贯入仪的贯入阻力(kPa)；σv0为上覆土体压力(kPa)；α为仪器的不平衡面积比，此处为0.75；u为孔隙水压力(kPa)；As为探杆投影面积(m2)；Ap为球形贯入仪的投影面积(m2)；NBall为球形贯入仪在软黏土中的阻力系数，无量纲。

图 7 高岭土的离心试验贯入阻力曲线Fig. 7 Centrifugal penetration resistance curve of Kaolin clay

表 4 球形贯入仪阻力系数结果Table 4 Results of NBall

贯入阻力系数NBall受很多因素影响，本文通过离心试验来确定该参数取值。第1组离心试验为高岭土样在75 g、125 g加速度条件下的贯入试验，贯入阻力如图 7 所示。进而通过手动十字板剪切仪测试土样的不排水剪切强度，结果列于表 4，通过求取平均值可初步确定球形贯入仪阻力系数为11.1。为进一步验证贯入阻力系数NBall的准确性，开展了第2组高岭土样在75 g、100 g加速度条件下的贯入试验，进而通过手动十字板反算贯入阻力系数。结果表明两组高岭土离心试验确定的贯入阻力系数偏差仅为1.8%，认为NBall=11.1取值合理。

2.3 十字板剪切仪评价软土不排水剪切强度的方法

十字板剪切仪基于剪切柱体理论，可用于海洋软土不排水剪切强度的测试，本文参考《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(中华人民共和国国家标准编写组，2002)，其评价方法如式(3)所示：

(3)

式中：su-VST为土体的不排水剪切强度(kPa)；MVST为测得的扭矩(N · m)；DVST为板头的直径， 0.05 m；HVST为板头的高度， 0.1 m。

3 强度测试区间探讨

基于Geotechnical site investigations(AS 1726-1993)规范，非常软的黏性土(very soft cohesive soils)不排水剪切强度范围为0～12 kPa，软的黏性土(soft cohesive soils)不排水剪切强度范围为12～25 kPa。根据魏定邦等(2021)调查表明，深海区海底沉积物一般为黏土，土体强度范围约为2～13 kPa。同时考虑到3种仪器的测试量程和各自的测试优势，本文重点关注0～25 kPa范围内深海浅表层沉积物力学性质的评估。为保证准确、高效地量测深海软土的力学性质，仍需对3种仪器的强度测试区间进行探讨。

3.1 锥形触探仪强度测试区间

分析图 4 可以发现，锥尖阻力系数在低强度(小于2 kPa)软土中取值变化范围约为9.1～9.9，波动范围相对较大。考虑为锥形触探仪测试探头面积较小，在低强度软土中其测试分辨率不高； 同时在测试过程中需要对上覆土体压力进行修正，当锥尖阻力修正后，很难识别到在贯入过程中产生的微小贯入阻力增量。因此，锥形触探仪一般用来测试强度相对较高的软土。结合图 4 中的数值模拟结果，在2～10 kPa的软土中其锥尖阻力系数的取值约为9.5，一致性较好； 同时考虑到锥形触探仪贯入阻力的量程为200 kPa，理论上其可测试的最大土体强度约为20 kPa。因此，锥形触探仪适用于测试不排水剪切强度为2～20 kPa的软土。

3.2 球形贯入仪强度测试区间

基于表 4 中的离心试验结果，球形贯入仪在低强度软土(5 kPa以内)中的阻力系数基本一致，可判断球形贯入仪适用于测试强度较低的超软土。在测试过程中由于土体强度较低且流动性较强，土体可完全包裹探头形成全流动测试机理，有效减小了对上覆土体压力的修正； 同时其具有较大的投影面积，测试中土体与测试仪器的接触面积增加，即使土体强度很低仍可被仪器识别，但对于0.5 kPa以内的超软土因其分辨率不足可能会受到限制。球形贯入仪不适用于硬土强度测试，一方面土体强度较高，在测试过程中土体不能全流动，仍然需要对上覆土体压力进行大幅度修正； 另一方面，土体与探头接触面积较大，在硬土中测试容易造成贯入阻力超过传感器量程。因此，球形贯入仪适用于测试不排水剪切强度为0.5～5 kPa的软土。

3.3 十字板剪切仪强度测试区间

十字板剪切仪基于剪切柱体理论进行软土不排水剪切强度的评估，既不能测试强度较低的超软土也不能测试强度过高的硬塑态土体。十字板剪切仪没有孔压测试功能，在超软土中测试时会引起较大的超孔压，导致扭矩结果偏高，进而导致测试的不排水剪切强度偏高； 对于硬塑态土体，在测试过程中很容易导致十字板剪切仪板头断裂。因此，建议其测试土体不排水剪切强度区间为2～25 kPa。

4 结 论

基于本文开发的锥形触探仪、球形贯入仪和十字板剪切仪集成的原位测试系统，开展了多组土工模型试验和数值模拟研究工作，并结合离心试验结果，完善了3种特定仪器对海底浅表层饱和软黏土不排水剪切强度的评估方法； 进一步针对0.5～25 kPa范围内的深海浅表层沉积物，探讨了3种特定仪器适合的强度测试区间。基于当前已开展的模型试验和数值模拟，得到如下结论：

(1)通过CEL方法和足尺土工模型试验确定了锥形触探仪的锥尖阻力系数Nkt，宜取值为9.5。

(2)结合离心试验确定了球形贯入仪的贯入阻力系数NBall，宜取值为11.1。

(3)讨论了3种测试仪器的强度测试区间，其中锥形触探仪适合测试2～20 kPa的软土，球形贯入仪适合测试0.5～5 kPa的软土，十字板剪切仪适合测试2～25 kPa的软土。

(4)探讨了锥形触探仪与球形贯入仪贯入阻力稳定后的土体不排水剪切强度评估方法，对于在初始贯入阶段的不排水剪切强度的评估，仍需开展深入研究。

致 谢：感谢研究生刘春鹏、张浩、廖鑫昌、王国栋、王技博、安宝丰等在离心试验、足尺土工模型试验等方面提供的帮助。