深海淺表層沉積物不排水剪切強(qiáng)度的多探頭原位測試系統(tǒng)及評(píng)價(jià)方法研究*

谷忠德 郭興森 趙 維 王 興 劉曉磊 鄭敬賓 劉敬喜 賈永剛 年廷凱

(① 大連理工大學(xué)， 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大連 116024， 中國) (② 蘇州南智傳感科技有限公司， 蘇州 215127， 中國) (③ 中國海洋大學(xué)， 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266100， 中國) (④ 山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司， 濟(jì)南 250107， 中國)

0 引 言

深海能源的高效開發(fā)與利用具有戰(zhàn)略指導(dǎo)意義，已成為國際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。深海油氣等能源開發(fā)需準(zhǔn)確評(píng)估淺表層沉積物的原位力學(xué)性質(zhì)。基于獨(dú)特測試優(yōu)勢的靜力觸探儀、全流動(dòng)貫入儀、十字板剪切儀在深海沉積物力學(xué)性質(zhì)評(píng)估方面具有很好的應(yīng)用前景(季福東等， 2016； 李高山等， 2019； 劉銳明等， 2019)。

靜力觸探儀發(fā)展歷史悠久，可用于評(píng)估海洋軟土的不排水剪切強(qiáng)度、土層劃分和土性識(shí)別等(胡越等， 2020)。根據(jù)測試過程的差異，分為井下靜力觸探(Down-hole CPT)設(shè)備和海床式靜力觸探(Seabed CPT)設(shè)備(季福東等， 2016)。井下靜力觸探設(shè)備的工作原理是鉆探與靜力觸探相結(jié)合，即每次觸探開始前先掃除已經(jīng)完成觸探的土層以便開始貫入操作，如Furgo公司的WISON-APB系統(tǒng)，工作水深為3000 m(Sacchetto et al.，2004； 陳奇等， 2007； 楊巖等， 2017)。由于其觸探開始前需要先鉆孔，不可避免地會(huì)對(duì)海底土體造成擾動(dòng)，因而其測量結(jié)果不如Seabed CPT準(zhǔn)確； 海床式靜力觸探設(shè)備是將探頭通過探桿從海床表面連續(xù)貫入土中(陸鳳慈等， 2004)。目前，國際上知名的海床式靜力觸探設(shè)備，如圖 1 所示(Lunne， 2010； 郭紹曾等， 2015； 劉雨等， 2017； 張紅等， 2019)。國內(nèi)海上靜力觸探技術(shù)發(fā)展較晚， 1973年中國科學(xué)院海洋研究所研制出一桿到底的沉放式水下靜力觸探儀，最大工作水深50 m； 2005年，吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所開發(fā)出“淺海域海底靜力觸探測試系統(tǒng)”，最大工作水深55 m； 2005年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制出以管內(nèi)液壓推進(jìn)系統(tǒng)為關(guān)鍵技術(shù)的海洋靜力觸探設(shè)備，工作水深可達(dá)100 m； 2017年，武漢磐索地勘科技有限公司自主研發(fā)的PeneVector海床式靜力觸探系統(tǒng)最大工作水深1480 m，是我國自主開展靜力觸探作業(yè)的最大水深(蔣衍洋， 2011； 劉雨等， 2017)。

圖 1 國際知名海床式靜力觸探設(shè)備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)

全流動(dòng)貫入儀基于全流動(dòng)測試機(jī)理，適用于飽和軟土力學(xué)性質(zhì)的評(píng)估。Randolph et al. (1998)于1994年提出T形全流動(dòng)貫入儀，并于1998年應(yīng)用于海洋工程； T形全流動(dòng)貫入儀在測試過程中容易產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致測試結(jié)果失真，因此Kelleher et al. (2005)提出球形全流動(dòng)貫入儀。Low et al. (2011)通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析，強(qiáng)調(diào)了T形和球形全流動(dòng)貫入儀在海洋軟土不排水剪切強(qiáng)度評(píng)估方面的優(yōu)勢； DeJong et al. (2011)給出T形和球形全流動(dòng)貫入儀評(píng)價(jià)海洋軟土不排水剪切強(qiáng)度的具體建議。目前，國外西澳大學(xué)COFS與NGI仍致力于全流動(dòng)貫入儀的研究(張紅等， 2019)，國內(nèi)大連理工大學(xué)(趙維等， 2013； 范寧等， 2017； 年廷凱等， 2018； 郭興森， 2021)、東南大學(xué)(楊巖等， 2017； 彭鵬， 2018)、天津大學(xué)(郭紹曾等， 2017)在全流動(dòng)貫入儀的研發(fā)方面開展了大量工作。

海上十字板剪切儀基于剪切柱體理論可獲取軟土的不排水剪切強(qiáng)度，通過初始強(qiáng)度與重塑強(qiáng)度的比值可獲取靈敏度參數(shù)(王偲等， 2017)，具有測試原理簡單、測試設(shè)備輕便，操作容易、測試速度快，效率高等優(yōu)點(diǎn)(陶凱等， 2013； 張紅等， 2019； 劉恒宇， 2020)。姚首龍等(2015)將南海某孔位獲得的原位十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，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)提供可靠的參數(shù)。

深海工程如管線、采礦車、錨固基礎(chǔ)等主要與淺表層土體相互作用，因此淺表層沉積物力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確評(píng)估將成為保障深海工程建設(shè)與運(yùn)營安全的重要前提。上述3種測試儀器對(duì)于深海淺表層土體不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)估仍有待開展深入研究； 同時(shí)3種儀器的測試原理不同，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確，有必要對(duì)3種測試儀器的強(qiáng)度測試區(qū)間進(jìn)行分析討論。因此，針對(duì)深海淺表層沉積物的力學(xué)特性測試需求，開發(fā)集錐形觸探儀、球形貫入儀和十字板剪切儀為一體的原位測試系統(tǒng)，提出3種特定測試儀器的不排水剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，并探討3種特定儀器各自適合的強(qiáng)度測試區(qū)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)深海淺表層沉積物土力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確高效和智能化評(píng)估。

1 深海淺表層沉積物土力學(xué)性質(zhì)原位測試系統(tǒng)簡介

深海淺表層沉積物土力學(xué)性質(zhì)原位測試系統(tǒng)由錐形觸探儀、球形貫入儀和十字板剪切儀構(gòu)成，具體設(shè)計(jì)尺寸如表 1 所示，實(shí)物如圖 2 所示。其中錐形觸探儀和球形貫入儀以高精度光纖為傳感元件(吳涵等， 2020)，具有貫入阻力、超孔隙水壓力的測試功能。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，球形全流動(dòng)貫入儀的孔壓測試元件布放于球形探頭下1/4位置處，詳見圖 2b，以保證超孔隙水壓力量測結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性(Colreavy et al.，2016)； 十字板剪切儀具有不排水剪切強(qiáng)度的測試功能，通過在密封裝置內(nèi)填充不可壓縮的硅油來平衡內(nèi)外壓，以保證扭矩傳感器在不同水深條件下均可正常工作。該系統(tǒng)可根據(jù)海底沉積物強(qiáng)度自動(dòng)選擇合適的測試儀器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深海淺表層沉積物土力學(xué)性質(zhì)準(zhǔn)確、高效、智能地評(píng)估。

表 1 儀器尺寸及貫入或扭轉(zhuǎn)參數(shù)Table 1 Instrument size and penetration or torsion parameters

圖 2 3種原位測試儀器實(shí)物圖Fig. 2 Physical map of three in-situ test instrumentsa. 錐形觸探儀； b. 球形貫入儀； c. 十字板剪切儀

2 軟土不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

經(jīng)文獻(xiàn)查閱，深海淺表層沉積物一般為2～13 kPa(不排水剪切強(qiáng)度)的軟土(魏定邦等， 2021)，為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效和智能化評(píng)估海底淺表層沉積物的力學(xué)性質(zhì)，需要分別確定3種儀器針對(duì)淺表層飽和軟土不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法。

2.1 錐形觸探儀評(píng)價(jià)軟土不排水剪切強(qiáng)度的方法

錐形觸探儀采用式(1)進(jìn)行海洋飽和軟土不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)價(jià)(Rémai， 2013)：

(1)

式中：su-Cone為土體的不排水剪切強(qiáng)度(kPa)；qc為錐尖阻力(kPa)；α為儀器的不平衡面積比，此處為0.75；u為孔隙水壓力(kPa)；σv0為上覆土體壓力(kPa)；Nkt表示軟黏土中的錐尖阻力系數(shù)，為無量綱量。

錐尖阻力系數(shù)Nkt受到很多因素影響，為確定其值本文通過CEL數(shù)值方法( 圖 3) 開展了不同土體強(qiáng)度條件下的貫入模擬，模型參數(shù)詳見表 2，結(jié)果詳見圖 4。為驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬中獲取的錐尖阻力系數(shù)Nkt與前人研究進(jìn)行對(duì)比分析。前人通過RITSS方法、EALE方法得到的錐尖阻力系數(shù)Nkt的變化范圍約為9.2～10.8，本研究Nkt變化范圍約為9.1～9.9，因此可初步驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的可靠性。為便于工程應(yīng)用，錐尖阻力系數(shù)取值為9.5。

圖 3 錐形觸探儀貫入數(shù)值模型Fig. 3 CPT penetration numerical modela. 土體模型； b. 貫入器； c. 組合模型

表 2 CEL方法模擬參數(shù)Table 2 Parameters of CEL method

圖 4 錐尖阻力系數(shù)Nkt 對(duì)比Fig. 4 CPT resistance factor Nkt comparison

圖 5 足尺土工模型試驗(yàn)Fig. 5 Full scale geotechnical model testa. 試驗(yàn)系統(tǒng)； b. 錐形觸探儀試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性，將錐形觸探儀的足尺模型試驗(yàn)結(jié)果( 圖 5) 與T-bar貫入儀和微型十字板剪切儀的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

足尺模型試驗(yàn)選用與海底淺表層沉積物性質(zhì)相似的球黏土為試驗(yàn)用土，然后設(shè)計(jì)并加工了大尺寸模型箱(1.35 m×1.1 m×1.3 m)，采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的速度控制，最終組建了室內(nèi)貫入平臺(tái)。其中貫入器包括錐形觸探儀、T-bar和微型十字板剪切儀，具體尺寸列于表 3，試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示。結(jié)果表明，錐形觸探儀測試的土體強(qiáng)度與室內(nèi)T-bar貫入儀和微型十字板測試的不排水剪切強(qiáng)度平均偏差約為15%，再次驗(yàn)證了錐尖阻力系數(shù)Nkt=9.5的準(zhǔn)確性與合理性。

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

圖 6 錐形觸探儀與T-bar和微型十字板試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of CPT with T-bar and Mini VST說明：Nkt 取值為9.5，NT-bar 取值為10.5

2.2 球形貫入儀評(píng)價(jià)軟土不排水剪切強(qiáng)度的方法

球形貫入儀采用式(2)評(píng)價(jià)海洋軟土不排水剪切強(qiáng)度(Nguyen et al.，2015)：

(2)

式中：su-Ball為土體不排水剪切強(qiáng)度(kPa)；qBall為球形貫入儀的貫入阻力(kPa)；σv0為上覆土體壓力(kPa)；α為儀器的不平衡面積比，此處為0.75；u為孔隙水壓力(kPa)；As為探桿投影面積(m2)；Ap為球形貫入儀的投影面積(m2)；NBall為球形貫入儀在軟黏土中的阻力系數(shù)，無量綱。

圖 7 高嶺土的離心試驗(yàn)貫入阻力曲線Fig. 7 Centrifugal penetration resistance curve of Kaolin clay

表 4 球形貫入儀阻力系數(shù)結(jié)果Table 4 Results of NBall

貫入阻力系數(shù)NBall受很多因素影響，本文通過離心試驗(yàn)來確定該參數(shù)取值。第1組離心試驗(yàn)為高嶺土樣在75 g、125 g加速度條件下的貫入試驗(yàn)，貫入阻力如圖 7 所示。進(jìn)而通過手動(dòng)十字板剪切儀測試土樣的不排水剪切強(qiáng)度，結(jié)果列于表 4，通過求取平均值可初步確定球形貫入儀阻力系數(shù)為11.1。為進(jìn)一步驗(yàn)證貫入阻力系數(shù)NBall的準(zhǔn)確性，開展了第2組高嶺土樣在75 g、100 g加速度條件下的貫入試驗(yàn)，進(jìn)而通過手動(dòng)十字板反算貫入阻力系數(shù)。結(jié)果表明兩組高嶺土離心試驗(yàn)確定的貫入阻力系數(shù)偏差僅為1.8%，認(rèn)為NBall=11.1取值合理。

2.3 十字板剪切儀評(píng)價(jià)軟土不排水剪切強(qiáng)度的方法

十字板剪切儀基于剪切柱體理論，可用于海洋軟土不排水剪切強(qiáng)度的測試，本文參考《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2002)，其評(píng)價(jià)方法如式(3)所示：

(3)

式中：su-VST為土體的不排水剪切強(qiáng)度(kPa)；MVST為測得的扭矩(N · m)；DVST為板頭的直徑， 0.05 m；HVST為板頭的高度， 0.1 m。

3 強(qiáng)度測試區(qū)間探討

基于Geotechnical site investigations(AS 1726-1993)規(guī)范，非常軟的黏性土(very soft cohesive soils)不排水剪切強(qiáng)度范圍為0～12 kPa，軟的黏性土(soft cohesive soils)不排水剪切強(qiáng)度范圍為12～25 kPa。根據(jù)魏定邦等(2021)調(diào)查表明，深海區(qū)海底沉積物一般為黏土，土體強(qiáng)度范圍約為2～13 kPa。同時(shí)考慮到3種儀器的測試量程和各自的測試優(yōu)勢，本文重點(diǎn)關(guān)注0～25 kPa范圍內(nèi)深海淺表層沉積物力學(xué)性質(zhì)的評(píng)估。為保證準(zhǔn)確、高效地量測深海軟土的力學(xué)性質(zhì)，仍需對(duì)3種儀器的強(qiáng)度測試區(qū)間進(jìn)行探討。

3.1 錐形觸探儀強(qiáng)度測試區(qū)間

分析圖 4 可以發(fā)現(xiàn)，錐尖阻力系數(shù)在低強(qiáng)度(小于2 kPa)軟土中取值變化范圍約為9.1～9.9，波動(dòng)范圍相對(duì)較大?？紤]為錐形觸探儀測試探頭面積較小，在低強(qiáng)度軟土中其測試分辨率不高； 同時(shí)在測試過程中需要對(duì)上覆土體壓力進(jìn)行修正，當(dāng)錐尖阻力修正后，很難識(shí)別到在貫入過程中產(chǎn)生的微小貫入阻力增量。因此，錐形觸探儀一般用來測試強(qiáng)度相對(duì)較高的軟土。結(jié)合圖 4 中的數(shù)值模擬結(jié)果，在2～10 kPa的軟土中其錐尖阻力系數(shù)的取值約為9.5，一致性較好； 同時(shí)考慮到錐形觸探儀貫入阻力的量程為200 kPa，理論上其可測試的最大土體強(qiáng)度約為20 kPa。因此，錐形觸探儀適用于測試不排水剪切強(qiáng)度為2～20 kPa的軟土。

3.2 球形貫入儀強(qiáng)度測試區(qū)間

基于表 4 中的離心試驗(yàn)結(jié)果，球形貫入儀在低強(qiáng)度軟土(5 kPa以內(nèi))中的阻力系數(shù)基本一致，可判斷球形貫入儀適用于測試強(qiáng)度較低的超軟土。在測試過程中由于土體強(qiáng)度較低且流動(dòng)性較強(qiáng)，土體可完全包裹探頭形成全流動(dòng)測試機(jī)理，有效減小了對(duì)上覆土體壓力的修正； 同時(shí)其具有較大的投影面積，測試中土體與測試儀器的接觸面積增加，即使土體強(qiáng)度很低仍可被儀器識(shí)別，但對(duì)于0.5 kPa以內(nèi)的超軟土因其分辨率不足可能會(huì)受到限制。球形貫入儀不適用于硬土強(qiáng)度測試，一方面土體強(qiáng)度較高，在測試過程中土體不能全流動(dòng)，仍然需要對(duì)上覆土體壓力進(jìn)行大幅度修正； 另一方面，土體與探頭接觸面積較大，在硬土中測試容易造成貫入阻力超過傳感器量程。因此，球形貫入儀適用于測試不排水剪切強(qiáng)度為0.5～5 kPa的軟土。

3.3 十字板剪切儀強(qiáng)度測試區(qū)間

十字板剪切儀基于剪切柱體理論進(jìn)行軟土不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)估，既不能測試強(qiáng)度較低的超軟土也不能測試強(qiáng)度過高的硬塑態(tài)土體。十字板剪切儀沒有孔壓測試功能，在超軟土中測試時(shí)會(huì)引起較大的超孔壓，導(dǎo)致扭矩結(jié)果偏高，進(jìn)而導(dǎo)致測試的不排水剪切強(qiáng)度偏高； 對(duì)于硬塑態(tài)土體，在測試過程中很容易導(dǎo)致十字板剪切儀板頭斷裂。因此，建議其測試土體不排水剪切強(qiáng)度區(qū)間為2～25 kPa。

4 結(jié) 論

基于本文開發(fā)的錐形觸探儀、球形貫入儀和十字板剪切儀集成的原位測試系統(tǒng)，開展了多組土工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作，并結(jié)合離心試驗(yàn)結(jié)果，完善了3種特定儀器對(duì)海底淺表層飽和軟黏土不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)估方法； 進(jìn)一步針對(duì)0.5～25 kPa范圍內(nèi)的深海淺表層沉積物，探討了3種特定儀器適合的強(qiáng)度測試區(qū)間?；诋?dāng)前已開展的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

(1)通過CEL方法和足尺土工模型試驗(yàn)確定了錐形觸探儀的錐尖阻力系數(shù)Nkt，宜取值為9.5。

(2)結(jié)合離心試驗(yàn)確定了球形貫入儀的貫入阻力系數(shù)NBall，宜取值為11.1。

(3)討論了3種測試儀器的強(qiáng)度測試區(qū)間，其中錐形觸探儀適合測試2～20 kPa的軟土，球形貫入儀適合測試0.5～5 kPa的軟土，十字板剪切儀適合測試2～25 kPa的軟土。

(4)探討了錐形觸探儀與球形貫入儀貫入阻力穩(wěn)定后的土體不排水剪切強(qiáng)度評(píng)估方法，對(duì)于在初始貫入階段的不排水剪切強(qiáng)度的評(píng)估，仍需開展深入研究。

致 謝：感謝研究生劉春鵬、張浩、廖鑫昌、王國棟、王技博、安寶豐等在離心試驗(yàn)、足尺土工模型試驗(yàn)等方面提供的幫助。