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海洋地質-全海深海底沉積物力學特性原位測試技術

2019-04-25 10:47作者:張紅等

在海洋中,水深范圍在6000~11000的海域,被科學家稱為“海斗深淵”(Hadal Trench),是地球上最深的海洋區域。該區域主要分布在大陸邊緣,由海溝組成,雖然只占全球海底面積的1%~2%,但是垂直深度占海洋全深度的45%,在海洋生態系統中具有重要意義。目前,深淵研究已成為海洋研究最新的前沿領域,這同時也標志著海洋科學已經進入全海深科考時代。眾多以海底土體為基礎的海洋工程應運而生,準確獲取海底沉積物的力學特性對于深海科學研究、資源能源開發工程活動、海洋安全國防工程及軍事工程極其重要。

深海底沉積物多是細小顆粒物質經長時間沉積但未固結的松軟沉積物。深海海底淺層沉積物以飽和軟土為主,顆粒組分主體<0.001mm,具有高塑性、高含水量、高靈敏度、低容重、低抗剪強度等特點。常規取樣對其擾動大,帶回實驗室后無法精準獲得沉積物的力學特性。因此,為了準確掌握海底土體的相關特性,海洋土體原位測試在海洋地質調查和海洋工程勘察中應用越來越廣泛。

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一、沉積物力學特性原位測試方法

原位測試因其是在沉積物處于天然狀態下進行測試,對土層擾動小,測試結果準確等特點,近年來被廣泛應用于獲取海底沉積物力學特性,并服務于海洋巖土工程。常見的海底沉積物力學特性原位測試方法有:靜力觸探測試、全流動貫入測試和十字板剪切測試等。

⒈靜力觸探測試

靜力觸探測試(CPT)主要是通過液壓貫入將探頭和探桿貫入土中,獲取貫入過程中孔隙水壓力、錐尖阻力和側壁摩阻力等隨深度的變化曲線,具有連續、快速、無需取樣、適用范圍廣等特點,在海底工程地質綜合評析中有著無可比擬的優越性。目前許多國家已經將其列為海洋工程地質調查研究中的重要項目。

西方國家最早在20世紀60年代開始海底土體靜力觸探相關試驗,之后由于技術迅速發展,靜力觸探設備不斷改進,目前已實現了商品化,并且配有標準的操作規程和測試數據解譯規范。荷蘭輝固公司于1965年研制了世界上首臺自升式平臺水域CPT,命名為Seabull,該設備觸探深度5m。在此基礎上設備不斷突破改進,目前國際上知名的CPT系統有:荷蘭輝固公司的Seacalf海床式CPT,觸探深度30m,工作水深600m;荷蘭Geomail公司研發的Manta系列CPT(圖1a),目前最大工作水深達1200m;英國Datem公司開發的Neptune 3000系列產品目前工作水深可達3000m,貫入深度20m,能夠實現連續貫入;荷蘭范登堡公司相繼開發了Roson系列海床式CPT(圖1b),該系列產品作業水深達到4000m,貫入深度38m。

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(a)海床靜力觸探系統Manta;(b)海床式靜力觸探系統Roson;(c)灘淺海靜力觸探系統CPTss;(d)水下海床式靜力觸探系統PeneVector

圖1 國內外知名的CPT系統

中國對海底靜力觸探試驗裝備的研制較晚,目前仍處于起步階段。1973年,中國科學院海洋研究所研制了國內首個海底CPT系統,該設備貫入深度只有7m,適用于淺層淤泥質地層。1994年,地質礦產部海洋地質研究所研制了集合鉆探和觸探的船載式CPT,該設備測試水深達15m,貫入深度達30m。2005年,中國吉林大學研制的CPT測試系統,最大工作水深55m。2008年,廣州海洋地質調研局研制的由液壓驅動的CPT系統,可實現一次觸探多回次貫入,最大工作水深100m。2014年,山東省海洋環境地質工程重點實驗室研制了適用于淺海的CPTss系統(圖1c),最大貫入深度10m。2015年,武漢磐索地勘科技有限公司研發了PeneVector型海床式CPT(圖1d),系統適水深度200m,在東湖和南海海域完成了數十個孔位的海上試驗。

⒉十字板剪切測試

十字板剪切測試(VST)由于不需要從海底取樣從而避免了對土體的擾動,被應用于原位測試海底沉積物抗剪強度。測試原理主要是將標準形狀和尺寸的十字板插入海底鉆孔內,施加一定速率的扭矩,使得土體勻速扭轉變形形成圓柱狀破壞面。土剪切破壞時最大的扭矩,即為土在天然狀態下的不固結不排水抗剪強度。

海上原位十字板剪切最初是由瑞典人于1919年提出,英國Skempton等結合摩爾-庫倫準則對此理論進行完善。20世紀40年代該方法得到巨大發展,并廣泛應用于海洋工程地質勘察中。中國十字板剪切測試是由南京水利科學院在20世紀50年代引進,最初只應用于沿海省份和河流沖積平原軟黏土地區。隨著技術和設備的不斷改進,目前也逐漸開始應用到海洋工程地質勘查中。

中國海洋石油勘探開發項目部在南海1021m水深處對鉆孔內土體進行了十字板剪切試驗,獲得海底沉積物的原位抗剪強度。長沙礦山研究院有限責任公司利用自主研制的十字板剪切儀,分別搭載集礦機和“蛟龍號”在太平洋海盆西部水深5000m左右處以及馬里亞納海溝處進行了測試。

⒊全流動貫入測試

由于傳統貫入試驗采用的錐形探頭在貫入海底超軟土時會形成超孔隙水壓力集中現象,無法精準測定海底軟土的不排水抗剪強度。西澳大學Randolph等提出通過增大探頭接觸面積,使得探頭在貫入過程中土體達到全流動狀態,避免應力集中現象,基于此想法,全流動貫入測試(FFPT)被設計并研發出來。

最初全流動貫入儀僅有T型全流動觸探儀(T-bar)一種,20世紀90年代,Stewart等在靜力觸探試驗和十字板剪切試驗的基礎上設計了第1個T-bar并將其用于室內離心機試驗。在微型T-bar的基礎上,Randolph和Kelleher等提出了球型全流動貫入儀(Ball-bar)。在此之后,全流動貫入儀被用于海岸工程測試,但始終沒有一套規范的測試規程。國際上目前推動此項工作的主要是西澳大學海洋基礎系統中心(COFS)和挪威土工研究所(NGI)。國內大連理工大學研制了一種適用于測試海底泥流剪切強度的全流動貫入儀,并將其應用于模擬細粒土海底滑坡形成的海底泥流的循環強度測試中,取得了較好的效果。目前全流動貫入儀被廣泛地應用于離心模型試驗和工程現場(圖2)。

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圖2 T-bar施工過程電腦模擬(a)和甲板工作照片(b)


二、沉積物力學特性原位測試影響因素

由于海洋環境和海底工程地質條件的復雜多變性,在實際進行沉積物力學特性原位測試時,會受到水深、底質類型以及測試結果解析方法等影響。深入了解這些因素有助于獲得更為準確的測試結果。

⒈水深

目前沉積物力學特性原位測試設備工作水深普遍小于4000m,距離全海深的沉積物力學特性原位測試還具有相當大的差距。水深每增加100m壓力相應上升1MPa,深淵地區水深經常達到萬米級,壓力高達100MPa。海底表面沉積物的強度常是1~5KPa。將現有原位測試設備直接應用于海斗深淵沉積物力學特性測試,傳感器精度有待進一步提高。

目前國內外海底沉積物力學性質測試設備普遍選用壓阻式傳感器和電容式傳感器,其具有頻率響應高、穩定性好、體積小、精度高,易于小型化與微型化等優點。然而,壓阻式傳感器大多采用擴散硅工藝技術,具有半導體易受溫度影響的特性,不宜在海底溫度復雜的環境下使用;電容式傳感器抗電磁干擾能力較差,無法在惡劣環境下長期安全可靠工作,測量信號遠距離傳輸困難。在深海環境下,傳感器的存活、正常工作都無法保證。

作為一種新興傳感技術,近年來光纖傳感技術被廣泛應用于巖土工程監測。與傳統傳感器相比,光纖傳感器抗外界干擾能力強,具有本征安全、耐腐燭、抗干擾、易于復用等優點,在海洋領域有著不可比擬的優勢。目前,光纖傳感技術主要是被應用于海防和海底地質勘探的光纖水聽器、海底能源勘探安全監測的光纖氣體傳感器、海底光電纜監測檢測的分布式光纖傳感器等,應用于海底沉積物力學性質探測的光纖傳感器開發較少。

⒉底質類型

海底沉積物按分布水深的不同可以分為濱海、淺海、半深海、深海沉積物,按粒度成分可分為砂礫、粗砂、中砂、細砂、粉砂、砂質黏土、黏土等,類型眾多(圖3),強度不均勻,而每一種強度的沉積物都有相適應的原位測試方法。

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圖3 南海海底沉積物類型圖

靜力觸探探頭普遍為圓錐形,錐頭頂角60°,底面積1~15cm2不等。對砂層、粉土等堅硬土層,靜力觸探可以實現精準測量,但由于探頭直徑小、量程高,當沉積物為軟土時,靜力觸探難以精確施測。十字板剪切儀采用十字板探頭,可以被用來測試飽和軟黏土的抗剪強度,由于測試原理的限制,測試結果雖不能完全反應土的真實值,但是可以作為土的強度的一個參考。全流動貫入儀采用T型和球型探頭,當探頭貫入到一定深度后,周圍土體將發生全流動破壞,能較為精準地測量海底表層超軟土的力學特性。Loe等應用T-bar和Ball -bar對軟黏土工程性質進行評價,通過對試驗結果的理論分析驗證了全流動貫入儀在測定超軟土的可靠性。總的來說,在具體進行測試時,優先選用靜力觸探,初步獲取土層性質。若土層為強度較高的粉土或砂土時,繼續選用靜力觸探進行施測;若土層強度較低,為飽和軟黏土時,則可選用十字板剪切和全流動貫入方法。

此外,當選取合適的測試方法后,由于原位測試是通過探頭完成的,探頭形狀及尺寸的標準化與科學化對測試成果的應用、交流和對比也有重要意義(圖4)。探頭與探桿之間的連接方式對于測試結果也有一定影響。若探桿外徑比探頭底面直徑小,探頭貫入后在孔壁與探頭之間會形成空隙,破壞后的土體能沿空隙向上擠出,使所測阻力值偏小。若探桿外徑大于探頭底面直徑,則會使貫入阻力偏大。當探桿直徑與探頭截面積不同時,探頭測得的貫入阻力值差10%~20%。雖然國內外的標準不統一,但目前探桿直徑與探頭截面積是朝著同徑方向發展。

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圖4 (a)不同探桿尺寸對探頭周圍孔壓的影響;(b)不同沉積物強度對探頭周圍孔壓的影響

⒊解析方法

不同于室內土工實驗,海底沉積物力學特性的原位測試無法直接得到工程所需的沉積物物理和力學指標,需對原位測試結果進行解析,建立其與土力學性質間的聯系。受原位測試的環境、方法、土性等影響,參照國外建立的經驗公式常表現出很大的誤差與局限性。因此,亟待完善有關海底沉積物測試的解析理論,并依托我國海洋地質條件,建立適用于我國的海底沉積物土力學性質評價方法。

目前靜力觸探技術發展已經比較成熟,已具備標準的操作規程和規范、經驗公式和理論解。十字板剪切測試假定測試過程中十字板各側面以及上下端剪應力均勻分布,但在實際操作中由于受風浪、海流、水深等影響,在剪切破壞時,圓柱體的側面和上下面土的抗剪強度并不相同。現有解析公式無法考慮探頭貫入造成的土體擾動以及扭轉速率對剪切強度解析精確性的影響。全流動貫入測試能夠準確測試軟土的強度,但也存在一定不足。如圖5所示,當探頭貫入到一定深度后,周圍土體將發生全流動破壞,能較為精準的測量海底表層超軟土的力學特性。目前針對這種深層破壞模式,Randolph和Dejong等利用以往全流動貫入儀測試結果,通過有限元分析,建立了全流動貫入儀的規范做法以及貫入阻力與剪切強度之間嚴格的理論解。但對于表層貫入過程,準確的解析方法尚有待進一步研究確定。

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(a)淺層破壞過程;(b)深層破壞過程

圖5 全流動貫入過程土體破壞過程示意圖


三、全海深海洋探索技術——深海著陸器

人類對于利用載人潛水器、無人潛水器等對深海進行了探索,人類對于海洋的探索從未停止,借助于科學技術的進步,利用“蛟龍”號等窺探了海底,但是使用成本高。把現有的力學測試設備利用潛水器放到海斗深淵測試成本比較高。

⒈深海著陸器分類

與傳統載人或無人潛水器相比,深海著陸器(Hadal Lander)因其結構簡單、使用方便、成本低以及具備長時連續探測等優勢,在深淵研究中受到了高度重視。深海著陸器按其與科考母船之間的關系,大體分為帶纜式、自主帶纜式及自主式深海著陸器3類。帶纜式深海著陸器,是將著陸器與母船之間用纜繩連接,這就導致了著陸器在海底工作多久母船就需要在現場等多久。自主帶纜式深海著陸器,是將浮球固定于纜繩上,可實現同時測量不同深度的數據,但很容易受洋流影響。自主式深海著陸器,是通過壓載釋放系統自主下潛和上浮,作業時著陸器可獨立于母船,不受母船停留時間和海況影響。由于自主式深海著陸器經濟、靈活的特點,自20世紀70年代起,廣泛被應用于探索深海海底生物、地質、化學、環境及生態資源等。

⒉國際深海著陸器技術

國際上關于深海著陸器的研究起源于20世紀50年代由丹麥和蘇聯科學家組織的研究。在此之后,多個國家也投入到相關研究并取得顯著成果。2006年,英國阿丁堡大學和日本東京大學合作啟動了HADEEP研究計劃。該項計劃研發了2臺深海著陸器,并在太平洋內多個海溝進行了應用,首次拍攝到深淵特有魚類的視頻影像資料,并捕捉到深淵底棲生物。2012年,美國導演卡梅隆搭乘“Deepsea Challenger”載人潛水器,成功潛入馬里亞納海溝挑戰者深淵底部(水深10994m),同時使用了2臺深海著陸器協同作業。2014年,美國國家科學基金會支持的“HADES”計劃,組織了克馬德克海溝和馬里亞納海溝的深淵科考航次,使用的裝備中包括2臺深海著陸器。

⒊中國深海著陸器技術

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(a)天涯號;(b)海角號;(c)原位試驗號;(d)彩虹魚號

圖6 中國自主研制的萬米級深海著陸器

我國深海研究雖起步較晚,但科學家們奮起直追并取得驕人成績。中國科學院沈陽自動化研究所與中國科學院深海科學與工程研究所,聯合研制了7000m深海著陸器“天涯”號與“海角號”,成功實施海底生物、化學、地質觀測與樣品采集(圖6)。面向深淵科學近海底長時探測與采樣應用需求,中科院三亞深海科學與工程研究所研制的“原位試驗號”深海著陸器突破萬米級水深,并在馬里亞納海溝進行海底調查取樣,獲得大量水體、沉積物和生物樣品。上海海洋大學深淵科學技術研究中心研制的“彩虹魚”萬米級深海著陸器,成功進行萬米海試并獲得了馬里亞納海溝萬米深淵的生物、微生物及海水樣本和影像資料。


四、總結與展望

綜上所述,目前深海著陸器技術能夠實現搭載沉積物力學特性原位測試設備進行全海深作業,并能獲取沉積物樣品以及海底水樣、生物樣品。但已有的海底沉積物力學特性原位測試設備目前工作水深普遍<4000m,對于萬米水深表層沉積物力學特性的精準測試還有一定差距。為實現全海深海底沉積物力學性質原位精準測試,需要突破以下技術難題:

⑴深海底表層沉積物主要由軟泥組成,強度低、抗擾動能力差,減小測試裝置在著陸與施測過程中對沉積物的擾動,對于提高測試結果的準確性至關重要。

⑵水深每增加100m壓力相應上升1MPa,萬米水深壓力高達100MPa。而海底表面沉積物的強度常是1~5KPa,如何在如此高的背景壓力下,精準辨析出探頭量測阻力的微小變化,需要傳感器精度上創新提升。

⑶深海海底沉積物廣泛分布,類型多變,強度不均勻。已有海底沉積物力學特性原位測試設備采用的錐型探頭、十字板探頭、球型探頭各有適用的工況。因此,需要將測試探頭結構形式進一步優化,并在實際施測過程中根據沉積物具體性質選用合適的探頭,進行智能施測。

⑷海底沉積物力學特性的原位測試結果均需要通過進一步解析來獲得沉積物剪切強度。受原位測試的環境、方法、土性等影響,目前使用的參照國外建立的經驗解析公式具有很大的誤差與局限性,需要根據現場測試結果,有針對性的建立適用于我國的原位測試結果與沉積物剪切強度間的定量關系。

⑸海斗深淵的最大水深近11000m,在水深如此大的地方,如何利用現有著陸器技術搭載力學測量設備,實現沉積物力學特性原位測試裝置的平穩著陸、可控回收及精準測量,也是需要解決的技術難題。