海洋工程勘察丨如何科学获取岩土工程参数？ - 海底地质勘探工具

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海洋工程地质是随着海洋工程的发展逐步建立起来的，主要研究海洋结构物地基基础勘察、评价、设计、施工和测试。其目的是解决海洋结构物与土相关的工程问题。

海洋结构物所承受的荷载形式与陆上结构物不同，主要表现为波浪、风、地震及其他振动荷载与静力荷载的共同作用。有的动荷载可能比静力荷载影响大得多，各种荷载的不同组合，将导致结构物不同的工作状态。海洋岩土工程必须考虑这些复杂荷载条件下的液(水)-土-结构耦合作用。

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近些年海洋工程项目不断增多，如海上风电、跨海大桥、海底隧道、海洋石油钻井平台、海水发电、围海造陆等，海洋工程逐渐由近海、浅海向远海、深海发展，且工程规模不断增大，因此对海洋岩土勘察测试的要求也在不断提高。

获取土体参数的必要性：

海洋环境恶劣，存在着诸如波浪、台风、地震、海冰、海啸等多种灾害荷载。

海洋结构的地基往往含有不良土层，所以海洋工程结构与相类似的陆地结构易损性或破坏慨率更大。

为海洋工程结构选择良好的场地。

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岩土工程参数确定及合理设计是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高经济效益的关键技术之一。

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海洋工程勘察程序

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完整的岩土工程场地特征描述需要：

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原位测试+室内试验

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为什么要采用静力触探的方式？

与其它非原位测试手段相比，静力触探(CPT)技术以其现场测试无需取样、适合范围广、快速、经济等特点在工程地质综合分析评价中显示了无可比拟的优越性。将CPT 应用到海底土体测试则更能显示出自身的优点，主要表现在以下四大方面：

海底土体一般为新近沉积物，厚度大、饱和松散且容易扰动，钻探、取样等操作对土体产生了扰动，取样后进行现场观测或室内试验已经使土体失水失压，因此无法获得原状土的性质；CPT却因为在海底土体的实际环境中进行测试，可以获得最为真实的土体性质。

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与陆地CPT相似，海底CPT能够比取样操作更加宏观的反映待测区域土体的性质并且测试速度快、效率高，这种优势在进行大范围的海底土体测试时更加明显，如海底电缆和输油管线的路由调查等。

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将CPT探头停留在待测土体中可对海底土体进行长期观测，尤其是测试波浪作用下海底土体的物理力学性质变化，而钻探、取样等操作却无法达到这种长期观测效果。

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采用孔压探头的CPT测试可在海底土体中观测孔隙水消散的过程。

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试验设备

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原位测试

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静力触探试验作为一种原位测试手段，具有轻便、快速、精确、经济和节省人力等特点，被广泛应用于各类工程勘察和岩土工程检测、检测方面。海上静力触探试验主要有：平台式静力触探、近岸式静力触探、海床式静力触探、钻孔式静力触探。海床式静力触探最为便捷、高效，最受欢迎。

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SHARK-200近岸静力触探系统

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该静力触探系统（水下自由升降装置），它能够执行高精度的不受海洋环境反复影响的CPT(U)静力触探试验。

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SHARK系统主要适用于近岸和近海CPT项目。探测的水深从2到30米。非常适合应用于港口、航道、海峡项目等。

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SHARK系统操作相当简便，在一般的海事运载工具上都能运用。如果运载工具上没有足够的月池可用，设置在驳船一侧的悬臂框架也能安装SHARK系统。

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MANTA-200海床静力触探系统

MANTA海床静力触探(CPT)系统为Geomil开发的快速、精确测试离岸海底土质条件的最新一代静力触探（CPT）系统。

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MANTA可以在500米以上水深的近岸环境中使用，最大可以在4000米水深的离岸环境中使用。可以安装在驳船或平台上，设计灵活，功能强大。

ORCA孔下静力触探及取样系统

Geomil开发了一种“近岸可伸缩连续钻进装置”简称“ORCA”系统。该系统包括一套测井电缆(WL)工具和它们的甲板支撑装置（船或平台）。

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简而言之，ORCA系统主要是从钻孔底部获取岩土工程数据。经过岩土测试和取样，钻探继续前进，ORCA装置随之循环采集数据，直到最终钻探深度为止。

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目前标准版的ORCA系统设计深度可达500米，能够与GEOBORE-S钻杆或类似型号的钻杆配合使用，同时本系统也适应其它型号钻杆（如BL PQ - API 6 5/8）的要求。

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海床取样和室内土工试验

海洋土的物理、力学性质与陆地上的可能存在显著差异。因此海洋土进行土力学实验时，必须考虑这些差异对实验结果的影响。例如，海洋土中含有机物和盐分，测量土比重时必须考虑其影响；海底土被取出时，由于压力的减小，内部空气扩散出来，从而使饱和度测量不准确，诸多因素都影响了土的物理、力学指标的测定。

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海床取样

用于输油管道和电缆路线的勘察，一般贯入到海床以下3-5m

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可以用于最大20-30m的软粘土

可以使用一些价格便宜的船舶

海床取样方法：抓斗式取芯器、取芯箱、振动取芯器、重力取芯器、固定式活塞取样器。

抓斗式取芯器

贯入深度约为0.5m，在需要大量的土样时，特别是砂土样，非常有用。

箱式取芯器

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可以获取海床顶部非常好的粘土试样，是精确获取顶部0.5m土层信息最好的工具。

采用微型贯入仪对箱式取芯器取芯箱试样进行测试，最好是在甲板上立即对土样进行测试。

振动取芯器

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一般贯入深度：3-6m

试样直径：75-100mm

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砂土取样最好的方法，重力取样器无法贯入，且试样是被充分扰动的

简单重力取芯

由于内部摩擦力和堵塞，芯样的长度最大为3-6m，取芯率很低。

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活塞取芯器

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活塞固定在绳缆上连接到船上，可以控制多个角度，但是总有一些细微的小移动造成芯样缩短以及低取芯率。一般长度6-10m(取决于船和吊车的能力)，且可以获取很长的芯样。

缺点是取芯质量和取芯率相对较低。

钻孔取样

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对于软粘土，薄壁活塞取芯器是最合适的。如果粘土硬度较大，可能需要换成贯入式取样器。

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室内试验

室内试验是海上勘察的一部分，过程中的每一步都很重要。 9 d; z( b6 _& t4 n: A

海上室内试验

在甲板上评价测试结果对于总结土体状态是很重要的，目的有以下几点：

对于土体地层情况有个初步的印象，得到土体状态的第一手资料；

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如果需要进行循环试验，评价软弱土层中是够可以获取足够数量的试样非常重要；

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评价获取的试样是否质量足够好；

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评价是否进行了足够数量的钻孔取样；

制定陆地室内实验的基础。

在海上可以做的试验有：一些土质分类测试、试样描述及指数强度试验。在陆地上可以做所有的试验。 9 @. S" i! y6 p' C) f( z2 y

海上室内试验的标准试验类型：

试样挤出试验

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试样描述(岩土工程描述和地质描述)

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试样拍照

含水量

土体单位重量

抗剪强度指标测试(目的是快速得到不排水抗剪强度)

落锥试验

微型贯入仪电动十字板

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不排水不固结三轴试验(UU)

陆地室内试验

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管道和输电线缆项目的室内试验

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需要测试3m以上土的参数

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土质分类及强度指标实验是最重要的

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对于某些特殊目的例如碎石支撑土等，需要通过三轴试验和直剪试验测定土体的强度

有时需要对一些填土进行热力学参数测试

自升式平台项目的室内试验

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需要土体强度参数用于贯入腿分析，通过分析确定持力层非常重要

土质分类测试

强度指数测试，包括UU三轴试验

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砂土中排水三轴试验

导管架平台项目的室内试验

需要测得桩基础底部以下5m深度的土体参数

通过UU三轴试验结果的经验关系得到桩基承载力；对于粘土层一般做UU，对于砂土层一般做排水三轴试验。除此之外，要做一些固结试验用来评价应力历史以及一些土质分类试验用于划分土层。

侧向桩基承载力的一些新的方法也需要suDSS作为输入。

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海底建筑的土工试验

需要测得挡板深度+一倍直径的深度范围内土体参数

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土质划分试验

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三轴剪切压缩及伸长试验，以及直剪试验

通常不需要循环试验

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一些基础解决方案

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通常室内试验需要覆盖以下内容：

一般的土体剖面；

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原位应力及应力历史；

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土体强度；

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大水平荷载引起的刚度；

由于浪荷载及旋转风叶上产生荷载造成的循环强度。

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制定单桩基础室内试验计划时需要考虑：

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取样深度应为基础深度+5m；

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CPT应该被用来识别软弱土层，这些土层需要进行特殊的室内试验；

对于水平刚度和循环荷载的效应，最上面的10m是最重要的；

循环荷载室内试验需要很多优质的试样，确保采集足够多的试样，并正确地进行处理后再带到陆地实验室内。

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试验设备

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室内试验

在所有室内试验中，最重要的是尽可能准确地重现现场荷载条件。这就要求模拟现场的各向异性、应变速率和排水条件、应力状态。

共振柱

GDS共振柱测试系统RCA

共振柱试验是利用特制的装置对一个圆柱形土样进行激振，使之产生水平扭剪或垂直振动，并达到第一振型的共振。在此条件下，测求其共振频率及振幅值，并根据弹性理论关系进一步计算剪切波速、剪切刚度（模量）及相应的剪应变幅值等。试样的阻尼特性也可根据在此试样中的自由振动衰减曲线或强迫振动共振曲线求算出来。它的优越性特别表现在小应变的条件下进行试验以及具有可逆性和重复性等。共振柱试验的专用工具就是共振柱试验机。GDS共振柱测试系统是在实心或空心圆柱形土样的底端施加一个振动激励。通过一个电磁驱动系统产生一个扭转或纵向激励。通过测量自由端的运动、波速和材料的阻尼确定频率。剪切模量通过获得的速度和试样的密度可以计算出来。 / j+ y2 \+ ^( G6 ]

动单剪

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GDS伺服电机控制的动态循环单剪试验系统EMDCSS

EMDCSS电机控制的动态循环单剪设备可以很好地研究土的动态特性，因为它简易而且可以模拟现场的许多加载条件，而这些特点是其它实验室设备所无法达到的。EMDCSS设备可以让主应力的方向平稳和连续地旋转90度。模拟主应力旋转的能力可以适合研究许多岩土问题，包括地震荷载。该单剪试验系统可以直接研究排水和不排水条件下的剪切应力和剪切应变的关系，也可以用于海底结构，滑坡和地震性能研究的常规试验。 + i$ H" v" K" S

单剪条件下剪切应力（kPa）和剪切应变（%）曲线图以及试样变形示意图

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GDS多向动态循环单剪系统VDDCSS

VDDCSS允许两个方向进行简单剪切，而不是标准单向。这通过具有作用于其上的次级剪切作动器来实现，此剪切作动器与主剪切作动器相差90度。当用作变向系统时，次剪切轴可以独立于主剪切轴或与其一起使用，因此可以在任何水平方向上执行简单的剪切。近似于海上结构可能由于风和波浪载荷组合形成的复杂载荷模式。

GDS多维复合动态循环单剪实验系统MDDCSS

MDDCSS是升级版的VDCSS系统，经过特殊设计改造，能完成VDCSS所有实验，同时可以施加反压，能够直接测得实验过程中的孔隙水压力变化。更为贴近实际，其应用包括各种海上基础设施，附属风力发电机和石油钻机。MDDCSS还可以模拟在一个方向上偏移并在另一个方向上加荷的情况。

应力路径三轴

GDS标准应力路径静三轴仪试验系统STDTTS

STDTTS是完全自动的高级应力路径三轴试验系统，可完成饱和/B检测/固结测、UU/CU/CD标准三轴测试、P-Q、s-t标准应力路径测试、K0固结测试、高级加载（自定义应力路径）测试，并可升级到4维非饱和土三轴测试。

总结

海洋工程与陆地工程在基础设计与环境荷载存在差异，需要考虑波浪及风荷载对基础的影响，土的各向异性，剪切模量与阻尼比。目前试验仍然存在模拟缺陷，现场测试与室内试验测试技术仍在不断的发展完善。

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参考文献：Tom Lunne，NGI. Offshore sampling, laboratory testing and evaluation of data. Planning of onshore lab testing.2019海洋静力触探及岩土工程测试技术研讨会.

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