全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

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在海洋中,水深范围在6000~11000的海域,被科学家称为“海斗深渊”(Hadal Trench),是地球上最深的海洋区域。该区域主要分布在大陆边缘,由海沟组成,虽然只占全球海底面积的1%~2%,但是垂直深度占海洋全深度的45%,在海洋生态系统中具有重要意义。目前,深渊研究已成为海洋研究最新的前沿领域,这同时也标志着海洋科学已经进入全海深科考时代。众多以海底土体为基础的海洋工程应运而生,准确获取海底沉积物的力学特性对于深海科学研究、资源能源开发工程活动、海洋安全国防工程及军事工程极其重要。

深海底沉积物多是细小颗粒物质经长时间沉积但未固结的松软沉积物。深海海底浅层沉积物以饱和软土为主,颗粒组分主体<0.001mm,具有高塑性、高含水量、高灵敏度、低容重、低抗剪强度等特点。常规取样对其扰动大,带回实验室后无法精准获得沉积物的力学特性。因此,为了准确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应用越来越广泛。

全海深海底沉积物力学特性原位测试技术
全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

一、沉积物力学特性原位测试方法

全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

原位测试因其是在沉积物处于天然状态下进行测试,对土层扰动小,测试结果准确等特点,近年来被广泛应用于获取海底沉积物力学特性,并服务于海洋岩土工程。常见的海底沉积物力学特性原位测试方法有:静力触探测试、全流动贯入测试和十字板剪切测试等。

⒈静力触探测试

静力触探测试(CPT)主要是通过液压贯入将探头和探杆贯入土中,获取贯入过程中孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩阻力等随深度的变化曲线,具有连续、快速、无需取样、适用范围广等特点,在海底工程地质综合评析中有着无可比拟的优越性。目前许多国家已经将其列为海洋工程地质调查研究中的重要项目。

西方国家最早在20世纪60年代开始海底土体静力触探相关试验,之后由于技术迅速发展,静力触探设备不断改进,目前已实现了商品化,并且配有标准的操作规程和测试数据解译规范。荷兰辉固公司于1965年研制了世界上首台自升式平台水域CPT,命名为Seabull,该设备触探深度5m。在此基础上设备不断突破改进,目前国际上知名的CPT系统有:荷兰辉固公司的Seacalf海床式CPT,触探深度30m,工作水深600m;荷兰Geomail公司研发的Manta系列CPT(图1a),目前最大工作水深达1200m;英国Datem公司开发的Neptune 3000系列产品目前工作水深可达3000m,贯入深度20m,能够实现连续贯入;荷兰范登堡公司相继开发了Roson系列海床式CPT(图1b),该系列产品作业水深达到4000m,贯入深度38m。

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a)海床静力触探系统Manta;(b)海床式静力触探系统Roson;(c)滩浅海静力触探系统CPTss;(d)水下海床式静力触探系统PeneVector 

1 国内外知名的CPT系统

中国对海底静力触探试验装备的研制较晚,目前仍处于起步阶段。1973年,中国科学院海洋研究所研制了国内首个海底CPT系统,该设备贯入深度只有7m,适用于浅层淤泥质地层。1994年,地质矿产部海洋地质研究所研制了集合钻探和触探的船载式CPT,该设备测试水深达15m,贯入深度达30m。2005年,中国吉林大学研制的CPT测试系统,最大工作水深55m。2008年,广州海洋地质调研局研制的由液压驱动的CPT系统,可实现一次触探多回次贯入,最大工作水深100m。2014年,山东省海洋环境地质工程重点实验室研制了适用于浅海的CPTss系统(图1c),最大贯入深度10m。2015年,武汉磐索地勘科技有限公司研发了PeneVector型海床式CPT(图1d),系统适水深度200m,在东湖和南海海域完成了数十个孔位的海上试验。

⒉十字板剪切测试

十字板剪切测试(VST)由于不需要从海底取样从而避免了对土体的扰动,被应用于原位测试海底沉积物抗剪强度。测试原理主要是将标准形状和尺寸的十字板插入海底钻孔内,施加一定速率的扭矩,使得土体匀速扭转变形形成圆柱状破坏面。土剪切破坏时最大的扭矩,即为土在天然状态下的不固结不排水抗剪强度。

海上原位十字板剪切最初是由瑞典人于1919年提出,英国Skempton等结合摩尔-库伦准则对此理论进行完善。20世纪40年代该方法得到巨大发展,并广泛应用于海洋工程地质勘察中。中国十字板剪切测试是由南京水利科学院在20世纪50年代引进,最初只应用于沿海省份和河流冲积平原软黏土地区。随着技术和设备的不断改进,目前也逐渐开始应用到海洋工程地质勘查中。

中国海洋石油勘探开发项目部在南海1021m水深处对钻孔内土体进行了十字板剪切试验,获得海底沉积物的原位抗剪强度。长沙矿山研究院有限责任公司利用自主研制的十字板剪切仪,分别搭载集矿机和“蛟龙号”在太平洋海盆西部水深5000m左右处以及马里亚纳海沟处进行了测试。

⒊全流动贯入测试

由于传统贯入试验采用的锥形探头在贯入海底超软土时会形成超孔隙水压力集中现象,无法精准测定海底软土的不排水抗剪强度。西澳大学Randolph等提出通过增大探头接触面积,使得探头在贯入过程中土体达到全流动状态,避免应力集中现象,基于此想法,全流动贯入测试(FFPT)被设计并研发出来。

最初全流动贯入仪仅有T型全流动触探仪(T-bar)一种,20世纪90年代,Stewart等在静力触探试验和十字板剪切试验的基础上设计了第1个T-bar并将其用于室内离心机试验。在微型T-bar的基础上,Randolph和Kelleher等提出了球型全流动贯入仪(Ball-bar)。在此之后,全流动贯入仪被用于海岸工程测试,但始终没有一套规范的测试规程。国际上目前推动此项工作的主要是西澳大学海洋基础系统中心(COFS)和挪威土工研究所(NGI)。国内大连理工大学研制了一种适用于测试海底泥流剪切强度的全流动贯入仪,并将其应用于模拟细粒土海底滑坡形成的海底泥流的循环强度测试中,取得了较好的效果。目前全流动贯入仪被广泛地应用于离心模型试验和工程现场(图2)。

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2 T-bar施工过程电脑模拟(a)和甲板工作照片(b)

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二、沉积物力学特性原位测试影响因素

全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

由于海洋环境和海底工程地质条件的复杂多变性,在实际进行沉积物力学特性原位测试时,会受到水深、底质类型以及测试结果解析方法等影响。深入了解这些因素有助于获得更为准确的测试结果。

⒈水深

目前沉积物力学特性原位测试设备工作水深普遍小于4000m,距离全海深的沉积物力学特性原位测试还具有相当大的差距。水深每增加100m压力相应上升1MPa,深渊地区水深经常达到万米级,压力高达100MPa。海底表面沉积物的强度常是1~5KPa。将现有原位测试设备直接应用于海斗深渊沉积物力学特性测试,传感器精度有待进一步提高。

目前国内外海底沉积物力学性质测试设备普遍选用压阻式传感器和电容式传感器,其具有频率响应高、稳定性好、体积小、精度高,易于小型化与微型化等优点。然而,压阻式传感器大多采用扩散硅工艺技术,具有半导体易受温度影响的特性,不宜在海底温度复杂的环境下使用;电容式传感器抗电磁干扰能力较差,无法在恶劣环境下长期安全可靠工作,测量信号远距离传输困难。在深海环境下,传感器的存活、正常工作都无法保证。

作为一种新兴传感技术,近年来光纤传感技术被广泛应用于岩土工程监测。与传统传感器相比,光纤传感器抗外界干扰能力强,具有本征安全、耐腐烛、抗干扰、易于复用等优点,在海洋领域有着不可比拟的优势。目前,光纤传感技术主要是被应用于海防和海底地质勘探的光纤水听器、海底能源勘探安全监测的光纤气体传感器、海底光电缆监测检测的分布式光纤传感器等,应用于海底沉积物力学性质探测的光纤传感器开发较少。

⒉底质类型

海底沉积物按分布水深的不同可以分为滨海、浅海、半深海、深海沉积物,按粒度成分可分为砂砾、粗砂、中砂、细砂、粉砂、砂质黏土、黏土等,类型众多(图3),强度不均匀,而每一种强度的沉积物都有相适应的原位测试方法。

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3 南海海底沉积物类型图

静力触探探头普遍为圆锥形,锥头顶角60°,底面积1~15cm2不等。对砂层、粉土等坚硬土层,静力触探可以实现精准测量,但由于探头直径小、量程高,当沉积物为软土时,静力触探难以精确施测。十字板剪切仪采用十字板探头,可以被用来测试饱和软黏土的抗剪强度,由于测试原理的限制,测试结果虽不能完全反应土的真实值,但是可以作为土的强度的一个参考。全流动贯入仪采用T型和球型探头,当探头贯入到一定深度后,周围土体将发生全流动破坏,能较为精准地测量海底表层超软土的力学特性。Loe等应用T-bar和Ball -bar对软黏土工程性质进行评价,通过对试验结果的理论分析验证了全流动贯入仪在测定超软土的可靠性。总的来说,在具体进行测试时,优先选用静力触探,初步获取土层性质。若土层为强度较高的粉土或砂土时,继续选用静力触探进行施测;若土层强度较低,为饱和软黏土时,则可选用十字板剪切和全流动贯入方法。

此外,当选取合适的测试方法后,由于原位测试是通过探头完成的,探头形状及尺寸的标准化与科学化对测试成果的应用、交流和对比也有重要意义(图4)。探头与探杆之间的连接方式对于测试结果也有一定影响。若探杆外径比探头底面直径小,探头贯入后在孔壁与探头之间会形成空隙,破坏后的土体能沿空隙向上挤出,使所测阻力值偏小。若探杆外径大于探头底面直径,则会使贯入阻力偏大。当探杆直径与探头截面积不同时,探头测得的贯入阻力值差10%~20%。虽然国内外的标准不统一,但目前探杆直径与探头截面积是朝着同径方向发展。

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4 (a)不同探杆尺寸对探头周围孔压的影响;(b)不同沉积物强度对探头周围孔压的影响

⒊解析方法

不同于室内土工实验,海底沉积物力学特性的原位测试无法直接得到工程所需的沉积物物理和力学指标,需对原位测试结果进行解析,建立其与土力学性质间的联系。受原位测试的环境、方法、土性等影响,参照国外建立的经验公式常表现出很大的误差与局限性。因此,亟待完善有关海底沉积物测试的解析理论,并依托我国海洋地质条件,建立适用于我国的海底沉积物土力学性质评价方法。

目前静力触探技术发展已经比较成熟,已具备标准的操作规程和规范、经验公式和理论解。十字板剪切测试假定测试过程中十字板各侧面以及上下端剪应力均匀分布,但在实际操作中由于受风浪、海流、水深等影响,在剪切破坏时,圆柱体的侧面和上下面土的抗剪强度并不相同。现有解析公式无法考虑探头贯入造成的土体扰动以及扭转速率对剪切强度解析精确性的影响。全流动贯入测试能够准确测试软土的强度,但也存在一定不足。如图5所示,当探头贯入到一定深度后,周围土体将发生全流动破坏,能较为精准的测量海底表层超软土的力学特性。目前针对这种深层破坏模式,Randolph和Dejong等利用以往全流动贯入仪测试结果,通过有限元分析,建立了全流动贯入仪的规范做法以及贯入阻力与剪切强度之间严格的理论解。但对于表层贯入过程,准确的解析方法尚有待进一步研究确定。

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a)浅层破坏过程;(b)深层破坏过程

5 全流动贯入过程土体破坏过程示意图

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三、全海深海洋探索技术——深海着陆器

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人类对于利用载人潜水器、无人潜水器等对深海进行了探索,人类对于海洋的探索从未停止,借助于科学技术的进步,利用“蛟龙”号等窥探了海底,但是使用成本高。把现有的力学测试设备利用潜水器放到海斗深渊测试成本比较高。

⒈深海着陆器分类

与传统载人或无人潜水器相比,深海着陆器(Hadal Lander)因其结构简单、使用方便、成本低以及具备长时连续探测等优势,在深渊研究中受到了高度重视。深海着陆器按其与科考母船之间的关系,大体分为带缆式、自主带缆式及自主式深海着陆器3类。带缆式深海着陆器,是将着陆器与母船之间用缆绳连接,这就导致了着陆器在海底工作多久母船就需要在现场等多久。自主带缆式深海着陆器,是将浮球固定于缆绳上,可实现同时测量不同深度的数据,但很容易受洋流影响。自主式深海着陆器,是通过压载释放系统自主下潜和上浮,作业时着陆器可独立于母船,不受母船停留时间和海况影响。由于自主式深海着陆器经济、灵活的特点,自20世纪70年代起,广泛被应用于探索深海海底生物、地质、化学、环境及生态资源等。

⒉国际深海着陆器技术

国际上关于深海着陆器的研究起源于20世纪50年代由丹麦和苏联科学家组织的研究。在此之后,多个国家也投入到相关研究并取得显著成果。2006年,英国阿丁堡大学和日本东京大学合作启动了HADEEP研究计划。该项计划研发了2台深海着陆器,并在太平洋内多个海沟进行了应用,首次拍摄到深渊特有鱼类的视频影像资料,并捕捉到深渊底栖生物。2012年,美国导演卡梅隆搭乘“Deepsea Challenger”载人潜水器,成功潜入马里亚纳海沟挑战者深渊底部(水深10994m),同时使用了2台深海着陆器协同作业。2014年,美国国家科学基金会支持的“HADES”计划,组织了克马德克海沟和马里亚纳海沟的深渊科考航次,使用的装备中包括2台深海着陆器。

⒊中国深海着陆器技术

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a)天涯号;(b)海角号;(c)原位试验号;(d)彩虹鱼号

6 中国自主研制的万米级深海着陆器

我国深海研究虽起步较晚,但科学家们奋起直追并取得骄人成绩。中国科学院沈阳自动化研究所与中国科学院深海科学与工程研究所,联合研制了7000m深海着陆器“天涯”号与“海角号”,成功实施海底生物、化学、地质观测与样品采集(图6)。面向深渊科学近海底长时探测与采样应用需求,中科院三亚深海科学与工程研究所研制的“原位试验号”深海着陆器突破万米级水深,并在马里亚纳海沟进行海底调查取样,获得大量水体、沉积物和生物样品。上海海洋大学深渊科学技术研究中心研制的“彩虹鱼”万米级深海着陆器,成功进行万米海试并获得了马里亚纳海沟万米深渊的生物、微生物及海水样本和影像资料。

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四、总结与展望

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综上所述,目前深海着陆器技术能够实现搭载沉积物力学特性原位测试设备进行全海深作业,并能获取沉积物样品以及海底水样、生物样品。但已有的海底沉积物力学特性原位测试设备目前工作水深普遍<4000m,对于万米水深表层沉积物力学特性的精准测试还有一定差距。为实现全海深海底沉积物力学性质原位精准测试,需要突破以下技术难题:

⑴深海底表层沉积物主要由软泥组成,强度低、抗扰动能力差,减小测试装置在着陆与施测过程中对沉积物的扰动,对于提高测试结果的准确性至关重要。

⑵水深每增加100m压力相应上升1MPa,万米水深压力高达100MPa。而海底表面沉积物的强度常是1~5KPa,如何在如此高的背景压力下,精准辨析出探头量测阻力的微小变化,需要传感器精度上创新提升。

⑶深海海底沉积物广泛分布,类型多变,强度不均匀。已有海底沉积物力学特性原位测试设备采用的锥型探头、十字板探头、球型探头各有适用的工况。因此,需要将测试探头结构形式进一步优化,并在实际施测过程中根据沉积物具体性质选用合适的探头,进行智能施测。

⑷海底沉积物力学特性的原位测试结果均需要通过进一步解析来获得沉积物剪切强度。受原位测试的环境、方法、土性等影响,目前使用的参照国外建立的经验解析公式具有很大的误差与局限性,需要根据现场测试结果,有针对性的建立适用于我国的原位测试结果与沉积物剪切强度间的定量关系。

⑸海斗深渊的最大水深近11000m,在水深如此大的地方,如何利用现有着陆器技术搭载力学测量设备,实现沉积物力学特性原位测试装置的平稳着陆、可控回收及精准测量,也是需要解决的技术难题。

原文始发于微信公众号(溪流之海洋人生):海洋地质▏全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

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