單紅仙，魏志明，張民生*，賈永剛

(1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

0 引言

自落式貫入測(cè)試技術(shù)(Free-Falling Penetrometer, FFP)是近年發(fā)展的一種測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單的原位測(cè)試技術(shù)[1]，該方法的裝置相對(duì)輕便，可快速進(jìn)行海底沉積物性質(zhì)和海底滑坡的調(diào)查[2-3]。自COLP et al[4]研制了第一種自落式貫入裝置以來(lái)，許多學(xué)者根據(jù)自身研究需求研制了不同重量、形狀及尺寸的貫入裝置[5-6]，探頭采用橢圓形、圓錐形或切線卵形[7-8]；探桿長(zhǎng)度則長(zhǎng)短不一，最大長(zhǎng)度可達(dá)4 m[9]，一些質(zhì)量較小的貫入儀則省略探桿，將控制艙與探頭直接相連[10]。自落式貫入技術(shù)可用于測(cè)定沉積物強(qiáng)度以及劃分地層，在沉積物類型劃分、沉積物的再啟動(dòng)監(jiān)測(cè)方面也有一定的應(yīng)用[11-13]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于FFP的研究較少，張民生 等[14]研制了一種深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)試裝置，該設(shè)備總長(zhǎng)度約6.5 m，最大重量達(dá)500 kg，最大貫入深度約為5 m，可獲得貫入阻力、側(cè)摩阻力、水壓力和加速度等數(shù)據(jù)[1]。張民生 等[15-16]以砂質(zhì)沉積物為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了該FFP的貫入特征，速率相關(guān)性與裝置質(zhì)量、沉積物密實(shí)度的關(guān)系；曾于黃海進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了測(cè)試點(diǎn)的沉積物強(qiáng)度特征。在這些研究中，F(xiàn)FP使用15 cm2的圓錐形觸探探頭，探頭角度為60°，未對(duì)不同尺寸探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中探頭尺寸不統(tǒng)一，測(cè)試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定偏差，國(guó)內(nèi)對(duì)此問(wèn)題的研究多采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，但這些研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)存在差異。因此本文基于FFP在黃海海域的原位試驗(yàn)結(jié)果，分析不同尺寸探頭對(duì)確定沉積物性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域與方法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試站位位于黃海北部，共2個(gè)站位，其中L1站位(36°59′54″N ，124°00′06″E)水深為71 m，沉積物類型為以泥質(zhì)為主的細(xì)粒沉積物[17]。L2站位(36°59′42″N，122°38′48″E)水深為30 m，沉積物以粗顆粒沉積物為主。

圖1 試驗(yàn)站點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of test stations

試驗(yàn)中使用的FFP設(shè)備[1]主要由控制艙、配重、貫入探桿與探頭組成，探桿長(zhǎng)度為3.0 m，內(nèi)徑為3.0 cm，外徑為6.0 cm，設(shè)備總重約300 kg，設(shè)備在下落貫入過(guò)程中采集貫入阻力、水壓力和加速度等數(shù)據(jù)。原設(shè)備如圖2a所示，設(shè)備本身為CPT探頭，探頭形狀為錐形，本文為研究球形探頭尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，使用3種不同尺寸的球形探頭(圖2b)，探頭直徑分別為113.0、60.0和44.0 mm(本文中表示為T(mén)113、T60和T44)，試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安排表Tab.1 Field test arrangement schedule

海上原位試驗(yàn)搭載國(guó)家基金委渤、黃海共享航次(NORC2017-01)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)先檢查儀器密封性并開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)置采集參數(shù)，再通過(guò)地質(zhì)纜繩將儀器下放至海底沉積物中。設(shè)備在自身重力作用下將探桿連續(xù)貫入至沉積物中，并采集貫入過(guò)程中各種參數(shù)，通過(guò)分析加速度數(shù)據(jù)，判斷探桿在貫入過(guò)程中是否傾倒，如果探桿的豎直度大于80°則認(rèn)為本次貫入成功，保證每個(gè)站位至少成功貫入1次。

1.2 數(shù)據(jù)分析

在設(shè)備下落過(guò)程中，通過(guò)加速度積分后可得下落過(guò)程速度與位移，由此可得知設(shè)備貫入海底的深度。

(1)

(2)

式中：v為t時(shí)刻的下降速度，v0為初始速度；a(t)為t時(shí)刻裝置的加速度，本文中加速度是指設(shè)備在貫入過(guò)程中的減速度；dt為時(shí)間間隔；s為位移，s0為初始位移。由于探頭尺寸過(guò)大無(wú)法采集側(cè)摩阻力，因此文中不對(duì)側(cè)摩阻力進(jìn)行討論。

圖2 FFP設(shè)備整體(a)及探頭(b)實(shí)物圖Fig.2 Actual picture of FFP equipment (a) and probe tips(b)

2 結(jié)果

2.1 貫入速度及深度變化特征

貫入過(guò)程中，隨著貫入深度增加，貫入速度呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)貫入深度達(dá)到最大時(shí)，設(shè)備停止貫入。在速度減小過(guò)程中，速度位移曲線斜率呈振動(dòng)變化，總體由大變小，說(shuō)明速度降低趨勢(shì)減緩，最終速度降為0。L1站位(圖3)，T44探頭的貫入深度為2.56～3.04 m，初始貫入速度為1.0～1.3 m/s，5次試驗(yàn)中有3次試驗(yàn)的速度位移曲線較為一致，第3次試驗(yàn)速度曲線呈減小-增大-減小趨勢(shì)，可能由于設(shè)備在該次貫入過(guò)程中穿過(guò)明顯低強(qiáng)度土層，所受阻力降低，貫入速度增大。T60探頭的貫入深度分別為3.24、2.81和2.43 m，速度曲線變化趨勢(shì)不同，初始貫入速度在0.77～1.1 m/s范圍內(nèi)。第1次試驗(yàn)設(shè)備貫入速度先緩慢增加，最后速度降低為0，其原因與T44探頭第3次試驗(yàn)貫入過(guò)程速度緩慢增加相似。T113探頭的貫入深度為3.00和3.24 m，初始貫入速度為1.02和1.2 m/s。

圖3 L1站位貫入過(guò)程速度-位移曲線圖Fig.3 Speed-displacement curve of penetration process at L1 station

圖4為L(zhǎng)2站位測(cè)定結(jié)果，T44探頭的3次試驗(yàn)的結(jié)果顯示貫入深度在1.5 m左右，貫入過(guò)程速度變化趨勢(shì)相同。T60探頭的貫入深度分別為1.85、2.14和2.44 m，為貫入深度最大的試驗(yàn)組。T113探頭的貫入深度在0.5～1.0 m內(nèi)，相對(duì)于L2站位其他試驗(yàn)組的貫入深度小1 m以上。3種探頭試驗(yàn)的初始貫入速度在0.9～1.43 m/s范圍內(nèi)。每次牽引釋放時(shí)絞車的速度誤差及海上風(fēng)浪情況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。

圖4 L2站位貫入過(guò)程速度-位移曲線圖Fig.4 Speed-displacement curve of penetration process at L2 station

2.2 貫入阻力變化特征

L1站位的10次試驗(yàn)中，不同探頭試驗(yàn)的貫入深度均在3 m左右。其中T44探頭5次貫入的阻力峰值在0.28～0.31 MPa范圍內(nèi)，貫入深度相同時(shí)，不同試驗(yàn)組貫入阻力波動(dòng)小于0.07 MPa，貫入阻力曲線變化趨勢(shì)一致。貫入深度約為1.5 m時(shí)，貫入阻力有一定減小，隨后增大至峰值(圖5a)。T60探頭貫入阻力峰值為0.32～0.34 MPa，曲線變化趨勢(shì)一致，在2 m深度以內(nèi)貫入阻力波動(dòng)小于0.05 MPa。當(dāng)貫入深度約為1.3 m時(shí)，3次試驗(yàn)貫入阻力相等，在深度約為1 m時(shí)，出現(xiàn)第一次峰值(圖5b)。T113探頭貫入深度大于3 m，貫入阻力峰值大于1.5 MPa，貫入阻力變化趨勢(shì)一致，兩次試驗(yàn)在1.9 m深度處貫入阻力相等(圖5c)。探頭尺寸對(duì)貫入阻力有一定影響，貫入阻力大小關(guān)系為T(mén)113>T60>T44。

L2站位試驗(yàn)結(jié)果差異較大，貫入深度最大相差1.9 m。T44探頭第1次試驗(yàn)在0～0.6 m深度內(nèi)貫入阻力小于0.1 MPa，在0.6～1.3 m深度內(nèi)增加至約1.0 Mpa；第2次試驗(yàn)在1.0 m深度內(nèi)貫入阻力變化較小，大于1.0 m后，貫入阻力緩慢增加，最終達(dá)到峰值,約1.8 MPa；第3次試驗(yàn)貫入阻力在0～1.0 m深度內(nèi)由0增大至2.0 MPa，最終達(dá)到2.5 MPa，貫入深度與第2次試驗(yàn)相同(圖6a)，3次試驗(yàn)貫入阻力變化較大。T60探頭的3次試驗(yàn)在1 m深度內(nèi)貫入阻力相等，變化幅度較小，在貫入深度大于1 m后出現(xiàn)較大不同，其中第1次試驗(yàn)貫入阻力出現(xiàn)2次峰值，其余2次試驗(yàn)貫入阻力隨深度增加而變大，達(dá)到峰值后減小。T60探頭3次試驗(yàn)的貫入阻力峰值相差較大，其中第2次試驗(yàn)的貫入阻力峰值為1.92 MPa，為其余2次試驗(yàn)的2倍以上(圖6b)。T113探頭貫入深度在0.8 m以內(nèi)，貫入阻力峰值相對(duì)較大，兩次試驗(yàn)的貫入阻力峰值均大于3.5 MPa(圖6c)。L2站位貫入阻力峰值大部分都大于1.0 MPa。

圖5 L1站位貫入阻力-位移曲線圖Fig.5 Penetration resistance results at L1 station

圖6 L2站位貫入阻力-位移曲線圖Fig.6 Penetration resistance results at L2 station

3 討論

3.1 探頭尺寸對(duì)沉積物類型判別的影響

根據(jù)黃海北部表層沉積物的粒度特征及其沉積環(huán)境研究[18-19]，L1站位區(qū)域沉積物主要是呈灰綠色、含水量較高的泥和粉砂；L2站位附近沉積物含砂量變化較大，粉砂含量超過(guò)80%，且平均粒徑隨深度增加發(fā)生變化。王安國(guó)[18]的研究結(jié)果還表明，山東半島附近海域存在高含砂量區(qū)，含砂量均在40%以上，并同時(shí)在沉積物中檢出少量的粗砂。

已有研究表明，基于FFP貫入深度、加速度等數(shù)據(jù)，可以判斷沉積物類型[11-12,20-22]。使用標(biāo)準(zhǔn)化深度z/D(z為貫入深度，D為探頭直徑)可區(qū)分松軟沉積物和密實(shí)沉積物。標(biāo)準(zhǔn)化深度劃分為淺埋(z/D≤5)、中埋(5

GOPAL et al[21]建立了硬度因子和標(biāo)準(zhǔn)化深度關(guān)系模型，用于分析沉積物類型，并用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，硬度因子(Ff)為

(3)

式中:amax為峰值加速度，vi為貫入速度，tt為總貫入持續(xù)時(shí)間，g為重力加速度。

GOPAL et al[21]研究認(rèn)為，硬度因子越大，標(biāo)準(zhǔn)化深度越小，粗粒沉積物含量更高。由表2可知，L1站位硬度因子均小于0.1；L2站位T113探頭硬度因子大于0.1，標(biāo)準(zhǔn)化深度范圍為4～8，其余探頭硬度因子均小于0.1。比較L1、L2站位T113探頭結(jié)果，L1站位標(biāo)準(zhǔn)化深度約為L(zhǎng)2站位的4倍，L2站位硬度因子約為L(zhǎng)1站位的2倍，因此認(rèn)為L(zhǎng)2站位粗粒沉積物含量高于L1站位。在L1站位，隨探頭尺寸變大，標(biāo)準(zhǔn)化深度有變小的趨勢(shì)，但硬度因子變化趨勢(shì)不明顯；在L2站位，隨探頭尺寸變大，標(biāo)準(zhǔn)化深度有變小的趨勢(shì)，同時(shí)硬度因子增大趨勢(shì)明顯，因此在粗粒沉積物中，探頭尺寸增大有利于分辨沉積物類型。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化深度及硬度因子計(jì)算結(jié)果Tab.2 Standardized depth and hardness factor results

3.2 探頭尺寸對(duì)貫入深度的影響

以往的研究表明，在干砂質(zhì)均質(zhì)沉積物中，探頭尺寸不影響沉積物強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果[15]。部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，探頭尺寸變大使貫入深度減小[21]。STING自由落體式貫入設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，70 mm直徑探頭的貫入深度為35 mm直徑探頭的一半，且貫入阻力更小[22]。自落式貫入儀在黏土中的室內(nèi)試驗(yàn)表明，探頭直徑影響貫入深度和貫入阻力，探頭直徑越小，貫入深度越大；但是在貫入阻力關(guān)系上，30 mm直徑探頭的貫入阻力大于60 mm直徑探頭[23]。本文研究結(jié)果與以上研究結(jié)果不同，L1站位中3種探頭貫入深度基本相同；L2站位中T113探頭貫入深度最小，T60探頭貫入深度最大(3種探頭對(duì)設(shè)備的總質(zhì)量影響可忽略不計(jì))。

因此探頭尺寸對(duì)貫入深度的影響需考慮沉積物類型和設(shè)備總質(zhì)量，本試驗(yàn)使用的FFP設(shè)備質(zhì)量為300 kg，均為球形探頭，在初始貫入速度相近的情況下，在含黏土較多的細(xì)粒沉積物中，探頭尺寸對(duì)貫入深度影響較小，相差小于0.8 m。在砂質(zhì)含量較高的沉積物中，探頭尺寸增大，貫入深度會(huì)有一定程度減??；當(dāng)探頭尺寸過(guò)小時(shí)，由于頸縮效應(yīng)影響，探桿受到一定阻力，使總貫入深度減小(如L2站位的T44探頭試驗(yàn))。

3.3 探頭尺寸對(duì)貫入阻力的影響

L1站位的10次試驗(yàn)貫入深度在3 m左右，相同探頭的試驗(yàn)中，貫入阻力波動(dòng)較小，如T44探頭與T60探頭不同試驗(yàn)的貫入阻力波動(dòng)均小于0.07 MPa，表現(xiàn)出良好的一致性，由此判斷此處沉積物分布較為均勻。由圖5可知，不同試驗(yàn)組的貫入阻力均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)：在0～1 m深度內(nèi)增大，在1～1.7 m深度范圍出現(xiàn)第一次峰值，隨后減小又增大，最后在貫入停止前出現(xiàn)峰值。

表3為兩個(gè)站位貫入深度與貫入阻力的結(jié)果統(tǒng)計(jì)。由表3可知,L1站位10次試驗(yàn)中有7次出現(xiàn)貫入阻力次峰值，其中3次出現(xiàn)在1 m左右深度，4次大于1.5 m，探頭尺寸越大，貫入阻力峰值越大。由于試驗(yàn)使用的探頭為雙橋探頭，因此貫入阻力結(jié)果未進(jìn)行孔壓修正，但仍反映出貫入阻力變化趨勢(shì)。在試驗(yàn)中使用的T113探頭的橫截面積是T60探頭的3.5倍，是T44探頭的6.6倍，將靜力觸探探頭有效面積比代入貫入阻力計(jì)算，得到3種探頭的有效貫入阻力(圖7)。根據(jù)全流動(dòng)貫入儀在黏土中的試驗(yàn)研究[24]可知，球形探頭的全流動(dòng)貫入儀對(duì)低強(qiáng)度、流動(dòng)性強(qiáng)的沉積物的測(cè)試準(zhǔn)確性較高，同時(shí)直徑越大的探頭所測(cè)得的貫入阻力結(jié)果越大。T113探頭尺寸與目前使用較為廣泛的球形全流動(dòng)貫入儀探頭尺寸相同。由圖7可知，有效貫入阻力峰值的大小關(guān)系為T(mén)44>T113>T60。T44探頭的有效貫入阻力峰值最大，可能由于此探頭直徑與探頭套筒直徑相等，在黏土質(zhì)粉砂類海底沉積物的貫入過(guò)程中探頭側(cè)壁摩擦阻力對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響，造成貫入阻力偏大。T113探頭的有效貫入阻力峰值大于T60探頭，和全流動(dòng)貫入儀研究的結(jié)果一致。在1 m深度內(nèi)，3種探頭的貫入阻力相差不大，在1 m深度以上有較明顯差別。

貫入阻力隨深度的變化曲線特征可用于劃分沉積物地層[25]。已有研究表明，山東半島東側(cè)海域存在楔形沉積體，由西向東逐漸變薄，地震勘察資料顯示經(jīng)度約為123.5°E處最薄，不足1 m，沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主[26-27]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在L1站位，3種尺寸探頭結(jié)果均顯示1～1.5 m深度內(nèi)貫入阻力先增大后減小，存在貫入阻力次峰值，說(shuō)明此深度沉積物強(qiáng)度較相鄰層位有明顯增大。 T44探頭記錄的貫入阻力變化更為敏感，能夠反映較小阻力的變化，但存在明顯的延遲效應(yīng)，出現(xiàn)次峰值阻力深度較大，因此由其判斷的沉積物分層的深度位置較T60和T113探頭的深。

表3 貫入深度與貫入阻力結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.3 StatisticsTable of penetration depth and penetration resistance results

圖7 L1站位有效貫入阻力結(jié)果Fig.7 Effective penetration resistance results at L1 station

由表3可知，L2站位的貫入阻力未出現(xiàn)明顯的次峰值，貫入阻力峰值的平均值比L1站位的大，T44探頭相差約5倍，T60探頭相差約3.6倍，T113探頭相差約1.8倍，這表明L2站位沉積物強(qiáng)度明顯大于L1站位。由山東半島海域相關(guān)研究[17,19,28]可知，L2站位區(qū)域?yàn)楹傲吭?0%以上的高含砂量區(qū)域，且分布不均勻，含砂量高的區(qū)域沉積物強(qiáng)度較大，這與本研究的貫入阻力結(jié)果特點(diǎn)相同。L2站位T113探頭貫入阻力峰值平均值約為T(mén)44探頭的1.6倍，約為T(mén)60探頭的2.5倍，表明探頭尺寸對(duì)貫入阻力有一定影響，探頭尺寸越大，貫入阻力峰值越大。比較L2站位3種尺寸探頭的有效貫入阻力峰值，大小關(guān)系為T(mén)44>T60>T113，與L1站位結(jié)果不同，相差倍數(shù)更大，T44探頭的有效貫入阻力峰值為T(mén)113探頭的4.1倍，為T(mén)60探頭的2.8倍。因此，在砂質(zhì)沉積物區(qū)域，探頭尺寸增大，貫入阻力增大，有效貫入阻力降低，貫入深度變化不確定，此結(jié)果與靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果類似，但本次試驗(yàn)貫入速度較靜力觸探大，需開(kāi)展更多試驗(yàn)深入研究。

4 結(jié)論

FFP是一種可快速高效調(diào)查海洋沉積物的技術(shù)，可根據(jù)加速度和貫入阻力變化分析沉積物分層結(jié)構(gòu)、判斷沉積物類型。本文在黃海2個(gè)站位使用FFP進(jìn)行海上原位試驗(yàn)，使用直徑44、60和113 mm的球形探頭，在相同的牽引速度下釋放，獲得了FFP的加速度、貫入阻力等數(shù)據(jù)，對(duì)比不同尺寸探頭對(duì)判斷沉積物性質(zhì)的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化深度結(jié)合硬度因子方法判別沉積物類型時(shí)，探頭尺寸對(duì)細(xì)粒沉積物的判別無(wú)影響，但對(duì)粗粒沉積物的判斷有影響。在粗粒沉積物中，探頭尺寸增大使標(biāo)準(zhǔn)化深度減小，硬度因子增大，更易于分辨沉積物類型。

(2)在細(xì)粒沉積物中，探頭尺寸對(duì)貫入深度和貫入阻力影響較??；在粗粒沉積物中，過(guò)大直徑的探頭使FFP貫入深度減小，貫入阻力增大。

(3)在強(qiáng)度較低的細(xì)粒沉積物中，不同尺寸探頭能通過(guò)貫入阻力曲線判斷沉積物分層，但分層深度有明顯不同，小尺寸探頭記錄沉積物阻力變化更敏感，判斷的沉積物分層位置有一定程度加深。