靜壓振動取樣在砂源勘察中的應(yīng)用

鄭洪文

（中交廣州航道局有限公司，廣州510221）

1 工程概況

菲律賓帕賽吹填開發(fā)項目位于菲律賓馬尼拉帕賽市，緊臨SM集團(tuán)Mall of Asia前沿海域。項目主要施工內(nèi)容包括回填形成A、B、C 3個人工島及相關(guān)配套的護(hù)岸結(jié)構(gòu)、地基處理等。其中，項目回填工程量約9.7×107m2，疏浚工程量約1.3×107m2，合同工期36個月。項目建成后將為業(yè)主提供3.96×106m2現(xiàn)代化住宅和高端商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)用地。

根據(jù)合同要求，項目吹填砂需滿足含泥量小于15%，顆粒級配D50（累計分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑值）介于0.2～2.0 mm，不均勻系數(shù)不小于2.5等技術(shù)要求。為了能迅速掌握各潛在砂源儲量、數(shù)量等方面的情況，項目團(tuán)隊進(jìn)場后立即組織砂源勘察工作，通過實地踏勘、多波束測量、物探、靜壓振動取樣和鉆孔取樣等地質(zhì)勘察手段，高效探明了砂源區(qū)的砂層分布情況和物理特征。其中，靜壓振動取樣是砂源勘察中非常高效的一種地質(zhì)調(diào)查手段，其集靜壓取樣和振動取樣為一體，非常適合各種地質(zhì)條件下的海底或河流地質(zhì)取樣，與傳統(tǒng)重力取樣方法相比，能夠更迅速、更保真和更深層地實現(xiàn)水下沉積物取樣，能夠在短時間內(nèi)判別砂源區(qū)的表層是否存在一定程度的覆蓋層，從而促使項目團(tuán)隊更高效地推進(jìn)項目砂源勘察工作。

2 靜壓振動取樣器結(jié)構(gòu)和功能

2.1 靜壓振動取樣器結(jié)構(gòu)

靜壓振動取樣器主要由3部分組成：機(jī)械部分、液壓部分和測控部分。其中，機(jī)械部分主要包括海底機(jī)架、靜壓振動臺、限位彈簧和取樣管件等；液壓部分主要包括水下液壓站、閥艙、液壓馬達(dá)和液壓夾持油缸等，水下單元的液壓部分是整個設(shè)備的“心臟”“血管”和“四肢”；測控部分主要包括甲板控制單元、水下測控艙、傳感器、膠帶電纜和絞車等部分[1]。靜壓振動取樣器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 靜壓振動取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 靜壓振動取樣功能

靜壓振動取樣器具備靜壓取樣、振動取樣和原位測試等功能，它操作靈活簡單，在無須更換設(shè)備的條件下，能快速取出直徑達(dá)90 mm的原狀土樣品，取芯長度最大可達(dá)9 m。每根采樣管長度為1 m，施工過程中操作簡單，容易運輸和保養(yǎng)。因此，靜壓振動取樣器通常用在海洋工程地質(zhì)勘察和礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域，具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和實用等特點。其主要性能見表1。

表1 靜壓振動取樣器主要性能表

在取樣作業(yè)過程中，如果遇到淺層軟土，可以采用靜壓取樣的方式，通過水平對置的雙摩擦輪夾持取樣管貫入軟土地層，以準(zhǔn)靜力勻速實施取樣。在這種作業(yè)狀態(tài)下，取樣管對原狀土的擾動很小，能較好地保證樣品的保真度。如果遇到較密實的砂層，為了克服取樣管和土體之間的摩阻力，將啟動振動取樣作業(yè)方式，在靜壓取樣基礎(chǔ)上疊加水平對置的雙振動電機(jī)的激振力，使取樣管周邊的砂土發(fā)生振動液化，同時也使取樣管和土層發(fā)生共振，使取樣管更容易貫入土層深處，從而取得芯樣較長的土質(zhì)樣品。

3 靜壓振動取樣施工方法和技術(shù)應(yīng)用

本項目采用靜壓振動取樣的施工區(qū)域為業(yè)主指定的砂源區(qū)。該區(qū)域水深大致在-30 m MSL。結(jié)合項目工期要求以及砂源區(qū)域的實際情況，本次勘察采用分期施測，局部加密的辦法，開始勘測時先按500 m地間距布置勘測點，對砂層分布不確定的部分區(qū)域適當(dāng)進(jìn)行加密勘測。靜壓振動取樣的施工工藝如下。

3.1 施工準(zhǔn)備

由于在海上進(jìn)行取樣作業(yè)，因此，需要一個穩(wěn)定的海上作業(yè)平臺?；陧椖恐苓呝Y源的便利性以及施工成本的考量，結(jié)合對項目水文氣象條件的綜合判斷，本項目采用500 t的平板駁船作為施工作業(yè)平臺，平板駁船上配備40 t的履帶吊來操控靜壓振動取樣器的起吊作業(yè)。同時，在駁船上安裝好四錨定位系統(tǒng)以及GPS定位儀器，確保取樣達(dá)到定位精度要求。在取樣施工前，啟動靜壓振動取樣器的常規(guī)檢查程序，以及做好設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等一系列工前準(zhǔn)備工作。

3.2 取樣管安裝

在吊裝靜壓振動取樣器前，先在平板駁船上安裝好取樣機(jī)具。取樣管安裝的工作步驟為：先把檢查好的取樣管平放在有序擺放的枕木上，由操作人員固定好首根取樣管，并旋轉(zhuǎn)拼接第二根取樣管并用自由鉗鎖緊。在刀口反向處安裝磁環(huán)接頭，用膠帶纏繞好PC襯管實現(xiàn)拼接，然后把PC管插入取樣管，安裝好捕芯器和取樣刀口。

完成上述步驟后，將捕芯器內(nèi)的PC管推到底部，對其取樣管尾部平整劃線，然后把PC襯管截短30～40 mm，再用堵頭旋入固定。最后，用40 t履帶吊把拼接好的取樣管吊至海底機(jī)架旁邊，把取樣管緩慢插進(jìn)海底機(jī)架中心部位，安裝好導(dǎo)向套，整個取樣管安裝完畢。

3.3 靜壓和振動取樣

通過履帶吊把靜壓振動取樣器吊起并移動到相應(yīng)位置，在技術(shù)人員的指揮下慢慢下放到海床面，現(xiàn)場進(jìn)行取樣器吊裝作業(yè)。取樣器放置在原泥面后，在3 min內(nèi)傾斜變化小于1°，且設(shè)備傾斜偏差小于10°時，即可啟動水下液壓泵站，操控液壓馬達(dá)按鈕開展靜壓貫入取樣操作。隨著取樣管貫入深度逐漸加深，取樣管壁和土體之間的摩阻力也逐漸增大，當(dāng)取樣管的貫入力度大于50 kN時，振動臺的檢測屏幕會顯示警報信號，系統(tǒng)會自動停止靜壓取樣管的鉆探工作。在這種情況下，需根據(jù)土體具體情況設(shè)定激振頻率，然后開啟振動電機(jī)，進(jìn)入振動取樣工作模式。當(dāng)取樣管達(dá)到預(yù)定貫入深度時，即可操作液壓馬達(dá)進(jìn)行起拔回收取樣管工作，最后通過吊機(jī)系統(tǒng)把整機(jī)設(shè)備吊離海床面。由于砂源區(qū)域土層分布不均勻，取樣管在貫入過程中摩阻力變化較大，因此，在本次地質(zhì)勘察過程中，基本都采用靜壓和振動取樣的聯(lián)合作業(yè)模式，以達(dá)到5～8 m的取芯長度。

3.4 樣品提取和處理

取樣管吊至甲板面后安放在鋪設(shè)好的枕木上，以便后續(xù)進(jìn)行樣品拆解，土質(zhì)樣品的提取將在現(xiàn)場進(jìn)行。首先，把取樣管堵頭和刀口進(jìn)行拆除，并取出整條PC襯管，用切割機(jī)把沒有土樣的PC管切斷；然后，把裝有土樣的PC管對半剖開，用特定的樣品容器裝好土樣，定期送到實驗室進(jìn)行物理性能指標(biāo)試驗[2]?，F(xiàn)場樣品情況如圖2所示。本項目要求砂樣檢測的指標(biāo)主要為含泥量、有機(jī)物含量、碳酸鹽含量、不均勻系數(shù)和級配等，樣品送檢后，拿到檢測報告的時間約10 d。

圖2 現(xiàn)場樣品照片

3.5 靜壓振動取樣技術(shù)優(yōu)劣勢分析

靜壓振動取樣技術(shù)普遍應(yīng)用于境外地質(zhì)勘察項目，相比于傳統(tǒng)的鉆孔取樣勘察，它具有的優(yōu)點如下：

1）靜壓振動取樣效率高。在同等地質(zhì)條件下，靜壓振動取樣平均每天可取樣6～8個，而鉆孔取樣每天僅可完成1個孔，明顯靜壓振動取樣效率更高；

2）靜壓振動取樣成本低。在本次勘察項目，靜壓振動取樣的施工單價約為鉆孔取樣單價的10%。

3）靜壓振動取樣對項目工況適應(yīng)性強(qiáng)。在海上作業(yè)時，靜壓振動取樣器是通過吊機(jī)系統(tǒng)放置在海床面，取樣器和吊機(jī)之間是柔性連接，因此，取樣器在海床作業(yè)時受海況影響較小；而鉆孔取樣作業(yè)受風(fēng)浪影響大，對海況適應(yīng)性較差。

而靜壓振動取樣的不足之處主要在于：

1）靜壓振動取樣的最大取芯長度為9 m，只適用于淺層地質(zhì)勘察作業(yè)，無法探明更深地層的土質(zhì)情況；

2）鉆桿的貫入能力有限。取樣管是通過液壓馬達(dá)的驅(qū)動力鉆入地層，驅(qū)動能力相對有限，只能貫入較軟土層。

3）對原狀土體的擾動較大。當(dāng)取樣管的貫入力度大于50 kN時需啟動振動電機(jī)，取樣管周邊的砂土發(fā)生振動液化，同時取樣管和土層發(fā)生共振，從而影響原狀土的部分物理指標(biāo)的測定。

4 結(jié)語

通過靜壓振動取樣的技術(shù)應(yīng)用，項目團(tuán)隊在短時間內(nèi)探明了砂源區(qū)表層的土質(zhì)分布情況，為下一步鉆孔取樣的勘測點布設(shè)和砂源的土質(zhì)分析判斷提供了詳盡可靠的地質(zhì)資料，是砂源勘察進(jìn)程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。本文對靜壓振動取樣技術(shù)的應(yīng)用和施工方法進(jìn)行介紹，希望能為類似地質(zhì)勘察項目提供經(jīng)驗和參考。