靜壓振動取樣在砂源勘察中的應用

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項目位于菲律賓馬尼拉帕賽市，緊臨SM集團Mall of Asia前沿海域。項目主要施工內容包括回填形成A、B、C 3個人工島及相關配套的護岸結構、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。項目建成后將為業主提供3.96×106m2現代化住宅和高端商業地產開發建設用地。

根據合同要求，項目吹填砂需滿足含泥量小于15%，顆粒級配D50（累計分布百分數達到50%時所對應的粒徑值）介于0.2～2.0 mm，不均勻系數不小于2.5等技術要求。為了能迅速掌握各潛在砂源儲量、數量等方面的情況，項目團隊進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勘察手段，高效探明了砂源區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調查手段，其集靜壓取樣和振動取樣為一體，非常適合各種地質條件下的海底或河流地質取樣，與傳統重力取樣方法相比，能夠更迅速、更保真和更深層地實現水下沉積物取樣，能夠在短時間內判別砂源區的表層是否存在一定程度的覆蓋層，從而促使項目團隊更高效地推進項目砂源勘察工作。

2 靜壓振動取樣器結構和功能

2.1 靜壓振動取樣器結構

靜壓振動取樣器主要由3部分組成：機械部分、液壓部分和測控部分。其中，機械部分主要包括海底機架、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、液壓馬達和液壓夾持油缸等，水下單元的液壓部分是整個設備的“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]。靜壓振動取樣器結構示意圖如圖1所示。

圖1 靜壓振動取樣器結構示意圖

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，在無須更換設備的條件下，能快速取出直徑達90 mm的原狀土樣品，取芯長度最大可達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。因此，靜壓振動取樣器通常用在海洋工程地質勘察和礦產資源勘查等領域，具有高效、環保、經濟和實用等特點。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，以準靜力勻速實施取樣。在這種作業狀態下，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方式，在靜壓取樣基礎上疊加水平對置的雙振動電機的激振力，使取樣管周邊的砂土發生振動液化，同時也使取樣管和土層發生共振，使取樣管更容易貫入土層深處，從而取得芯樣較長的土質樣品。

3 靜壓振動取樣施工方法和技術應用

本項目采用靜壓振動取樣的施工區域為業主指定的砂源區。該區域水深大致在-30 m MSL。結合項目工期要求以及砂源區域的實際情況，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域適當進行加密勘測。靜壓振動取樣的施工工藝如下。

3.1 施工準備

由于在海上進行取樣作業，因此，需要一個穩定的海上作業平臺。基于項目周邊資源的便利性以及施工成本的考量，結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。同時，在駁船上安裝好四錨定位系統以及GPS定位儀器，確保取樣達到定位精度要求。在取樣施工前，啟動靜壓振動取樣器的常規檢查程序，以及做好設備系統聯調等一系列工前準備工作。

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接頭，用膠帶纏繞好PC襯管實現拼接，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架旁邊，把取樣管緩慢插進海底機架中心部位，安裝好導向套，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位置，在技術人員的指揮下慢慢下放到海床面，現場進行取樣器吊裝作業。取樣器放置在原泥面后，在3 min內傾斜變化小于1°，且設備傾斜偏差小于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，系統會自動停止靜壓取樣管的鉆探工作。在這種情況下，需根據土體具體情況設定激振頻率，然后開啟振動電機，進入振動取樣工作模式。當取樣管達到預定貫入深度時，即可操作液壓馬達進行起拔回收取樣管工作，最后通過吊機系統把整機設備吊離海床面。由于砂源區域土層分布不均勻，取樣管在貫入過程中摩阻力變化較大，因此，在本次地質勘察過程中，基本都采用靜壓和振動取樣的聯合作業模式，以達到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好的枕木上，以便后續進行樣品拆解，土質樣品的提取將在現場進行。首先，把取樣管堵頭和刀口進行拆除，并取出整條PC襯管，用切割機把沒有土樣的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，定期送到實驗室進行物理性能指標試驗[2]。現場樣品情況如圖2所示。本項目要求砂樣檢測的指標主要為含泥量、有機物含量、碳酸鹽含量、不均勻系數和級配等，樣品送檢后，拿到檢測報告的時間約10 d。

圖2 現場樣品照片

3.5 靜壓振動取樣技術優劣勢分析

靜壓振動取樣技術普遍應用于境外地質勘察項目，相比于傳統的鉆孔取樣勘察，它具有的優點如下：

1）靜壓振動取樣效率高。在同等地質條件下，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性強。在海上作業時，靜壓振動取樣器是通過吊機系統放置在海床面，取樣器和吊機之間是柔性連接，因此，取樣器在海床作業時受海況影響較小；而鉆孔取樣作業受風浪影響大，對海況適應性較差。

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，只適用于淺層地質勘察作業，無法探明更深地層的土質情況；

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

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

4 結語

通過靜壓振動取樣的技術應用，項目團隊在短時間內探明了砂源區表層的土質分布情況，為下一步鉆孔取樣的勘測點布設和砂源的土質分析判斷提供了詳盡可靠的地質資料，是砂源勘察進程中非常重要的一個環節。本文對靜壓振動取樣技術的應用和施工方法進行介紹，希望能為類似地質勘察項目提供經驗和參考。