单红仙，魏志明，张民生*，贾永刚

(1.山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

0 引言

自落式贯入测试技术(Free-Falling Penetrometer, FFP)是近年发展的一种测量速度快、操作简单的原位测试技术[1]，该方法的装置相对轻便，可快速进行海底沉积物性质和海底滑坡的调查[2-3]。自COLP et al[4]研制了第一种自落式贯入装置以来，许多学者根据自身研究需求研制了不同重量、形状及尺寸的贯入装置[5-6]，探头采用椭圆形、圆锥形或切线卵形[7-8]；探杆长度则长短不一，最大长度可达4 m[9]，一些质量较小的贯入仪则省略探杆，将控制舱与探头直接相连[10]。自落式贯入技术可用于测定沉积物强度以及划分地层，在沉积物类型划分、沉积物的再启动监测方面也有一定的应用[11-13]。

国内对于FFP的研究较少，张民生 等[14]研制了一种深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置，该设备总长度约6.5 m，最大重量达500 kg，最大贯入深度约为5 m，可获得贯入阻力、侧摩阻力、水压力和加速度等数据[1]。张民生 等[15-16]以砂质沉积物为研究对象，通过室内试验分析了该FFP的贯入特征，速率相关性与装置质量、沉积物密实度的关系；曾于黄海进行现场试验，分析了测试点的沉积物强度特征。在这些研究中，FFP使用15 cm2的圆锥形触探探头，探头角度为60°，未对不同尺寸探头进行试验。

试验中探头尺寸不统一，测试结果会出现一定偏差，国内对此问题的研究多采用室内试验和数值模拟的方法，但这些研究结果与现场原位试验存在差异。因此本文基于FFP在黄海海域的原位试验结果，分析不同尺寸探头对确定沉积物性质的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区域与方法

现场测试站位位于黄海北部，共2个站位，其中L1站位(36°59′54″N ，124°00′06″E)水深为71 m，沉积物类型为以泥质为主的细粒沉积物[17]。L2站位(36°59′42″N，122°38′48″E)水深为30 m，沉积物以粗颗粒沉积物为主。

图1 试验站点位置图Fig.1 Location of test stations

试验中使用的FFP设备[1]主要由控制舱、配重、贯入探杆与探头组成，探杆长度为3.0 m，内径为3.0 cm，外径为6.0 cm，设备总重约300 kg，设备在下落贯入过程中采集贯入阻力、水压力和加速度等数据。原设备如图2a所示，设备本身为CPT探头，探头形状为锥形，本文为研究球形探头尺寸对试验结果的影响，使用3种不同尺寸的球形探头(图2b)，探头直径分别为113.0、60.0和44.0 mm(本文中表示为T113、T60和T44)，试验安排如表1所示。

表1 现场试验安排表Tab.1 Field test arrangement schedule

海上原位试验搭载国家基金委渤、黄海共享航次(NORC2017-01)进行，现场先检查仪器密封性并开启数据采集系统、设置采集参数，再通过地质缆绳将仪器下放至海底沉积物中。设备在自身重力作用下将探杆连续贯入至沉积物中，并采集贯入过程中各种参数，通过分析加速度数据，判断探杆在贯入过程中是否倾倒，如果探杆的竖直度大于80°则认为本次贯入成功，保证每个站位至少成功贯入1次。

1.2 数据分析

在设备下落过程中，通过加速度积分后可得下落过程速度与位移，由此可得知设备贯入海底的深度。

(1)

(2)

式中：v为t时刻的下降速度，v0为初始速度；a(t)为t时刻装置的加速度，本文中加速度是指设备在贯入过程中的减速度；dt为时间间隔；s为位移，s0为初始位移。由于探头尺寸过大无法采集侧摩阻力，因此文中不对侧摩阻力进行讨论。

图2 FFP设备整体(a)及探头(b)实物图Fig.2 Actual picture of FFP equipment (a) and probe tips(b)

2 结果

2.1 贯入速度及深度变化特征

贯入过程中，随着贯入深度增加，贯入速度呈递减趋势，当贯入深度达到最大时，设备停止贯入。在速度减小过程中，速度位移曲线斜率呈振动变化，总体由大变小，说明速度降低趋势减缓，最终速度降为0。L1站位(图3)，T44探头的贯入深度为2.56～3.04 m，初始贯入速度为1.0～1.3 m/s，5次试验中有3次试验的速度位移曲线较为一致，第3次试验速度曲线呈减小-增大-减小趋势，可能由于设备在该次贯入过程中穿过明显低强度土层，所受阻力降低，贯入速度增大。T60探头的贯入深度分别为3.24、2.81和2.43 m，速度曲线变化趋势不同，初始贯入速度在0.77～1.1 m/s范围内。第1次试验设备贯入速度先缓慢增加，最后速度降低为0，其原因与T44探头第3次试验贯入过程速度缓慢增加相似。T113探头的贯入深度为3.00和3.24 m，初始贯入速度为1.02和1.2 m/s。

图3 L1站位贯入过程速度-位移曲线图Fig.3 Speed-displacement curve of penetration process at L1 station

图4为L2站位测定结果，T44探头的3次试验的结果显示贯入深度在1.5 m左右，贯入过程速度变化趋势相同。T60探头的贯入深度分别为1.85、2.14和2.44 m，为贯入深度最大的试验组。T113探头的贯入深度在0.5～1.0 m内，相对于L2站位其他试验组的贯入深度小1 m以上。3种探头试验的初始贯入速度在0.9～1.43 m/s范围内。每次牵引释放时绞车的速度误差及海上风浪情况对试验结果有一定影响。

图4 L2站位贯入过程速度-位移曲线图Fig.4 Speed-displacement curve of penetration process at L2 station

2.2 贯入阻力变化特征

L1站位的10次试验中，不同探头试验的贯入深度均在3 m左右。其中T44探头5次贯入的阻力峰值在0.28～0.31 MPa范围内，贯入深度相同时，不同试验组贯入阻力波动小于0.07 MPa，贯入阻力曲线变化趋势一致。贯入深度约为1.5 m时，贯入阻力有一定减小，随后增大至峰值(图5a)。T60探头贯入阻力峰值为0.32～0.34 MPa，曲线变化趋势一致，在2 m深度以内贯入阻力波动小于0.05 MPa。当贯入深度约为1.3 m时，3次试验贯入阻力相等，在深度约为1 m时，出现第一次峰值(图5b)。T113探头贯入深度大于3 m，贯入阻力峰值大于1.5 MPa，贯入阻力变化趋势一致，两次试验在1.9 m深度处贯入阻力相等(图5c)。探头尺寸对贯入阻力有一定影响，贯入阻力大小关系为T113>T60>T44。

L2站位试验结果差异较大，贯入深度最大相差1.9 m。T44探头第1次试验在0～0.6 m深度内贯入阻力小于0.1 MPa，在0.6～1.3 m深度内增加至约1.0 Mpa；第2次试验在1.0 m深度内贯入阻力变化较小，大于1.0 m后，贯入阻力缓慢增加，最终达到峰值,约1.8 MPa；第3次试验贯入阻力在0～1.0 m深度内由0增大至2.0 MPa，最终达到2.5 MPa，贯入深度与第2次试验相同(图6a)，3次试验贯入阻力变化较大。T60探头的3次试验在1 m深度内贯入阻力相等，变化幅度较小，在贯入深度大于1 m后出现较大不同，其中第1次试验贯入阻力出现2次峰值，其余2次试验贯入阻力随深度增加而变大，达到峰值后减小。T60探头3次试验的贯入阻力峰值相差较大，其中第2次试验的贯入阻力峰值为1.92 MPa，为其余2次试验的2倍以上(图6b)。T113探头贯入深度在0.8 m以内，贯入阻力峰值相对较大，两次试验的贯入阻力峰值均大于3.5 MPa(图6c)。L2站位贯入阻力峰值大部分都大于1.0 MPa。

图5 L1站位贯入阻力-位移曲线图Fig.5 Penetration resistance results at L1 station

图6 L2站位贯入阻力-位移曲线图Fig.6 Penetration resistance results at L2 station

3 讨论

3.1 探头尺寸对沉积物类型判别的影响

根据黄海北部表层沉积物的粒度特征及其沉积环境研究[18-19]，L1站位区域沉积物主要是呈灰绿色、含水量较高的泥和粉砂；L2站位附近沉积物含砂量变化较大，粉砂含量超过80%，且平均粒径随深度增加发生变化。王安国[18]的研究结果还表明，山东半岛附近海域存在高含砂量区，含砂量均在40%以上，并同时在沉积物中检出少量的粗砂。

已有研究表明，基于FFP贯入深度、加速度等数据，可以判断沉积物类型[11-12,20-22]。使用标准化深度z/D(z为贯入深度，D为探头直径)可区分松软沉积物和密实沉积物。标准化深度划分为浅埋(z/D≤5)、中埋(5

GOPAL et al[21]建立了硬度因子和标准化深度关系模型，用于分析沉积物类型，并用现场数据进行了验证，硬度因子(Ff)为

(3)

式中:amax为峰值加速度，vi为贯入速度，tt为总贯入持续时间，g为重力加速度。

GOPAL et al[21]研究认为，硬度因子越大，标准化深度越小，粗粒沉积物含量更高。由表2可知，L1站位硬度因子均小于0.1；L2站位T113探头硬度因子大于0.1，标准化深度范围为4～8，其余探头硬度因子均小于0.1。比较L1、L2站位T113探头结果，L1站位标准化深度约为L2站位的4倍，L2站位硬度因子约为L1站位的2倍，因此认为L2站位粗粒沉积物含量高于L1站位。在L1站位，随探头尺寸变大，标准化深度有变小的趋势，但硬度因子变化趋势不明显；在L2站位，随探头尺寸变大，标准化深度有变小的趋势，同时硬度因子增大趋势明显，因此在粗粒沉积物中，探头尺寸增大有利于分辨沉积物类型。

表2 标准化深度及硬度因子计算结果Tab.2 Standardized depth and hardness factor results

3.2 探头尺寸对贯入深度的影响

以往的研究表明，在干砂质均质沉积物中，探头尺寸不影响沉积物强度测试结果[15]。部分现场试验结果表明，探头尺寸变大使贯入深度减小[21]。STING自由落体式贯入设备的现场试验结果显示，70 mm直径探头的贯入深度为35 mm直径探头的一半，且贯入阻力更小[22]。自落式贯入仪在黏土中的室内试验表明，探头直径影响贯入深度和贯入阻力，探头直径越小，贯入深度越大；但是在贯入阻力关系上，30 mm直径探头的贯入阻力大于60 mm直径探头[23]。本文研究结果与以上研究结果不同，L1站位中3种探头贯入深度基本相同；L2站位中T113探头贯入深度最小，T60探头贯入深度最大(3种探头对设备的总质量影响可忽略不计)。

因此探头尺寸对贯入深度的影响需考虑沉积物类型和设备总质量，本试验使用的FFP设备质量为300 kg，均为球形探头，在初始贯入速度相近的情况下，在含黏土较多的细粒沉积物中，探头尺寸对贯入深度影响较小，相差小于0.8 m。在砂质含量较高的沉积物中，探头尺寸增大，贯入深度会有一定程度减小；当探头尺寸过小时，由于颈缩效应影响，探杆受到一定阻力，使总贯入深度减小(如L2站位的T44探头试验)。

3.3 探头尺寸对贯入阻力的影响

L1站位的10次试验贯入深度在3 m左右，相同探头的试验中，贯入阻力波动较小，如T44探头与T60探头不同试验的贯入阻力波动均小于0.07 MPa，表现出良好的一致性，由此判断此处沉积物分布较为均匀。由图5可知，不同试验组的贯入阻力均表现出相同的变化趋势：在0～1 m深度内增大，在1～1.7 m深度范围出现第一次峰值，随后减小又增大，最后在贯入停止前出现峰值。

表3为两个站位贯入深度与贯入阻力的结果统计。由表3可知,L1站位10次试验中有7次出现贯入阻力次峰值，其中3次出现在1 m左右深度，4次大于1.5 m，探头尺寸越大，贯入阻力峰值越大。由于试验使用的探头为双桥探头，因此贯入阻力结果未进行孔压修正，但仍反映出贯入阻力变化趋势。在试验中使用的T113探头的横截面积是T60探头的3.5倍，是T44探头的6.6倍，将静力触探探头有效面积比代入贯入阻力计算，得到3种探头的有效贯入阻力(图7)。根据全流动贯入仪在黏土中的试验研究[24]可知，球形探头的全流动贯入仪对低强度、流动性强的沉积物的测试准确性较高，同时直径越大的探头所测得的贯入阻力结果越大。T113探头尺寸与目前使用较为广泛的球形全流动贯入仪探头尺寸相同。由图7可知，有效贯入阻力峰值的大小关系为T44>T113>T60。T44探头的有效贯入阻力峰值最大，可能由于此探头直径与探头套筒直径相等，在黏土质粉砂类海底沉积物的贯入过程中探头侧壁摩擦阻力对测试结果产生了一定的影响，造成贯入阻力偏大。T113探头的有效贯入阻力峰值大于T60探头，和全流动贯入仪研究的结果一致。在1 m深度内，3种探头的贯入阻力相差不大，在1 m深度以上有较明显差别。

贯入阻力随深度的变化曲线特征可用于划分沉积物地层[25]。已有研究表明，山东半岛东侧海域存在楔形沉积体，由西向东逐渐变薄，地震勘察资料显示经度约为123.5°E处最薄，不足1 m，沉积物以黏土质粉砂为主[26-27]。本试验结果发现，在L1站位，3种尺寸探头结果均显示1～1.5 m深度内贯入阻力先增大后减小，存在贯入阻力次峰值，说明此深度沉积物强度较相邻层位有明显增大。 T44探头记录的贯入阻力变化更为敏感，能够反映较小阻力的变化，但存在明显的延迟效应，出现次峰值阻力深度较大，因此由其判断的沉积物分层的深度位置较T60和T113探头的深。

表3 贯入深度与贯入阻力结果统计表Tab.3 StatisticsTable of penetration depth and penetration resistance results

图7 L1站位有效贯入阻力结果Fig.7 Effective penetration resistance results at L1 station

由表3可知，L2站位的贯入阻力未出现明显的次峰值，贯入阻力峰值的平均值比L1站位的大，T44探头相差约5倍，T60探头相差约3.6倍，T113探头相差约1.8倍，这表明L2站位沉积物强度明显大于L1站位。由山东半岛海域相关研究[17,19,28]可知，L2站位区域为含砂量在40%以上的高含砂量区域，且分布不均匀，含砂量高的区域沉积物强度较大，这与本研究的贯入阻力结果特点相同。L2站位T113探头贯入阻力峰值平均值约为T44探头的1.6倍，约为T60探头的2.5倍，表明探头尺寸对贯入阻力有一定影响，探头尺寸越大，贯入阻力峰值越大。比较L2站位3种尺寸探头的有效贯入阻力峰值，大小关系为T44>T60>T113，与L1站位结果不同，相差倍数更大，T44探头的有效贯入阻力峰值为T113探头的4.1倍，为T60探头的2.8倍。因此，在砂质沉积物区域，探头尺寸增大，贯入阻力增大，有效贯入阻力降低，贯入深度变化不确定，此结果与静力触探试验结果类似，但本次试验贯入速度较静力触探大，需开展更多试验深入研究。

4 结论

FFP是一种可快速高效调查海洋沉积物的技术，可根据加速度和贯入阻力变化分析沉积物分层结构、判断沉积物类型。本文在黄海2个站位使用FFP进行海上原位试验，使用直径44、60和113 mm的球形探头，在相同的牵引速度下释放，获得了FFP的加速度、贯入阻力等数据，对比不同尺寸探头对判断沉积物性质的影响，得到以下主要结论：

(1)根据标准化深度结合硬度因子方法判别沉积物类型时，探头尺寸对细粒沉积物的判别无影响，但对粗粒沉积物的判断有影响。在粗粒沉积物中，探头尺寸增大使标准化深度减小，硬度因子增大，更易于分辨沉积物类型。

(2)在细粒沉积物中，探头尺寸对贯入深度和贯入阻力影响较小；在粗粒沉积物中，过大直径的探头使FFP贯入深度减小，贯入阻力增大。

(3)在强度较低的细粒沉积物中，不同尺寸探头能通过贯入阻力曲线判断沉积物分层，但分层深度有明显不同，小尺寸探头记录沉积物阻力变化更敏感，判断的沉积物分层位置有一定程度加深。