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重型海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)是一種重型的水下靜力觸探(CPT)系統(tǒng)。具有重量大、貫入力大、貫入深度大、作業(yè)水深大等特點(diǎn)。一般重量在5～28噸，貫入力在4～20噸，作業(yè)水深從幾百米到3000m，4000m，貫入深度可達(dá)20m，在正常固結(jié)的軟粘土中可貫入30～60m。主要適用于水下管線調(diào)查、沉管隧道、跨海大橋、砂礦調(diào)查、鉆井船位置調(diào)查及綜合海洋勘探等。
 

國外重型的海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)主要有荷蘭輝固(Fugro)集團(tuán)公司的SEACALF系統(tǒng)（圖1）、荷蘭Geomil Equipment B.V. 公司的MANTA-200系統(tǒng)(圖2)、荷蘭范登堡（A.P.Van Den Berg）公司的ROSON系統(tǒng)（圖3）。
 

荷蘭Geomil Equipment B.V. 公司MANTA-200海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)是海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)，其鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，帶來了海洋靜力觸探系統(tǒng)的改變?？蓽y(cè)試離岸海底土層力學(xué)性質(zhì)，可以在500m以上水深地近岸環(huán)境中使用，最大可以在4000m水深地離岸環(huán)境中使用。
 

整套MANTA-200海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

• 主體框架／裙板／配重塊
• 鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)連續(xù)貫入系統(tǒng)
• 壓力補(bǔ)償電源包
• 常壓容器
• 傳感器和深度編碼器
• 臍帶張力絞盤
• 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的主體一般由框架、裙板和配重塊組成（圖4）。

框架主要是用來承載控制系統(tǒng)、電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。一般在框架的頂部設(shè)計(jì)有工作平臺(tái)，操作人員可以在工作平臺(tái)上完成探桿的連接和拆卸工作（圖5），工作平臺(tái)在探桿連接工作結(jié)束后，可以拆卸下來以減輕主體框架的重量。在框架的頂部一般安裝有便于起吊的鋼纜，鋼纜的安裝方式一般有兩種，一種是單鋼纜吊裝方式，另外一種是雙鋼纜吊裝方式。其中單鋼纜吊裝方式安裝簡(jiǎn)便，但試驗(yàn)過程中很難控制主體框架的平衡，且吊裝的重量有限制；雙鋼纜吊裝方式一般采用對(duì)角線的布設(shè)方式，該方式具有吊裝平穩(wěn)，吊裝重量大的優(yōu)勢(shì)。目前，一般都采用雙鋼纜的吊裝方式。
 

配重塊是用來增加設(shè)備的重量，提供大的反力，使貫入深度增加的輔助設(shè)備。配重塊的安裝可以分為兩種，一種是在框架的側(cè)面安裝，為了保證設(shè)備的平衡，一般采用對(duì)稱安裝的方式，分別安裝2、4、6、8塊配重，每塊配重的重量一般為2～2.5噸，這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是安裝和拆卸方便，不增加設(shè)備的高度，但對(duì)采用月池吊裝方式的試驗(yàn)來說，由于配重塊安裝在側(cè)面，裙板的尺寸增大，相對(duì)月池的尺寸也需要增大，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求高。另外一種是在框架的底部安裝，采用與裙板尺寸一樣的配重，這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是不增加裙板的側(cè)向尺寸，但會(huì)增加整套設(shè)備的高度，吊裝會(huì)有一定的要求?？傊?，具體采用哪種配重，需要根據(jù)實(shí)際工程的需要來選擇。
 

目前，海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的貫入方式主要分為兩種，一種是采用齒輪驅(qū)動(dòng)的貫入方式（圖6），另外一種是采用鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)連續(xù)貫入方式（圖7）。其中齒輪驅(qū)動(dòng)貫入方式以荷蘭輝固(Fugro)集團(tuán)公司的SEACALF系統(tǒng)和荷蘭范登堡（A.P.Van Den Berg）公司的ROSON系統(tǒng)為代表。而鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)連續(xù)貫入方式是在齒輪驅(qū)動(dòng)貫入方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)貫入方式，以荷蘭Geomil Equipment B.V.公司的MANTA-200系統(tǒng)為代表，克服了齒輪驅(qū)動(dòng)貫入方式的一些不足，可以提供大的貫入力、且操作簡(jiǎn)便，性價(jià)比高。

齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的貫入力是由四個(gè)摩擦齒輪夾持探桿貫入操作，貫入力為4噸或10噸，不同的貫入力需要更換摩擦輪和泥土擦，該系統(tǒng)只可以驅(qū)動(dòng)探桿，無法驅(qū)動(dòng)套管。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：由于探桿與驅(qū)動(dòng)齒輪之間為兩點(diǎn)夾持驅(qū)動(dòng)，這樣的驅(qū)動(dòng)方式容易造成探桿打滑或折斷，同時(shí)驅(qū)動(dòng)力大小與齒輪的大小有關(guān)，驅(qū)動(dòng)力最大只能達(dá)到10噸。
 

鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)連續(xù)貫入方式采用兩套鏈條液壓驅(qū)動(dòng)（圖8），可以驅(qū)動(dòng)探桿也可以驅(qū)動(dòng)套管。由于兩套鏈條將探桿和套管緊緊夾住，為面接觸（圖9），因此避免了齒輪驅(qū)動(dòng)重出現(xiàn)的探桿打滑或折斷的可能，同時(shí)由于接觸面增加，貫入力很容易到20噸，且大小可調(diào)，不用更換部件，相當(dāng)于一套設(shè)備就可以滿足齒輪驅(qū)動(dòng)的兩套設(shè)備的功能，且貫入力大，性價(jià)比高。采用鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)連續(xù)貫入方式，貫入速度可在18～28mm/秒之間調(diào)整，提升速度可在18～90mm/秒之間調(diào)整。
 

海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的傳感器都安裝在主框架中，安放于水下，這些傳感器均防水，承高水壓功能。主要傳感器包括：深度編碼器、框架傾斜指示器、轉(zhuǎn)速表、系統(tǒng)壓力傳感器、環(huán)境壓力傳感器和溫度電源包等等。

為保證海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的正常使用，需配備合適的吊裝滑輪、探桿恒張力鋼纜和傳輸數(shù)據(jù)的臍帶電纜等（圖10）。

海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的探桿需要在試驗(yàn)之前就全部接好，放入海底，為了保證探桿的垂直，需要在探桿的頂部配裝恒張力鋼纜，將探桿在水中拉緊，在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持鋼纜的垂直。

海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過臍帶電纜傳輸?shù)剿?地面的。

海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)一般采用兩套控制系統(tǒng)（圖11），一套為機(jī)械控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制海床靜力觸探(CPT)試驗(yàn)系統(tǒng)的吊放、對(duì)中、水平等操作，一般采用操縱桿和HMI控制界面。另外一套為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理軟件，可以在試驗(yàn)的過程中實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)的參數(shù)和曲線，試驗(yàn)結(jié)束后，通過系統(tǒng)的軟件可以整理出一套完整的試驗(yàn)報(bào)告，整個(gè)過程的操作都智能、簡(jiǎn)便。

國外除了有適用于深海操作的海床靜力觸探系統(tǒng)之外，還有適合于近岸淺水操作的靜力觸探系統(tǒng)。這類系統(tǒng)主要適用于近岸和近海CPT項(xiàng)目。探測(cè)的水深從2到30米。適合應(yīng)用于港口、河流、航道、海峽項(xiàng)目等。具有安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。
 

下面以荷蘭Geomil公司的SHARK-200近岸靜力觸探試驗(yàn)系統(tǒng)（下圖）為例對(duì)該類系統(tǒng)做一個(gè)系統(tǒng)的介紹。
 

整套系統(tǒng)包括以下部件：主機(jī)系統(tǒng)（配重和套管）、動(dòng)力組件、CPT系統(tǒng)及套管、夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、孔壓探頭、電纜及備用件等。

SHARK-200系統(tǒng)可以安裝在駁船或拖船上，只要駁船或拖船漂浮穩(wěn)定，且能水平固定在計(jì)劃測(cè)試的地點(diǎn)就可以了。所采用的支撐設(shè)備（如駁船）的起吊能力、停泊設(shè)施、定位方法等都會(huì)對(duì)SHARK系統(tǒng)的CPT生產(chǎn)作業(yè)有很大的影響。
 

SHARK-200系統(tǒng)通常可以抵抗1米高的浪，這取決于波浪垂直運(yùn)動(dòng)的頻率和速度。所采用船舶設(shè)備的反應(yīng)劇烈程度與試驗(yàn)完成的質(zhì)量有很大的關(guān)系。
 

SHARK-200系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)2米的垂直潮汐波動(dòng)（在一個(gè)安裝周期內(nèi)）。有經(jīng)驗(yàn)的操作人員如果能掌握一些操作技巧將對(duì)試驗(yàn)的完成有很大的幫助。
 

在實(shí)際工程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到這種情況：
 

我們需要了解海床以下某堅(jiān)硬土層下部軟弱土層的靜力觸探力學(xué)參數(shù)，但常規(guī)靜力觸探系統(tǒng)無法穿透上部的堅(jiān)硬土層，以致我們無法得到下部軟弱土層的靜力觸探力學(xué)參數(shù)。

針對(duì)這種狀況，海外開發(fā)了井下靜力觸探試驗(yàn)及采樣系統(tǒng)，又稱為Downhole CPT系統(tǒng)。
 

Downhole CPT系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是將鉆探和靜力觸探、采樣等結(jié)合起來，采用循環(huán)推進(jìn)的方式，推進(jìn)系統(tǒng)在鉆孔內(nèi)軸向定位并將靜力觸探頭或采樣器貫入到土體中，完成靜力觸探試驗(yàn)和采集土樣。此時(shí)鉆探的主要功能就是清除觸探已經(jīng)完成的土層或者鉆透靜力觸探無法完成的堅(jiān)硬土層，以便開始下一回次的靜力觸探試驗(yàn)或采取土樣。Downhole CPT系統(tǒng)在深層海底測(cè)試方面有優(yōu)勢(shì)，從理論上來說，Downhole CPT系統(tǒng)能夠達(dá)到的深度與可以鉆進(jìn)的深度是一致的，比如荷蘭Fugro集團(tuán)公司的Downhole CPT系統(tǒng)已經(jīng)到海底以下數(shù)百米的探測(cè)深度，而荷蘭Geomil公司的ORCA系統(tǒng)（即Downhole CPT）系統(tǒng)到了1500m的探測(cè)深度。
 

下面以荷蘭Geomil公司的ORCA系統(tǒng)為例，來詳細(xì)介紹Downhole CPT系統(tǒng)的工作方式。荷蘭Geomil公司的ORCA系統(tǒng)又稱為近岸可伸縮連續(xù)鉆進(jìn)系統(tǒng)（圖13）。ORCA系統(tǒng)主要是從鉆孔底部獲取巖土工程數(shù)據(jù)。經(jīng)過巖土測(cè)試和取樣，鉆探繼續(xù)前進(jìn)，ORCA裝置隨之循環(huán)采集數(shù)據(jù)，直到最終鉆探深度為止。該系統(tǒng)能夠與GEOBORE-S鉆桿或類似型號(hào)的鉆桿配合使用，同時(shí)該系統(tǒng)也適應(yīng)其它型號(hào)鉆桿（如BL PQ - API 6 5/8）的要求。
 

ORCA系統(tǒng)由以下三種不同的井下鋼絲繩工具（圖14）組成：
 

• ORCA CPTtool, 能完成最大推力為100KN的井下CPT試驗(yàn)。適應(yīng)于10cm2的錐尖和5cm2錐尖，它應(yīng)用于后者時(shí)推進(jìn)力大。CPTtool最大行程為1.50米（可選3米），并且采用了Geomil數(shù)字式錐尖技術(shù)。

• ORCA活塞取樣器，能夠從軟土地基上獲得原狀土樣（F= 32，L =1.00米）。樣品提取后，取土管還能夠再次利用。

• ORCA推進(jìn)取樣器，小巧輕便但比較適合較差的土質(zhì)（F= 32，L =1.00米）。

  常壓容器

• 另外還包括：高壓水泵、鉆孔（頂部）閥門、打撈工具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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