深海底表层沉积物强度贯入式原位快速测量研究

Strength of superficial sediments in deep sea is closely related with safety of submarine cables and pipelines, however, for the time being, there lack of a rapid, reliable and economic in-situ method of testing the strength. In the project, an In-situ Penetrator for Superficial-sediment Strength in Deep Sea (IPen) is proposed to realize such rapid and effective test in deep sea, and will be applied in northern slope of South China Sea. Researches to be carried out include factors influencing IPen penetration and structural optimization design; method of analyzing IPen test results for sediment strength; application of IPen in sediment strength investigation of the slope. Research methods include analyzing correlation between total weight, shape and size of probe and penetration velocity of IPen on its penetration depth and sediment strength with in-lab simulation experiments; establishing strength analytical mode on the basis of ultimate analytical method, movement equation and correlation formula between sediment strength and penetration velocity; obtaining local empirical parameters of sediment strength through comparison between in-situ test results and characteristic values of in-lab test results as well as results of previous cone penetration tests (CPT). Research results will promote in-situ testing techniques of submarine sediments and accelerate the development of marine geological testing means of China.

深海底表层沉积物强度直接影响海底管缆等工程设施安全，目前缺少快速、可靠低成本的原位测量方法。本项目拟建立一套深海表层沉积物强度原位快速测量方法，并在南海北部陆坡实际应用。拟开展的研究内容包括IPen贯入影响因素及结构设计优化研究；IPen沉积物强度确定解析方法研究；利用IPen进行南海北部陆坡沉积物强度调查的应用研究。研究方法是：采用室内贯入模拟实验，分析IPen质量、探头形状与尺寸、贯入速率对贯入深度及强度测试的影响；基于承载力极限分析法、运动方程及沉积物强度速率相关性公式建立强度解析模型，通过现场测试比对室内试验测试强度以及前期静力触探测试结果确定该地区解析方法的经验参数。研究成果将提升我国深海沉积物强度原位测试技术，促进海洋工程地质测试手段的发展。

深海底浅层沉积物松软、现场取样扰动大且导致应力释放等原因使得室内试验所测得的原状土样的物理力学性质指标往往与真实情况差异较大。本项目研究一种深海沉积物强度贯入式测量方法（In-situ Penetrator for Superficial-sediment Strength in Deep Sea，IPen），依据装置以自由下降贯入沉积物过程中获取的加速度、孔隙水压力变化，通过理论计算分析确定沉积物不排水抗剪强度。. 项目研究内容及成果主要包括以下几个方面：1）通过研究贯入速率对贯入强度的影响，发现砂土中贯入速率对其强度变化影响较小，可以忽略不计；而粘土中则贯入速率对强度影响较大，为此开发出一种沉积物率相关系数的快速测试方法。2）基于IPEN的优化设计实现了贯入过程中装置重心与浮心相互分离，保证贯入稳定性，并成功研制了操作简便性、通讯可靠性、运输便携以及测试稳定的现场测试仪器。3）提出了基于有效应力的沉积物强度解析公式，并基于该公式开发出一种消除海水压力影响的沉积物锥尖测试装置，实现海底松软沉积物强度的高精度测量。4）利用研究成果，在南海、黄海及渤海等多个海域开展了多次海底沉积物强度现场调查，并取得较为理想的结果。基于项目研究共发表论文9篇，其中SCI 3篇、EI 1篇；申请国家发明专利6项，授权2项；部分研究成果获得青岛市科技进步奖1等奖；基于项目研究共培养研究生4名。. 项目研究成果进一步应用于国土资源部青岛海洋地质研究所开展的“水合物区沉积物稳定性及评价”地质调查，提供20个站位的沉积物强度现场测试。基于项目研究成果在国内开展相关交流5次，并多次获同行好评。