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

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

荷蘭Geomil Equipment B.V. 公司MANTA-200海床靜力觸探(CPT)試驗系統是海床靜力觸探(CPT)試驗系統，其鏈式驅動設計，帶來了海洋靜力觸探系統的改變。可測試離岸海底土層力學性質，可以在500m以上水深地近岸環境中使用，最大可以在4000m水深地離岸環境中使用。
 

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

• 主體框架／裙板／配重塊
• 鏈式驅動連續貫入系統
• 壓力補償電源包
• 常壓容器
• 傳感器和深度編碼器
• 臍帶張力絞盤
• 控制及數據采集系統

海床靜力觸探(CPT)試驗系統的主體一般由框架、裙板和配重塊組成（圖4）。

框架主要是用來承載控制系統、電源、驅動系統和數據采集系統而設計的。一般在框架的頂部設計有工作平臺，操作人員可以在工作平臺上完成探桿的連接和拆卸工作（圖5），工作平臺在探桿連接工作結束后，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便，但試驗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角線的布設方式，該方式具有吊裝平穩，吊裝重量大的優勢。目前，一般都采用雙鋼纜的吊裝方式。
 

配重塊是用來增加設備的重量，提供大的反力，使貫入深度增加的輔助設備。配重塊的安裝可以分為兩種，一種是在框架的側面安裝，為了保證設備的平衡，一般采用對稱安裝的方式，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，這樣安裝的優點是安裝和拆卸方便，不增加設備的高度，但對采用月池吊裝方式的試驗來說，由于配重塊安裝在側面，裙板的尺寸增大，相對月池的尺寸也需要增大，對船體結構的要求高。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，這樣安裝的優點是不增加裙板的側向尺寸，但會增加整套設備的高度，吊裝會有一定的要求。總之，具體采用哪種配重，需要根據實際工程的需要來選擇。
 

目前，海床靜力觸探(CPT)試驗系統的貫入方式主要分為兩種，一種是采用齒輪驅動的貫入方式（圖6），另外一種是采用鏈式驅動連續貫入方式（圖7）。其中齒輪驅動貫入方式以荷蘭輝固(Fugro)集團公司的SEACALF系統和荷蘭范登堡（A.P.Van Den Berg）公司的ROSON系統為代表。而鏈式驅動連續貫入方式是在齒輪驅動貫入方式的基礎上發展起來的一種新型的海床靜力觸探(CPT)試驗系統貫入方式，以荷蘭Geomil Equipment B.V.公司的MANTA-200系統為代表，克服了齒輪驅動貫入方式的一些不足，可以提供大的貫入力、且操作簡便，性價比高。

齒輪驅動系統的貫入力是由四個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，該系統只可以驅動探桿，無法驅動套管。該驅動系統的缺點是：由于探桿與驅動齒輪之間為兩點夾持驅動，這樣的驅動方式容易造成探桿打滑或折斷，同時驅動力大小與齒輪的大小有關，驅動力最大只能達到10噸。
 

鏈式驅動連續貫入方式采用兩套鏈條液壓驅動（圖8），可以驅動探桿也可以驅動套管。由于兩套鏈條將探桿和套管緊緊夾住，為面接觸（圖9），因此避免了齒輪驅動重出現的探桿打滑或折斷的可能，同時由于接觸面增加，貫入力很容易到20噸，且大小可調，不用更換部件，相當于一套設備就可以滿足齒輪驅動的兩套設備的功能，且貫入力大，性價比高。采用鏈式驅動連續貫入方式，貫入速度可在18～28mm/秒之間調整，提升速度可在18～90mm/秒之間調整。
 

海床靜力觸探(CPT)試驗系統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、轉速表、系統壓力傳感器、環境壓力傳感器和溫度電源包等等。

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

海床靜力觸探(CPT)試驗系統的探桿需要在試驗之前就全部接好，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，在整個試驗過程中保持鋼纜的垂直。

海床靜力觸探(CPT)試驗系統的試驗數據是通過臍帶電纜傳輸到水/地面的。

海床靜力觸探(CPT)試驗系統一般采用兩套控制系統（圖11），一套為機械控制的系統，該系統控制海床靜力觸探(CPT)試驗系統的吊放、對中、水平等操作，一般采用操縱桿和HMI控制界面。另外一套為試驗數據采集和處理軟件，可以在試驗的過程中實時顯示試驗的參數和曲線，試驗結束后，通過系統的軟件可以整理出一套完整的試驗報告，整個過程的操作都智能、簡便。

國外除了有適用于深海操作的海床靜力觸探系統之外，還有適合于近岸淺水操作的靜力觸探系統。這類系統主要適用于近岸和近海CPT項目。探測的水深從2到30米。適合應用于港口、河流、航道、海峽項目等。具有安裝簡便、操作簡單、模塊化設計等特點。
 

下面以荷蘭Geomil公司的SHARK-200近岸靜力觸探試驗系統（下圖）為例對該類系統做一個系統的介紹。
 

整套系統包括以下部件：主機系統（配重和套管）、動力組件、CPT系統及套管、夾具、數據采集系統、孔壓探頭、電纜及備用件等。

SHARK-200系統可以安裝在駁船或拖船上，只要駁船或拖船漂浮穩定，且能水平固定在計劃測試的地點就可以了。所采用的支撐設備（如駁船）的起吊能力、停泊設施、定位方法等都會對SHARK系統的CPT生產作業有很大的影響。
 

SHARK-200系統通常可以抵抗1米高的浪，這取決于波浪垂直運動的頻率和速度。所采用船舶設備的反應劇烈程度與試驗完成的質量有很大的關系。
 

SHARK-200系統可以應對2米的垂直潮汐波動（在一個安裝周期內）。有經驗的操作人員如果能掌握一些操作技巧將對試驗的完成有很大的幫助。
 

在實際工程中，我們經常會遇到這種情況：
 

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

針對這種狀況，海外開發了井下靜力觸探試驗及采樣系統，又稱為Downhole CPT系統。
 

Downhole CPT系統的主要特點是將鉆探和靜力觸探、采樣等結合起來，采用循環推進的方式，推進系統在鉆孔內軸向定位并將靜力觸探頭或采樣器貫入到土體中，完成靜力觸探試驗和采集土樣。此時鉆探的主要功能就是清除觸探已經完成的土層或者鉆透靜力觸探無法完成的堅硬土層，以便開始下一回次的靜力觸探試驗或采取土樣。Downhole CPT系統在深層海底測試方面有優勢，從理論上來說，Downhole CPT系統能夠達到的深度與可以鉆進的深度是一致的，比如荷蘭Fugro集團公司的Downhole CPT系統已經到海底以下數百米的探測深度，而荷蘭Geomil公司的ORCA系統（即Downhole CPT）系統到了1500m的探測深度。
 

下面以荷蘭Geomil公司的ORCA系統為例，來詳細介紹Downhole CPT系統的工作方式。荷蘭Geomil公司的ORCA系統又稱為近岸可伸縮連續鉆進系統（圖13）。ORCA系統主要是從鉆孔底部獲取巖土工程數據。經過巖土測試和取樣，鉆探繼續前進，ORCA裝置隨之循環采集數據，直到最終鉆探深度為止。該系統能夠與GEOBORE-S鉆桿或類似型號的鉆桿配合使用，同時該系統也適應其它型號鉆桿（如BL PQ - API 6 5/8）的要求。
 

ORCA系統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。適應于10cm2的錐尖和5cm2錐尖，它應用于后者時推進力大。CPTtool最大行程為1.50米（可選3米），并且采用了Geomil數字式錐尖技術。

• 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推進取樣器，小巧輕便但比較適合較差的土質（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、數據采集系統。

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