DMT試驗(yàn)是在自升式平臺(tái)的固定工作面上進(jìn)行的。

圖1 2003年意大利威尼斯瀉湖DMT試驗(yàn)用自升式和鉆機(jī)

圖1顯示了2003年在意大利威尼斯瀉湖進(jìn)行土壤調(diào)查時(shí)使用的自升式平臺(tái)和鉆機(jī)，該項(xiàng)目屬于MOSE項(xiàng)目，MOSE項(xiàng)目是為了保護(hù)威尼斯免受漲潮影響而發(fā)起的一個(gè)項(xiàng)目。

圖2 意大利威尼斯瀉湖DMT試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)在2003年完成）

海底深度為海平面以下4m，圖2中的結(jié)果顯示了在海平面以下50 m處檢測(cè)到的砂層和淤泥夾層。

圖3顯示出了2006年在意大利瓦多利古雷使用重型卡車貫入儀進(jìn)行的自升式鉆井測(cè)試。安裝了一根厚金屬管，將直徑 為36 mm的套管從自升式平臺(tái)的工作面向下引導(dǎo)至海底，以避免探桿在水下最初12m處發(fā)生彎曲。

駁船可以在海浪的垂直方向上自由漂浮。貫入儀操作員小心地將探桿推進(jìn)到下一個(gè)測(cè)試深度。然后，斷開貫入儀頭，以 便進(jìn)行DMT和SDMT測(cè)量，而不使探頭在土壤中移動(dòng)。用一個(gè)擺錘，在表面用一根繩子激活，成功地產(chǎn)生了橫波，用于Vs的測(cè)量。

圖4中的試驗(yàn)結(jié)果展示了非常軟的頂部粘土層，厚度為5m，然后是砂和粘土的夾層。最右邊的剖面顯示了第一個(gè)使用SDMT獲得的海上橫波速度（Vs）剖面。

自升式平臺(tái)提供的固定工作平面允許進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)置，直接將板頭貫入和完成試驗(yàn)過程。然而，對(duì)于某些項(xiàng)目的預(yù)算來(lái)說，租用一個(gè)自升式平臺(tái)的成本可能太高了。與靜力觸探試驗(yàn)（CPT）相比，DMT的貫入技術(shù)和速度在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)干擾試驗(yàn)的壓力讀數(shù)，CPT的讀數(shù)應(yīng) 以2cm/s的恒定靜態(tài)貫入速率讀取。其原因是DMT的測(cè)試和貫入的兩個(gè)階段是獨(dú)立的和非同步的。該特性允許浮式駁船進(jìn)行DMT和SDMT試驗(yàn)，如圖5所示

圖5 在浮式駁船上進(jìn)行SDMT試驗(yàn)的配置

在意大利熱那瓦 港，卡拉塔?貝托洛（Calata Bettolo）的土地復(fù)墾項(xiàng)目中使用了這種裝置（圖6）。20噸卡車貫入儀放置在浮式駁船 上，如圖7所示。駁船用系在碼頭上的繩索水平固定，將其水平運(yùn)動(dòng)限制在水深的5%以內(nèi)。

圖6 卡拉塔貝托洛全景，熱那瓦港，意大利 2008年

圖7 2008年意大利熱那瓦港，重型卡車貫入儀放置在浮駁上

圖8 2015年意大利馬焦雷湖水平錨定浮式駁船上的鉆機(jī)

圖8示出了在意大利馬焦?fàn)柡M(jìn)行巖土工程勘察期間， 用于進(jìn)行SDMT試驗(yàn)的浮動(dòng)駁船上的鉆機(jī)。

考慮到波高非常適中，采用四個(gè)水下配重實(shí)現(xiàn)水平錨定，在開始測(cè)試活動(dòng)之前，預(yù)先安裝在每個(gè)測(cè)試位置。所有試驗(yàn)地點(diǎn)的最大水深為51m，要求的試驗(yàn)深度為入海底10m。圖9顯示了記錄的高質(zhì)量剪切波。圖10中的SDMT結(jié)果檢測(cè)出前3m的極軟材料，隨后是下面的砂層。

圖9 意大利馬焦雷湖的SDMT地震圖（2015年測(cè)試）：根據(jù)評(píng)估的時(shí)延記錄并重新分階段

圖10 意大利馬焦雷湖SDMT結(jié)果（2015年測(cè)試）

浮式駁船需要水平錨定，這在無(wú)保護(hù)的海上試驗(yàn)場(chǎng)地很難實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)自升式平臺(tái)系統(tǒng)可在水深約50m的范圍內(nèi)使用， 而最大的系統(tǒng)，如馬士基巨型自升式鉆井平臺(tái)（馬士基鉆井 2014年）可在最深130m的范圍內(nèi)使用。

海床系統(tǒng)特別適用于深水下測(cè)試，或當(dāng)水平錨定不可能時(shí)，因?yàn)樗鼈儽幌鲁恋胶５撞⑶要?dú)立于地表?xiàng)l件完成測(cè)試。

圖11 為美國(guó)東海岸橋址項(xiàng)目開發(fā)的直接貫入海底系統(tǒng)

圖11顯示了專門為美國(guó)東海岸某橋址項(xiàng)目開發(fā)的15噸直推系統(tǒng)。DMT測(cè)試在海平面以下40米處進(jìn)行，SDM測(cè)試在55米以下進(jìn)行。海床系統(tǒng)能夠貫入海底以下17m，然后由于遇到致密礫石層而停止。

圖13 2014年，在意大利菲烏米奇諾測(cè) 試了海床DMT原型

圖14 使用意大利菲烏米奇諾海底DMT原型獲得的初步結(jié)果（2014年進(jìn)行的試驗(yàn)）

鉆機(jī)被用來(lái)鉆過這一層并繼續(xù)下面的測(cè)試。如圖12所示，使用通用插值公式（Marchetti 1980）從DMT獲得的約束模量和不排水抗剪強(qiáng)度與從旁壓試驗(yàn)（PMT）、十字板剪切試驗(yàn) （VST）和CPT獲得的結(jié)果一致。海床DMT是一種特殊的海床測(cè)試系統(tǒng)，用于以固定長(zhǎng)度的貫入行程（例如10 cm）靜態(tài)貫入探頭。以20厘米的標(biāo)準(zhǔn)深度間隔貫入板頭可能需要兩個(gè)或更多沖程。這種不連續(xù)的貫入方法不會(huì)影響DMT的壓力讀數(shù)，因?yàn)樵囼?yàn)過程的貫入和測(cè)量階段之間存在上述區(qū)別。2014年開發(fā)并測(cè)試了海床DMT原型，最大貫入力為5噸，貫入行程約為4厘米。圖13 示出了該系統(tǒng)的示意圖，圖14示出了在意大利羅馬菲烏米奇諾機(jī)場(chǎng)附近的河流試驗(yàn)中獲得的初步結(jié)果。

DMT試驗(yàn)也可使用設(shè)計(jì)用于操作CPT探頭的商用海床裝置進(jìn)行。然而，這些機(jī)器非常昂貴，因?yàn)樗鼈冃枰诓恢袛喽鄾_程貫入系統(tǒng)的情況下，強(qiáng)制和監(jiān)測(cè)恒定的2cm/s貫入速率。

充氣膜所需的氣動(dòng)電纜是深層DMT測(cè)試的一個(gè)很強(qiáng)的限制。 從地表供應(yīng)的氣體通過電纜傳輸?shù)桨孱^。在傳統(tǒng)的氣動(dòng)DMT設(shè)備中，壓力讀數(shù)是從地面控制單元獲取的。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)程序指示完成A和B壓力讀數(shù)的可接受充氣時(shí)間間隔，以便將電纜兩端的壓力差降至最低?，F(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)表明，如果土壤不是非常軟，并且如果電纜長(zhǎng)度限制在100～150m，則電纜沿線的壓力均衡不是問題。在深海試驗(yàn)中，壓力均衡可能是問題，因?yàn)橥寥劳ǔ７浅＼洠绕涫窃诤５纵^淺的貫入深度，電纜必須足夠長(zhǎng)，以覆蓋水和貫入試驗(yàn)深度的總和。Medusa DMT由一個(gè)獨(dú)立的無(wú)纜探頭組成，能夠自動(dòng)完成側(cè)脹儀讀數(shù)（Marchetti 2014）。圖15示出了儀器的主要部件。由可充電電池供電的電路板激活電動(dòng)注射器，以液壓方式擴(kuò)張DMT膜。使用高精度壓力傳感器記錄壓力讀數(shù)。

圖15 Medusa DMT的主要部件

組成部分：一個(gè)電子開關(guān)、一個(gè)電池充電插座和一個(gè)USB端口可以在探頭一側(cè)的密封防水罩內(nèi)。打開Medusa DMT和設(shè)置時(shí)間原點(diǎn)(T0 = 0)時(shí)，必須使用電子開關(guān)。

USB端口用于編程Medusa周期 (TMCP)，使計(jì)算機(jī)與時(shí)間原點(diǎn)T0同步，并在測(cè)試結(jié)束時(shí)下載數(shù)據(jù)。

TMCP周期是執(zhí)行以下兩個(gè)操作所需時(shí)間的總和：

① 測(cè)量：電路板啟動(dòng)電動(dòng)注射器，以獲取A、B和（可 選）C壓力讀數(shù)。設(shè)TM為分配給此操作的最大時(shí)間。

② 等待貫入到下一個(gè)測(cè)試深度。讓TW=TMCP-TM作為第 二次操作的時(shí)間

例如，總周期TMCP可以設(shè)置為1分鐘，其中TM＝TW＝30  s。在周期的前30 s中，將完成DMT讀數(shù)。然后，Medusa將保持在空閑狀態(tài)，直到1分鐘結(jié)束。在這段時(shí)間內(nèi)，將繼續(xù)貫入，以將探頭貫入到下一個(gè)測(cè)試深度。循環(huán)按順序重復(fù)， 直到用電腦通過USB關(guān)閉或中斷Medusa。與Medusa時(shí)間原點(diǎn)（T0=0）和周期參數(shù)（TMCP、TM和 TW）的同步，使計(jì)算機(jī)軟件能夠在屏幕上自動(dòng)指示何時(shí)進(jìn)行DMT測(cè)量，何時(shí)儀器空閑，等待貫入達(dá)到下一個(gè)測(cè)試深度。軟件要求用戶在開始每個(gè)測(cè)試周期之前確認(rèn)Medusa的深度（默認(rèn)值比之前的測(cè)量值低20 cm）。取回Medusa后，存儲(chǔ)在其EPROM存儲(chǔ)器中的測(cè)試數(shù)據(jù) 將通過USB端口下載到計(jì)算機(jī)上。DMT壓力讀數(shù)與周期編號(hào)相關(guān)，從時(shí)間原點(diǎn)T0開始。每個(gè)周期對(duì)應(yīng)于板頭的特定深度，由用戶在測(cè)試完成期間記錄。軟件使用周期編號(hào)將壓力讀數(shù)分配給相應(yīng)的探測(cè)深度，將數(shù)據(jù)處理到正常的DMT測(cè)試。

與傳統(tǒng)的膨脹計(jì)試驗(yàn)一樣，A、B和C讀數(shù)必須用校準(zhǔn)偏移量Δa和ΔB進(jìn)行校正，以分別獲得p0、p1和p2。必須在將探頭放入水中（近岸）之前或貫入土壤（陸上）之前獲取ΔA和ΔB值。探頭必須處于垂直位置，以便還包括系統(tǒng)中液壓液體重量的壓力效應(yīng)。Medusa可以選擇使用連接到地面電腦的電纜進(jìn)行操作。應(yīng)盡可能使用這種有線配置。在這種情況下，總體測(cè)試效率更高，因?yàn)橛脩艨赡芤笤谪炄胪瓿珊罅⒓撮_始每次測(cè)試，而不是等待下一個(gè)周期（TMCP）。用戶也可以像使用傳統(tǒng)的氣動(dòng)DMT設(shè)備一樣，持續(xù)監(jiān)測(cè)膜接觸狀態(tài)和施加到膜上的當(dāng)前壓力。此外，DMT壓力讀數(shù)是實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)的，可以繪制測(cè)試結(jié)果的初步剖面。其他參數(shù)也可用，例如注射器活塞的位置、提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的電壓和電流，以及其他有助于降低斷桿風(fēng)險(xiǎn)（例如傾斜）的信息。Medusa 可以用任何機(jī)器推進(jìn)土壤，包括貫入儀和鉆機(jī)。無(wú)纜版本相對(duì)于有線配置，更簡(jiǎn)單，且增強(qiáng)了適應(yīng)性。

Medusa 自動(dòng)化消除了傳統(tǒng)氣動(dòng)扁鏟側(cè)脹儀測(cè)試配置中使用的氣動(dòng)電纜、控制單元和氣罐。壓力產(chǎn)生和深度測(cè)量的集成克服了使用長(zhǎng)氣動(dòng)電纜時(shí)可能出現(xiàn)的任何壓力均衡問題。操作人員不參與膜的膨脹。編碼在Medusa固件中的算 法定義了一個(gè)可重復(fù)的膜充氣和放氣過程。這消除了由于缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作人員造成的任何可能的不確定性，這些操作人員與標(biāo)準(zhǔn)中的指示相比，可能充氣速率不足。注射器活塞的 體積控制速度可重復(fù)計(jì)時(shí)，以獲得DMT讀數(shù)（A、B和可選 C），精度為1s。這在充氣時(shí)是不可能的，因?yàn)闅怏w的高壓縮性。

注射器可注入液體的有限性可防止膜過度膨脹，從而改變膜的校準(zhǔn)常數(shù)或永久損壞膜。

校準(zhǔn)腔內(nèi)的初步試驗(yàn)表明，A讀數(shù)可在試驗(yàn)循環(huán)開始后約12s內(nèi)獲得，B讀數(shù)可在試驗(yàn)循環(huán)開始后約45s內(nèi)獲得，與壓力值無(wú)關(guān)，且無(wú)精度損失。這種快速測(cè)試執(zhí)行在生態(tài)位粉土中可能特別有用（Marchetti 2015），其中對(duì)B讀數(shù)的部分排水影響可能會(huì)顯著降低。目前正在進(jìn)行的進(jìn)一步研究需要 評(píng)估液膜膨脹的可能效益，以改進(jìn)對(duì)此類中間土壤巖土參數(shù)的解釋為了評(píng)估從注射器活塞的測(cè)量位置推斷出的注射器注入液體的體積與膨脹過程中的膜位移之間是否存在合理準(zhǔn)確的關(guān)系，還需要進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)。如果有這樣的關(guān)系，就有可能估計(jì)每個(gè)DMT試驗(yàn)循環(huán)的整個(gè)加載-位移曲線。Medusa DMT還可以擴(kuò)寬扁鏟側(cè)脹儀成功完成消散試驗(yàn)的土壤適用范圍，扁鏟側(cè)脹儀通常用于估算固結(jié)水平系數(shù)C_h。

圖17 在約450kPa壓力下，使用Medusa DMT的標(biāo)定室中，在整個(gè)DMT循環(huán)中的壓力、膜接觸狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)電流隨時(shí)間的關(guān)系圖

圖18 意大利塞薩諾陸上用傳統(tǒng)氣動(dòng)DMT設(shè)備和Medusa DMT獲得的膨脹計(jì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（試驗(yàn)于2016年進(jìn)行）

對(duì)于傳統(tǒng)的氣動(dòng)DMT設(shè)備，這種試驗(yàn)只推薦在非常細(xì)粒的土層中進(jìn)行，與獲得序列的第一個(gè)A-讀數(shù)所需的大約15秒的典型時(shí)間相比，這種土層的消散速率很慢。在大約23s的時(shí)間內(nèi)重復(fù)A讀數(shù)的可能性可能會(huì)擴(kuò)大用于進(jìn)行特別的DMT消散試驗(yàn)的土壤范圍。

與傳統(tǒng)的DMT配置相比，Medusa的主要缺點(diǎn)是在發(fā)生斷桿和探頭丟失的情況下增加成本。DMT板頭比MedusaDMT便宜，Medusa DMT包含圖15所示的附加組件。此 外，Medusa DMT中的膜更換不像氣動(dòng)板頭那樣簡(jiǎn)單，因?yàn)樽⑸淦骱桶孱^中的液體必須小心飽和。

Medusa DMT已經(jīng)在一個(gè)校準(zhǔn)腔中進(jìn)行了測(cè)試，其中大部分了水（比如90%），其余的充滿了空氣。腔室蓋上的連接用氣體給腔室加壓。圖16示出了用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行初步試驗(yàn)的腔的圖片。校準(zhǔn)腔的蓋子被設(shè)計(jì)成將板頭放在校準(zhǔn)腔內(nèi)， 將電動(dòng)注射器放在校準(zhǔn)腔外。用有線版Medusa監(jiān)測(cè)膜的壓 力及其與時(shí)間的接觸狀態(tài)。圖17示出了完整的由Medusa進(jìn)行的DMT循環(huán)，校準(zhǔn)腔壓力約為450 kPa。

Medusa DMT在意大利塞薩諾的陸上現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試（2016年）。圖18示出了用Medusa DMT和傳統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果之間的比較。良好的協(xié)議提供了系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的首次驗(yàn)證。計(jì)劃在非常軟的土壤中進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，預(yù)計(jì)Medusa DMT將提供更高的精度。

本文給出的例子描述了在使用傳統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行近岸 DMT/SDMT試驗(yàn)時(shí)成功使用的各種配置。這項(xiàng)技術(shù)的局限性，特別是氣動(dòng)電纜的要求，可以解釋為什么這種原位測(cè)試工具不常用于海上調(diào)查。新開發(fā)的Medusa-DMT是一種獨(dú)立的無(wú)纜探頭，能夠自主地進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。該裝置在設(shè)備和試驗(yàn)程序方面大大簡(jiǎn)化了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。最初的設(shè)想是為了克服深海扁鏟側(cè)脹測(cè)試的困難，它的特點(diǎn)也使其適合于陸上測(cè)試，可以選擇使用電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。由電動(dòng)注射器調(diào)節(jié)的膜的體積控制膨脹使得DMT的性能得到提高。測(cè)量速度非?？?，壓力讀數(shù)所需時(shí)間的重復(fù)性很高。

資料來(lái)源：Geotechnical Testing Journal

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