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  • 在海底管缆工程中硬质层判断标准是怎样的?

作者:xiaokcehui2023-10-12 1:31分类: others 标签: 海底硬质层

在海底管缆工程建设的过程中,勘察单位会给出硬质层的分布,提请设计和施工单位注意。由于没有施工经验,勘察单位对于将什么样的土层判断为硬质层充满困惑和不解。

1、硬层定义

我们所说的硬质层主要是坚硬的黏土或者密实的砂,下表是某单位根据不排水抗剪强度和相对密度分类黏土和砂的软硬性质。

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表中soft为软的,loose为松散的,firm、stiff为硬的,dense为密实的,weathered为风化的。

stiff、firm都是指硬的,它们的区别通过下面两句话来区分:

This wood is stiff, This tofu(豆腐) is firm。

从土力学的角度,stiff为坚硬的,firm为硬塑的,stiff土的液性指数小于0。

2、硬层经验

我们碰到过两次硬质底的情况,第一次是砂质粉土,第二次是密实砂。

第一次硬层为中密实到密实的褐黄色砂质粉土,埋深从0.5m至5m,先是从浅地层图谱上推测出来的,然后钻孔取样确认的。

浅地层图谱如下:

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钻孔取样的柱状图如下:

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第二次是中密到密实的粉砂。粉砂位于直线形沙波,沙波高1m-4m,其上还发育不到0.5m的砂纹。密实或中密的判断是通过静力触探实现的。当时专家的关注点是此沙波是否会移动,而不是此沙波蕴含硬质粉砂层。

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Flemming(2000)认为,在浅水,沙波的波高(或波长)与水深密切相关,在深水反之,沙波的增长不受水深影响。庄振业等(2004)认为,陆架浅水区(<18m)因受破波削顶作用使沙丘尺度与水深呈微弱负相关关系,深水区(>18m)水深对沙丘发育的影响甚微。一般而言,在同一区域的海底,沙波的最大波高不会超过水深的0.4 倍(见下表)。

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在海洋工程建设和维护时,沙波的定量化研究比较重要,主要包括两方面,一是要确定海底沙波的运移速率和方向,二是要确定沙波的空间大小。 但是,目前对于海底沙波的运移研究还处于定性和半定量阶段,而且沙波的大小分类原则也未形成共识。

由于只有一期资料,我们也不知道此沙波是否会移动,移动的速率如何。专家组长说了一个判断标准:如果沙波表层的粒径细,那么沙波就不移动,否则,沙波就是移动的。此处取样结果表明沙波是不移动的。据取样外业人员反映,3m的震动取样管是满的。

最后,地质人员将Cu大于48kPa的黏性土和相对密度大于0.7的粒状土定义为硬质层。

3、硬质层如何定义合理

我们先看海底管道施工的方式和适用条件。

海底管道的埋设方法分为预挖沟埋设、后挖沟埋设及自埋式,对应的常见挖沟设备有挖泥船、喷射式挖沟机、挖沟犁等。

预挖沟埋设法,顾名思义,在管道铺设之前把管道的海底沟槽按照规定要求开挖出来,在海底管道登陆段(潮差地带)、后挖沟船舶无法进入的地带及特殊保护段经常采用。预开沟按照使用设备的不同可分为抓斗式挖泥船开挖(见下图)、吸扬式挖泥船开挖、链斗式挖泥船开挖、水下铲斗式挖泥船开挖和爆破方法开挖。

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后挖沟埋设法是在管道铺设以后或铺设的同时,移除管道下面的泥土,管子靠自重沉入沟槽。由于该方法效率高,因此在没有预开沟特殊要求的区域,通常会优先考虑使用。后开沟埋设方法可分为水力(喷射)式(见下图)、机械式和犁式三种。

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喷射式挖沟机应用较为广泛,分为接触式和非接触式。常用于浅海(近海)海域及一般黏土及砂土属性的海床。理论上可处理土壤剪切力在80 kPa以下的海床。平均作业水深为0~90 m,单遍挖沟深度最大可达3 m,挖沟速度普遍为1.5~2 km/d,可以处理管道悬跨的海床修正作业。

犁式挖沟机适合深海硬质海床的挖沟作业,能有效防止土壤重新落回沟内。理论上可处理土壤剪切力在300 kPa以下的海床。同时,由于挖沟犁通常较重,在松软的土壤极易沉降,因此不适合软泥质、松散土壤的挖沟作业。对于硬质土质,沟深可达2.5 m,挖沟速度为4.3~10 km/d。一般不用于处理悬跨作业。

机械切割式挖沟机作业水深范围大,功率消耗低,适应性强,且操作方便。按工作装置作业原理,分为链式、盘状旋削式和柱状铣削式挖沟机。理论上可处理硬质海床,尤其是岩石质海床。不适合较软的黏土。对砂质土壤或硬质黏土工作效率低。沟深可达3 m,挖沟速度为7.2~13 km/d。一般不用于处理悬跨作业,且仅适用于处理小尺寸管道的挖沟作业。

从上面的内容可以看出,对于后挖沟而言,土壤剪切力80kPa和300kPa是选择不同挖沟机的关键性指标。当土壤剪切力大于80kPa,小于300kPa的时候,挖沟机要从喷射式换成犁式。如果我们设计的挖沟机是喷射式,那么是不是将土壤剪切力大于80kPa定义为硬质层?

4、小结

在勘察设计阶段,硬质层的定义依赖于设计的施工方式,如果主要的施工方式是后挖沟喷射式挖沟机,那么土壤剪切力大于80kPa为硬质层。定义Cu大于48kPa的土层为硬质层是比较保守的,但这样究竟合不合适,作为勘察方的我们并不清楚。设计单位也不置可否,只是要求将柱状图和CPT图放在成果图上,由施工单位自己看图判断。


参考文献

1、海床浅表层硬质薄层的声学识...南海北部荔湾管线路由区为例_李家钢

2、基于近钻头振动数据的海底硬质地层探测方法_徐梓辰

3、上覆硬质保护层海底管道检测技术探讨_杨肖迪

4、莺歌海中部区域硬质海底特征及其工程影响_陈岱新

5、硬质海床管缆动态稳定性_夏日长

6、http://www.qk.sjtu.edu.cn/oeet/article/2015/2095-7297/2095-7297-2-3-205.shtml

7、蔺爱军,等:海底沙波研究进展与展望


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