海洋工程地质调查

海洋工程地质调查讲座牟信侃2023年8月

学习目的：通过本次学习，主要了解岩土工程勘察及海洋工程地质调查的根本内容、根本概念、根本要求，掌握不同的工作方法适用的范围。名词解释海洋工程：是指以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的，并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程。根据水深和空间区位分为海岸工程、近海工程和深海工程。海洋工程地质调查：在海洋工程规划或建设之前运用地质、工程地质及有关学科的理论知识和相应的技术方法，在预选场址及附近海域进行的海洋地质调查。区域海洋工程地质调查：指大范围小比例尺〔1：10万～1：50万〕的海洋地质调查。岩土工程勘察：根据建设工程的要求，查明、分析、评价建设场地的地质、环境特征和岩土工程条件，编制勘察文件的活动。〔具有明确的工程针对性〕1、岩土工程勘察

岩土工程的勘察阶段一般分为：可行性研究勘察、初步勘察及详细勘察三个阶段，工作深度和精度应分别符合选择场址要求、初步设计要求及施工图设计要求。从以下七个方面进行介绍：工程地质测绘、勘探与取样、岩土的分类、原位测试、地下水、室内土工试验、资料整理与报告编写。1.1工程地质测绘

工程地质测绘一般在可行性研究阶段或初步勘察阶段进行。

适合岩石出露或地貌、地质条件复杂的场地。

实施的方法主要有路线穿越法、追索法和布点法三种。1.2勘探与取样勘探是岩土工程勘察的一种重要手段，勘探的方法可分为直接的、半直接的和间接的三种。直接的：井探、槽探等，探查深度一般不超过地下水位。半直接的：钻探。间接的：触探〔静力触探、动力触探〕；工程物探等。当用于探测地层、构造等目的时是勘探手段，用于测定参数时那么为测试手段。钻探钻探方法包括回转、冲击、振动及冲洗等螺旋类钻头适合粘性土层钻进合金钻头适合除砾石层外的各类岩土层钻进金刚石钻头适合较完整的岩层钻进。冲击钻头主要适用砂砾石层钻进。取样合理地确定取样位置及数量，主要土层应大于6件。选取适宜的取样技术，尽量减少对土层的扰动。1.3岩土的分类岩石分类

按强度可分为：极硬岩石、次硬岩石、此软岩石及极软岩石四类。按风化程度可分为：未风化、微风化、弱风化、强风化、全风化和残积土。其中，花岗岩的强风化、全风化及残积土可据标准贯入试验锤击数划分。土的分类

按粒径分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类。按有机质含量分为：无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭四类。据沉积年代分为老沉积土和新近沉积土。粉土的密实度可据孔隙比分为密实、中密和稍密。粘性土可据IL划分状态。砂土可据标贯锤击数划分密实度1.4原位测试定义：在岩土体所在位置，根本保持原来的结构、湿度和应力状态进行的测试。包括载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、波速测试等等。载荷试验载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验。通过载荷试验可获得地基土的变形模量、临塑荷载、极限荷载等重要指标。平板载荷试验应据不同的岩性选择不同面积的承压板，一般为0.25㎡～0.5㎡，主要在浅层地基土上进行试验。而深部土体的承载力测试那么主要采用螺旋板载荷试验。静力触探试验主要适用于粘性土、粉土、密实粉砂、及含少量碎石的土层。根据需要选择不同探头，可分为单桥探头和双桥探头。由单桥探头测出比贯入阻力，由双桥探头测出锥尖阻力和侧壁摩阻力指标。探头应定期标定，试验前也应标定，并不少于3次；贯入速率应恒定为2cm/s，推力应为垂直方向。据静探结果结合地区经验可进行土的强度、压缩性、承载力、单桩承载力、沉桩可能性及判别砂土液化。

圆锥动力触探试验

根据落锤的质量分为轻型、重型和超重型三种：轻型动力触探的锤重为10kg，落距为50cm，记录贯入30cm的锤击数，适用于素填土及砂土、粉土粘性土等；重型动力触探的锤重为63.5kg，落距为76cm，记录贯入10cm的锤击数，适用于砂土及中密以下的碎石土；超重型动力触探的锤重为120kg，落距为100cm，记录贯入10cm的锤击数，适用于密实的碎石土。标准贯入试验标准贯入试验锤重63.5kg，落距为76cm，贯入器由外径为51mm的对开管和管靴组成，使用直径为42mm的钻杆，适用于砂土、粉土和一般粘性土。试验采用自动脱钩的自由落锤法，锤击速率小于30击/min，试验时首先打入15cm不计击数，然后记录每打入10cm的锤击数，累计打入30cm的击数即标准贯入试验锤击数。

十字板剪切试验

十字板剪切试验适用于饱和软粘土。十字板头插入钻孔底的深度不应小于钻孔或套管直径的3～5倍，静止2～3min后开始试验，扭转剪切速率宜采用1°～2°/10s，在测得峰值强度后继续测记1min，然后顺扭转方向连续转动10圈后，测定重塑土的不排水抗剪强度。该试验可获得土的抗剪强度峰值、抗剪强度剩余值及灵敏度。抗剪强度峰值相当于室内三轴试验的不固结不排水强度。波速测试波速测试可根据任务要求，采用单孔法、跨孔法或面波法。适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速。测定孔内岩体波速宜采用声波测试。剪切波波速测试，跨孔法的孔距在土层中宜为4m。土层的剪切波速可用于评价场地类型、砂土液化、地基的加固效果。场地的抗震设防烈度大于或等于6度时，应划分场地土类型和场地类别。

1.5地下水

地下水按埋藏条件可分为潜水、承压水和包气带水。地下水对根底工程产生静水压力、浮力、腐蚀性、动水压力等。地下水对混凝土的腐蚀性包括结晶性腐蚀、分解性腐蚀和结晶分解复合性腐蚀。地下水在均质土层中的渗流规律符合达西定律大范围场地地下水的流速宜采用指示剂法或充电法确定。渗透系数值一般通过渗水试验、注水试验、抽水试验及压水试验确定。渗水试验适用于测定包气带非饱和岩土层的渗透系数。用来确定粘性土渗透系数的渗水试验宜采用试坑双环法，现场测试砂砾石、砂土的渗透系数宜采用试坑渗水试验。注水试验适用于地下水位埋藏较深，不便于进行抽水试验的场地，或在干的透水层中进行。抽水试验适用于有一定涌水量的地层。根据不同的分类依据可划分多种抽水试验类型。勘察中一般采用稳定流抽水试验。压水试验适用于较为完整的岩体。1.6室内土工试验含水率与密度：它们是土的根本物理指标，一些重要的物理性指标由这两个指标得出。比重：是一项直接测定的指标，有经验地区可以据经验判定。液限和塑限：是综合反映土的粒径组成、矿物成份、土粒外表与水的物理化学作用等的两项重要指标。一般塑限测定使用搓条法，液限采用碟式仪或圆锥仪入土深度10mm〔17mm〕为准。渗透试验：用来测定土层的渗透系数。常水头渗透试验适用于砂土和碎石土等粗粒土，变水头渗透试验适用于粘性土。击实试验：可以获得土的最优含水量和最大干密度。固结试验：可以获得压缩系数、压缩模量、固结系数、先期固结压力等指标。施加的最大压力应为土的有效自重压力与加在土层上的附加压力之和。三轴试验：根据加压方式和排水条件的不同，可分为不固结不排水、固结不排水〔测孔隙水压力〕、固结排水试验，应根据工程要求采用不同的三轴试验。动三轴试验：用于判定土层在承受振动荷载时的性质。在判别土样液化时，如土样出现破裂，那么可判定土样液化。无侧限抗压强度试验：主要适用饱和粘性土。对内摩擦角接近为零的饱和软粘土，可用该强度代替自重压力下的不固结不排水三轴试验指标。1.7资料整理与报告编写

资料整理

及时编绘、检查、校核外业资料随时绘制地质剖面草图，分析地质变化情况划分岩土体单元采用数理统计方法进行整理分析岩土物理力学指标勘察报告编写

可行性研究阶段勘察报告重点分析场地整体的稳定性，评价可行性。初步勘察报告重点在于分别评价各区段的地质特点即建设适宜性，为初步设计方案提出建议及相应参数。详细勘察应分别说明各建筑物的工程地质条件，分析评价地基设计和地基处理等所需技术指标，对各种方案提出结论和建议。包括文字说明书、附图、附表、测试成果表、附件等。2、海洋工程地质调查调查阶段的划分：调查设计书编写阶段、外业调查实施阶段、资料处理与测试分析阶段、调查成果编制阶段。设计书编写时应尽量收集已有资料并经主管部门批准。调查内容包括：工程地球物理调查、海底土的物理力学性质调查、区域地震平安性分析等。测线布置原那么：按主测线在图上1cm长取一测点值计算，主测线与检测线交点数不少于调查区总点数的5％；除多波束测深外，其它调查主测线应垂直于海底地形走向，检测线与主测线垂直。2.1工程地球物理调查包括：导航定位、水深测量、侧扫声纳调查、地层剖面探测、多道数字地震调查磁法调查等工作内容。导航定位技术要求：定位方法采用实时差分GPS技术同一条作业船上，导航软件应尽量满足地球物理调查设备同步定位，并作好位置参数改正记录定位准确度不大于±10m坐标系采用WGS－84坐标系统，根据需要也可采用其它系统；采用墨卡托投影，根据需要也可采用高斯－可吕格投影及UTM投影工作前要求在点上进行GPS比测试验。假设采用WGS-84坐标系统，应在测区附近进行至少三个国家等级控制点的比测试验，计算相应的坐标转换参数导航定位作业要求：GPS接收电线应安装船上净空条件好的部位差分GPS定位至少能同时接收四颗GPS卫星的信号数据用于定位的卫星仰角应大于5°，PDOP值应小于5差分GPS数据更新率不大于1次/秒调查船应提前上线，延时下线，匀速航行值班记录详细水深测量技术要求：测量准确度：水深不大于30m时，误差小于0.3m；水深大于30m时，误差小于实际水深的1％；测线布设：单波束测深的主测线应垂直等深线方向，检测线垂直于主测线，且其总长不少于主测线总长的5％。多波束测深的主测线应平行等深线的主方向，检测线垂直于主测线，全覆盖水深测量时，保证相邻测线间不少于10％的重叠。深度基准面采用理论最低潮面，根据需要也可采用其它高程基准。名称解释：水位改正：由于潮汐现象，海面作周期性的升降运动，水深测量是在这个不断升降的海面上进行的，测得的深度是由瞬时海面起算的深度，为正确表示海底地貌就要把测得的深度化为从规定的深度基准面起算的深度，即水位改正。侧扫声纳调查技术要求：根据比例尺及海底复杂程度选择适宜的工作频率和量程全覆盖声纳测量时，相邻两测线的扫描重叠率不少于20％侧扫声纳系统应具有航速校正和斜距校正等功能模拟与数字记录同时进行拖鱼距海底的高度控制在扫描量程的10％～35％，当水深较浅及在海底起伏较大时，拖鱼距海底的高度可适当增大海底扫描图像清晰漏测超过或等于3个定位记点、记录声图无法正确判读时，应进行补测。地层剖面探测技术要求：根据调查任务需要选择浅地层、中地层或较深地层剖面探测浅地层剖面探测地层分辨率优于0.3m，中地层剖面探测地层分辨率优于1m，较深地层剖面探测地层分辨率优于3m记录剖面图像清晰，没有强噪声干扰和图像模糊、间断等现象仪器设备：根据探测深度不同可分为：浅地层剖面仪、中地层剖面仪及较深地层剖面仪多道数字地震调查技术要求：道数不小于24道，道间距不大于25m，数据采样率不大于1ms不正常工作道数低于4％或低于4道，测线空废炮率低于5％监视记录的记时线应清晰，道迹均匀，气枪同步信号和激发信号的断点清楚，每条测线的首、尾炮及每隔40炮应显示一套纸质监测记录测线布设尽量与其它地球物理测线一致，尽可能通过已有钻孔位置2.2海底土的物理力学性质调查包括：工程地质取样、工程地质钻探、工程地质试验等工作内容。工程地质取样技术要求：取样站位按网格状布设，其间距见调查标准取样设备及样品质量等级一览表取样时应两次定位，调查船到站和取样器到达海底时各测定一次一次取样样品重量达不到要求时，应重复取样，最多三次；样品重量达不到要求的那么视为空站，空站率不大于5%先测水深，再进行取样；现场测试和编录，填写取样记录表；按规定数量采集样品并按要求处理样品工程地质取样不同取样类型要求：表层取样取样方法：粘性土表层取样应采用箱式取样器，其次为蚌式取样器；底质为基岩或碎石的区域采用拖网取样要求：样品数量不小于1kg；箱式取样深度不小于30cm，达不到者作为扰动样箱式取样器到达甲板后，在箱体内插管取原状样柱状取样取样方法：柱状取样以重力取样为主，振动取样辅之取样要求：柱状样长度对软底质不小于3m，中等底质1m～3m，硬底质不小于0.5m；硬底质区采用振动取样方法，样品长度不小于2m；样品直径不小于72mm；取样管内应放塑料衬管工程地质取样现场编录和样品处理要求：一般要求：样品取出后立即进行现场编录；现场编录采用表格，一律用2H/H铅笔填写；对样品进行照相等现场编录内容包括：颜色和气味；状态和粘性；物质组成；结构构造；土类名称等样品处理要求：扰动样装入样品袋，再套2层～3层塑料袋密封，塑料袋之间放样品标签；柱状样品按30～50cm间距截取，样品两端加密封盖，然后用胶带颤裹并蜡封，自上而下编号和标记，按上下直立状态装入专用样品箱，严禁倒放或平放；箱式插管原状样处理与柱状样相同；样品应妥善装箱，之间充填缓冲材料，箱面标注“此面向上、防撞〞等字样；样品标注工程名称、海区、站位、样品编号、取样时间、取样深度及上、下端等工程地质钻探根本要求：实际钻探孔位与设计孔位距离图面上小于0.5mm开钻前及终孔后均进行水深测量，并做潮位改正，钻进时每回次量测水深，以校正孔深钻孔要求全取芯，岩芯直径不小于72mm岩芯采取率：粘性土不低于80％，砂性土不低于60％，风化破碎带不低于50％，基岩不低于70％进尺30m及终孔时应进行孔深校正，孔深误差小于0.3％，孔斜小于1°工程地质试验包括：现场测试、原位测试、室内土工试验等工作内容。现场测试主要指微型十字板剪切、微型贯入、含水率及密度试验等；原位测试主要包括标准贯入试验〔SPT)、静力触探试验〔CPT)、原位十字板测试等；室内土工试验〔略〕。工程地质试验现场测试主要技术要求：样品取上后，首先进行肉眼鉴定和描述，然后在截取的岩芯样段的顶、底部或箱式原装样中间部位，进行微型十字板剪切和微型贯入试验现场进行样品的含水率及密度试验参照土工试验方法标准。测试应避开试样中的硬质包含物和裂隙部位根据土质的软硬程度，选取不同类型的测头和不同测力范围的仪器工程地质试验微型贯入试验要求：贯入时应避开试样中的硬质包含物和裂隙部位；贯入点与试样边缘之间的距离和平行试验贯入点之间的距离应不小于3倍测头直径；测头应匀速地压入土中至测头上刻划线与土面接触为止。压入时测杆与土样应垂直；平行试验不小于3次，剔除偏差较大的值后，取其平均值，作为测试结果。微型十字板试验要求：该试验适用于均质饱和软粘土，试验操作应按以下要求进行：测试前检查仪器是否正常；用切土刀修平被测土样外表，将剪力板垂直插入被测土样至剪力板翼片的高度；将指针拨至零点，以1圈/分钟的速度匀速旋转剪力仪的扭筒，直至样品被剪断，假设样品剪切强度超过仪器量程那么试验结束。工程地质试验标准贯入试验〔SPT)、静力触探试验〔CPT)、原位十字板测试等技术要求〔略〕2.3区域地震平安性分析包括：地震构造评价、地震活动性分析、地震烈度与地震动衰减关系确定、潜在震源区划分、地震活动性参数确定、地震危险性概率分析及地震区划等内容。(注：针对性建设工程工程，根据建设工程规模的不同，需由具相应地震安评资质的单位进行。〕根本概念地震构造：与地震孕育和发生有关的地质构造。潜在震源区：未来可能发生破坏性地震的地区。地震动参数：表征地震引起的地面运动的物理参数，包括峰值、反响谱和持续时间等。超越概率：在一定时期内，工程场地可能遭遇大于或等于给定的地震烈度值或地震动参数值的概率。本底地震：一定地区内没有明显构造标志的最大地震。地震构造评价

根据规定的范围，对区域地震构造环境进行综合评价，确定不同震级的具体地震构造条件等。地震活动性分析

按规定编制地震目录、震中分布图及进行地震活动时空特征分析等。地震烈度与地震动衰减关系确定

应依据工作区的地震烈度衰减关系以及参考区的地震烈度和地震动衰减关系，换算与确定工作区的地震动衰减关系。潜在震源区划分

根据震源区划分标志及区域地震构造环境评价结果，按规定步骤划分潜在震源区。地震活动性参数确定

根据规定的原那么确定地震带、潜在震源区及本底地震的地震活动性参数。地震危险性概率分析

根据相关公式计算场点地震烈度或地震动参数的年超越概率，进行地震危险性概率计算的不确定性校正。地震区划

根本规定依据地震危险性概率分析结果及海底土性质编制地震区划图；地震区划图可用地震烈度或地震动参数确定；计算网格场点间距不大于地理经纬度0.05°。地震区划表述地震烈度区划图以整度分区；用超越概率水平表述，据工程要