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自由落體式觸探儀(如圖1)在其自身重力作用下加速垂直下落，然后貫入沉積層中。在貫入過程中，它測(cè)量水下的沉積層。這套儀器能貫入流體或固結(jié)淤泥層數(shù)米。它的重量為7-10千克，極限速度約為6.5米/秒，長(zhǎng)度為0.9米，直徑為0.05米，深度測(cè)量精度為0.05米。

當(dāng)前，歐洲大部分港口采用密度測(cè)量值來表征浮泥層的松散特性。密度以噸每立方米(t/m³)表示，并與水的密度進(jìn)行比較。浮泥與水的密度比值的增加取決于浮泥中顆粒的含量。浮泥由惰性顆粒(如砂粒和粉粒)和活性顆粒(如粘粒和有機(jī)物質(zhì))組成。水與活性顆粒結(jié)合在一起，絮凝顆粒之中和之間的水是封閉的。浮泥的密度測(cè)量值給出了顆粒和水的體積密度。在歐洲的幾個(gè)港口，采用浮泥密度為1.2T/m3的深度作為判定船舶能夠通過浮泥層的適航深度標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)判據(jù)最初是從假定的浮泥密度與強(qiáng)度或阻力之間的關(guān)系推導(dǎo)出來的。浮泥的流變是在外力作用下的塑性和彈性變形。

對(duì)于自由落體式觸探儀來說，外力是重力。對(duì)于進(jìn)入淤泥層的船來說，外力就是船的推進(jìn)力。當(dāng)像自由落體式觸探儀這樣的管狀物使淤泥變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種阻力。第一種阻力作用在觸探儀的圓錐體上，淤泥被推開并變形。把單位體積“V”(單位為立方米)的淤泥推開單位距離“d”所需的能量E(單位為焦耳)稱為圓錐體貫入阻力或錐尖阻力(單位為J/m³或Pa)。

當(dāng)觸探儀套管貫入到淤泥層中，淤泥與套筒之間的摩擦?xí)a(chǎn)生阻力。阻力(單位為牛頓)除以套筒表面積A(單位為立方米)得到抗剪強(qiáng)度。作用在觸探儀上的力如圖2中所示。

流變和密度隨時(shí)間的演變不同，因此不存在一對(duì)一的關(guān)系。

用自由落體式觸探儀上的一組獨(dú)立的板載傳感器來測(cè)量沉積層的密度和流變。壓力傳感器用于測(cè)定軟沉積層中的孔隙水壓力并推算出密度，這里的要求是沉積物(泥沙)剛沉積不久，在這種情況下孔隙壓力等于泥沙的重量。板載加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)被用來推導(dǎo)出速度，然后把速度導(dǎo)入到一個(gè)動(dòng)態(tài)模型中。該模型補(bǔ)償了阻力等外力因素。然后，使用該模型對(duì)在沉積物中完成的測(cè)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)果是高精度的圓錐貫入總阻力和抗剪強(qiáng)度，精度為2%，每貫入1厘米就有幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圓錐貫入總阻力是錐體移動(dòng)單位體積沉積物(泥沙)所消耗的總能量。抗剪強(qiáng)度是沿儀器套筒上貫入每單位深度所消耗的能量。

每落下一次，可獲得以下特性曲線。圖3顯示了某個(gè)港口某次落下的特性曲線，該港口采用了1.2t/m³的標(biāo)準(zhǔn)來確定適航深度。在評(píng)估不排水抗剪強(qiáng)度時(shí)，可以清楚地看出，該點(diǎn)位于高阻力的固結(jié)淤泥層中。

在另一個(gè)港口(圖4)，使用相同的1.2噸/m3標(biāo)準(zhǔn)來確定適航深度。然而，在這一點(diǎn)處的不排水抗剪強(qiáng)度很低，并且深度增加一米后抗剪強(qiáng)度也沒有改變，這表明存在優(yōu)化的空間。

自由落體式觸探儀可以用來精確測(cè)定水下沉積層的深度和厚度。它提供了關(guān)于沉積物結(jié)構(gòu)和分層的額外信息，比如對(duì)于多波束回聲測(cè)深儀數(shù)據(jù)來說。

在圖5中，210KHz回聲測(cè)深儀可確定沉積層的頂部，但33KHz回聲測(cè)深儀卻不能確定適航的底部，而自由落體式觸探儀可以提供完整的強(qiáng)度或減速剖面曲線，從而能夠正確評(píng)估沉積物。

自由落體式觸探儀在松散淤泥層中的運(yùn)行情況與船舶在淤泥中航行時(shí)的運(yùn)行情況之間可能存在密切關(guān)系。在船舶航行通過淤泥時(shí)，船頭會(huì)有一個(gè)與淤泥移動(dòng)有關(guān)的影響區(qū)域，在船體下面摩擦力將占主導(dǎo)地位。摩擦參數(shù)可以從剪應(yīng)力中推導(dǎo)出來。在淤泥是各向同性的假設(shè)下，這意味著在所有方向上預(yù)計(jì)的阻力都相等，在淤泥層中的每個(gè)位置處的圓錐貫入總阻力可以表示移動(dòng)單位體積淤泥所需要的能量，而剪應(yīng)力可以用來預(yù)測(cè)摩擦力。

根據(jù)Abelev(2009)文獻(xiàn)，預(yù)測(cè)物體與淤泥層相互作用情況的另一個(gè)關(guān)鍵因素是相互作用的速度。自由落體式觸探儀在松散淤泥層第一米處的平均沖擊速度為5-6米/秒。船舶進(jìn)入港口的速度為5-6節(jié)，也就是2.5-3米/秒。由于較高的速度，自由落體式觸探儀預(yù)測(cè)的阻力可能會(huì)超過船舶實(shí)際受到的阻力。

在鹿特丹港的Beerkanaal進(jìn)行調(diào)查時(shí)，自由落體式觸探儀被定期使用。選擇了一個(gè)活躍的沉積帶，并形成更密集的記錄格網(wǎng)。目的是從密度和強(qiáng)度演變的角度評(píng)價(jià)新的沉積層。最近，兩張間隔一個(gè)月的多波束圖提供了一張揭示沉積物積累的差異圖(圖6)。  已觀察到沉積物增高的最大值為1.5米，新沉積物淤積高度主要分布在0.5-1.0米之間，其中1.0米淤積可解釋為舊的疏浚挖槽被填滿。

調(diào)查了兩個(gè)區(qū)域。1區(qū)在Beerkanaal西側(cè)入口里面，沒有新的沉積(深藍(lán)色)。在Beerkanaal西側(cè)入口外面，新的沉積物經(jīng)歷6周沉積下來。第一次測(cè)量稱為T₀測(cè)量，6周后的第二次測(cè)量稱為T₁測(cè)量。

其目的是調(diào)查現(xiàn)有淤泥層之上新沉積層的密度和流變之間的關(guān)系，并將它們與在某個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)(Staelens(2013))進(jìn)行的模擬試驗(yàn)聯(lián)系起來。原始的淤泥層已固結(jié)，較長(zhǎng)時(shí)間沒有疏浚。原始淤泥層強(qiáng)度剖面(圖7，藍(lán)色曲線)顯示出以下特征。

自由落體式觸探儀的兩次測(cè)試位置標(biāo)在圖7上的1區(qū)101位置。第一次的測(cè)試時(shí)間為T₀，第二次測(cè)試時(shí)間為六周后的T₁。沉積層的圓錐貫入總阻力剖面無顯著差異，淤泥頂部的深度為18.7米。

觸探儀的兩次測(cè)試位置標(biāo)在圖8上的107位置。對(duì)于107位置，在多波束圖上有大約1米的差異。在強(qiáng)度剖面圖上也可以看到類似的差異。在T₀時(shí)，強(qiáng)度剖面曲線從23.6米開始，在T₁時(shí)，淤泥頂部深度為22.6米。

新淤泥層的圓錐貫入總阻力最大為8KPa。8 kPa的圓錐貫入總阻力相當(dāng)于100Pa的抗剪強(qiáng)度所需的能量損失。在PIANC(國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)，1997)和Wurpts R.(2005)的報(bào)告中，100Pa被建議作為可通航淤泥的最大屈服強(qiáng)度。

基于這些假設(shè)， 因?yàn)樵赑IANC(1997)屈服極限值之內(nèi)，新的沉積層仍然是可以通航的。

在相同的位置，用垂直的Beeker采樣器來測(cè)量密度。在107位置(在這里還測(cè)量了新沉積層)的第1米處采集了試樣。該取樣器的測(cè)量結(jié)果顯示，從淤泥層頂部到頂部以下約1米的范圍內(nèi)，密度幾乎保持不變。

根據(jù)在某個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)這種淤泥進(jìn)行的足尺模擬試驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)密度說明這些沉積物的沉積發(fā)生在不到20天前(圖10，改編自Staelens(2013))。

在感興趣的區(qū)域，用自由落體式觸探儀做了24次測(cè)量。僅考慮T₁多波束圖，這些測(cè)量結(jié)果在整個(gè)區(qū)域內(nèi)做內(nèi)插。取三維生成的強(qiáng)度體的橫截面(圖11)。

圖11描繪了采樣區(qū)的概況。在第400行取了一個(gè)橫截面。圖12顯示了該橫截面。有兩條洋紅色的線，它們分別是T₀和T₁時(shí)的多波束測(cè)量的深度。這兩條線之間就是新淤積的沉積物。在這個(gè)橫截面上該沉積層的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于8KPa的圓錐貫入阻力或100KPa的抗剪強(qiáng)度。

鹿特丹港目前正在使用密度標(biāo)準(zhǔn)來啟動(dòng)、控制和評(píng)估疏浚工程。目標(biāo)深度是23.65米。當(dāng)目標(biāo)深度以上沉積層的體積密度(容重)超過1.2噸/米3時(shí)，需要疏浚這些沉積物。在上述情況下，新沉積層滿足疏浚的條件。在這種情況下，沉積物頂部在23.65米以上，該沉積層的平均密度為1.22噸/米3。從強(qiáng)度上看，沉積層非常松散，其抗剪強(qiáng)度還沒有達(dá)到PIANC(國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)，1997)的100Pa水平。

在Staelens(2013)中提及的固結(jié)試驗(yàn)已證實(shí)，在固結(jié)的第一階段，密度演變得速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于強(qiáng)度。強(qiáng)度的演變似乎受沉積物的排水和沉積物的負(fù)荷共同驅(qū)動(dòng)，而密度的演變只需要排水。由于大部分新沉積層的厚度在0.5-1.0米之間，所以在這種特定情況下，沉積物的負(fù)荷相對(duì)較低。因此，強(qiáng)度的演變緩慢。在試驗(yàn)場(chǎng)也觀察到了這種現(xiàn)象；在試驗(yàn)場(chǎng)的觀測(cè)似乎與在現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)相一致，從而能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)強(qiáng)度和密度的演變。

密度和強(qiáng)度隨時(shí)間變化的這種差異為優(yōu)化疏浚工程提供了機(jī)會(huì)。通過跟蹤沉積物的強(qiáng)度參數(shù)而不是密度參數(shù)，可能會(huì)降低挖泥船動(dòng)員和快速響應(yīng)的成本。還可以通過控制沉淀物的強(qiáng)度來進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，從而使生產(chǎn)過程中幾乎所有的峰值變得平緩。

在沉積后的第一個(gè)月，松散的沉積層在自身重量和新沉積物重量作用下固結(jié)，其強(qiáng)度變大。通過疏浚固結(jié)層，并保持浮泥層不受影響或保持其松散，可能會(huì)優(yōu)化疏浚工作。