В последние годы в ряде стран значительное внимание уделяется изучению технических свойств донных грунтов в глубоководных зонах морей и океанов. Вместе с традиционным способом изучения глубоководных осадков путем их отбора различными пробоотборными средствами и последующим исследованием в лаборатории, все большее развитие находят методы и средства, с помощью которых выполняется исследование свойств донных осадков без отбора их проб, испытаниями непосредственно на месте их залегания (испытания «in situ»).
В настоящее время существуют следующие методы натурных глубоководных исследований свойств донных грунтов:
а) использование надводных судов, с которых опускаются на дно специальные устройства и аппаратура, посредством которых определяют физические, механические и иные свойства морских отложений;
б) применение подводных самоходных устройств (подводных вездеходов), оснащенных необходимой аппаратурой для исследования механических свойств донных грунтов;
в) использование глубоководных аппаратов, оборудованных специальной аппаратурой для акустических и технических исследований донных грунтов;
г) применение «бесконтактного» способа исследования свойств морских отложений посредством изучения распространения в них звука, излучаемого с наводных и подводных судов на ходу.
Развитию перечисленных способов изучения свойств морских отложений в глубоководных зонах морей и океанов и применению их на практике способствовали успешные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы А. Ри-чардса, А. Индербитцена, Е. Хамильтона и других, результаты которых приводятся в ряде опубликованных монографий и статей.
Наиболее распространенный способ изучения глубоководных осадков путем опускания с борта исследовательского судна специальных приборов и устройств обеспечивает получение достаточно широких сведений о физических, механических, акустических и химических свойствах донных осадков. К этим приборам относятся денситометры, радиометры, пьезометры и т. п., а также устройства по определению механических свойств осадков статическим зондированием (стандартный конус), лопастным сдвигом (крыльчатка) и вдавливанием штампов (устройство по определению несущей способности). Для изучения механических свойств донных грунтов как естественных оснований подводных сооружений в Морской инженерной лаборатории США разработаны глубоководные испытательные установки «Дотипос» и «Лобстер», оборудованные кинокамерой, телевизором, крыльчаткой, статическим зондом, пробоотборником и другими приборами.
Фирма «Сперри рэнд корпорейшн» (США) создала автоматическую установку для комплексных исследований морского дна с помощью разнообразного съемного оборудования, позволяющего выполнять поисково-разведочные, инженерно-геологические, подъемно-спасательные и ремонтные работы.
Может быть перспективным способ, предложенный В. Ф. Андреевым, В. И. Савельевым и Е. Ю. Шехтером по опробованию глубоководных донных грунтов (отбор проб, зондирование, вдавливание штампов) с помощью оригинальной установки, основной особенностью которой является возможность вдавливания соответствующего снаряда в грунт (пробоотборника, зонда или штампа) и его последующее извлечение путем использования двух гребных винтов, вращающихся в противоположные стороны (прототип «подводного вертолета»).
Рис. 1. Автоматическая установка для комплексных исследований морского дна
Эти способы исследований с помощью обеспечивающих надводных плавучих средств, имея некоторые положительные стороны, обладают существенным недостатком в том отношении, что работы затрудняются, а подчас получаются некачественными, в связи с дрейфом судна на стопе и качкой его при волнении на море.
В США при изучении механических свойств глубоководных осадков широко применяется подводный вездеход «РУМ». Это самоходное устройство, снабженное телекамерой, манипулятором и эхосаундером, с помощью специального оборудования и аппаратуры (крыльчатка, конус-зонд, пробоотборники и др.) дает возможность устанавливать важнейшие механические характеристики морского дна (сопротивление сдвигу, сжимаемость и др.). Несущая способность придонного слоя грунта определяется путем измерения давления на него гусеницами вездехода. Всеми операциями по исследованию дна с помощью подводного вездехода «РУМ» управляют с пульта, расположенного на борту обеспечивающего судна.
Использование глубоководных автономных аппаратов в изучении технических свойств глубоководных осадков было начато в США в 1962 г., когда батискаф «Триест», выполняя специальные задачи ВМС, производил испытания грунтов крыльчаткой. С 1965 г. при изучении донных осадков в заливах Мэн, Мекси» канском, Калифорнийском и других начинают систематически использовать глубоководные аппараты «Алвин» и «Дип куэст» (соответственно глубины погружения до 250 м и до 1200 м). Эти аппараты переоборудовались для установки на них специальных приборов, обеспечивающих исследование важнейших технических свойств донных грунтов.
Рис. 2. Схема устройства для опробования донных грунтов:
1 — штанга со штампом; 2 — приводной двигатель; 3 — гребные винты; 4— трос; 5— кабель питания и связи; 6 — опоры
Основными средствами указанных исследований являлись:
— радиоактивные, электрические и акустические средства изучения плотности и влажности осадков на глубину до Г,5 м;
— пенетрационный конус, с помощью которого устанавливалась прочность грунтов на глубину до 1,5 м;
— крыльчатка, посредством которой определялась прочность грунтов (общее сопротивление сдвигу) на глубину до 3,5 м;
— пробоотборник, отбиравший пробы грунта до глубины 1 м с помощью манипулятора.
Центр подводных исследований ВМС США применял глубоководный аппарат «Дипстар-4000» (глубина погружения 4 км) для отбора колонок грунтов высотой 1 м и изучения акустических свойств донных грунтов на месте залегания «просвечиванием» их звуковыми волнами частотой от 3 до 10 кГц.
В последние годы разрабатывается так называемый «бесконтактный» способ изучения физических свойств донных осадков, их структурных и литологических особенностей путем посылки в морское дно и приема отраженных звуковых колебаний во время хода исследовательского судна (а также в процессе попутных исследований судами другого назначения). Предварительные результаты работ Э. Хамильтона свидетельствуют о больших возможностях и перспективности определения свойств донных осадков по их акустическим характеристикам (скорости распространения, величине затухания и др.).
Несмотря на крупные успехи, достигнутые за последнее десятилетие в области разработки и внедрения технических средств инженерно-геологических исследований дна морей и океанов, в особенности их глубоководной зоны, многие вопросы не нашли еще необходимого решения. Все еще стоит вопрос о разработке надежных средств отбора монолитов грунтов на глубину хотя бы до 10 м от поверхности дна, обеспечивающих ненарушенность и представительность пробы. До сих пор злободневной остается проблема создания эффективных и рациональных средств исследования технических свойств донных грунтов в их естественном залегании, в особенности большое внимание уделяется широкому применению геофизических методов исследований, и главным образом акустических средств.