静力触探在海底土层工程性质评价中的应用研究

静力触探在海底土层工程性质评价中的应用研究
吴波鸿;王贵和;刘宝林;王瑜;白士新
【摘要】随着海底隧道建设、海岸带开发、港湾建设和其他海洋资源的开发,静力触探技术(CPT)作为原位测试技术的一种,在海洋工程地质勘查中发挥着越来越重要的作用.现场进行静力触探试验以及室内试验,分析某海上场址工程中土的物理、力学性质的特点,通过对比分析对土层的抗剪强度、灵敏度和超固结比(OCR)进行评价.CPT测试数据显示当地层发生变化时,锥尖阻力(qc)和孔隙水压力(fs)会发生较大变化.对于较硬的黏土层,静力触探结果可能出现较大误差,土性参数评价时需要予以剔除.使用CPT测试数据对该场址地基土不排水抗剪强度、灵敏度和超固结比(OCR)进行评价时,其各自参数分别为:Nkt取15,Ns取6以及k值取0.3时,CPF测得不排水抗剪强度、灵敏度和超固结比与室内试验吻合较好.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)023
【总页数】6页(P123-128)
【关键词】静力触探;土性评价;室内试验;海洋工程地质
【作者】吴波鸿;王贵和;刘宝林;王瑜;白士新
【作者单位】中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083;中国地质大学(北京)国土资源部深部地质钻探技术重点实验室,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】P714.6
因具有速度快、数据连续、再现性好、操作省力等优点，静力触探技术(cone penetration test, CPT)已成为海洋工程地质调查的必不可少的手段之一。

在港口、海岸基础设施建设；海底隧道建设、电缆铺设；以及近海油气资源开采平台等工程中静力触探技术也是不可或缺的工程勘察手段。

根据CPT的测试结果，可以准确
地对工程建设区域的海底土层进行划分，确定场地工程中土层抗剪强度、灵敏度、超固结比(OCR)以及地基土的承载力等各物理力学参数，为工程项目的设计提供准确可靠的依据和安全保障。

以往，静力触探在陆域岩土或地质工程中得到十分广泛的应用, 积累了丰富的理论与工程实际经验[1]。

随着海洋开发向深海发展，静力触探技术越来越多地应用到
海洋工程地质勘查中。

国外海洋静力触探技术发展较早且积累了较多的实测经验和经验公式，而在国内的应用尚属起步阶段[2]。

1948年，电测式探头最早由荷兰市政工程师Bakker研制，随后静力触探技术在全世界得到了广泛应用与发展。

20
世纪60年代开始出现可用于浅海等水域使用得静力触探装置。

近年来，工作水深可达3 000 m，触探深度可达10 m静力触探系统已由英国DATEM公司生产并
开始适用于商业化[3]。

目前较为先进的深海静力触探设备是由荷兰制造厂商
a.p.v.d Berg生产的Roson海床深海静力触探系统和Wison-APB井下深海静力
触探系统[4]。

通过在黄土中的测试与实验，我国自1954年由陈宗基教授引进静
力触探技术[5]。

王钟琦等在此基础上进行了较大改进并研制了电测式静力触探设
备[2]。

近年来，尽管海洋静力触探技术在我国得到了较大发展，但与先进国家仍
存在明显差距。

众所周知，深海地基土的容许承载力、不排水抗剪强度、压缩性、灵敏度和超固结比OCR等土的工程特性可通过静力触探实验进行估算。

国外对此研究较早，早在1982年，Senneset等[6]、Campanella等[7]就提出通过静力触探有效锥尖阻力来估算地基土的不排水抗剪强度。

而Lunne等[8]通过英国北海粘土的三轴试验及
现场试验得出的不排水抗剪强度估算公式是目前国内外使用最多的估算方法，如
Rémai[9]等的应用。

Robertson和Campanella等[10]及Mayne[11]通过静力触探测试分别估算了黏性土的灵敏度和超固结比。

国内静力触探对地基土工程性能评价主要集中在陆域岩土工程中，海洋静力触探测试研究较少，且起步较晚[12]。

通过对深海稀软底质土层的工程性质分析，吴鸿云等[13]基于静力触探测试结果得到了东太平洋西矿区深海稀软底质剪切强度和贯入阻力。

李飒等[14]对南海迭层土的物理力学特性研究也是基于静力触探测试和室内试验完成的。

本文拟从现场进行静力触探试验以及室内试验出发，分析某深海场址工程中土的物理、力学性质的特点，对土层的抗剪强度、灵敏度和超固结比(OCR)进行评价。

1.1 深海静力触探设备
本次深海勘探使用的是由荷兰a.p.v.d Berg生产商生产的Wison-APB井下深海静力触探系统，如图1所示。

该系统主要包括以下几个部分：孔压静力触探探头(图2)、绳索推力系统和测试系统及带有脐带电缆和液压源的绞盘等部件组成。

行程为3 m的Wison-APB (50 kN)主要用于将测量锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力和地震数据的贯入仪推入土中。

而行程1 m的Wison-APB (100 kN)主要
用于将取样工具和十字板剪切仪推入土壤中。

该套设备和探头整体技术参数如表1所示。

1.2 现场试验概况
本文勘察任务为进行某海洋工程场址二期开发的工程地质调查作业。

目的是为了获得预定位置海底土质的详细资料，为固定式桩基平台设计和安装提供基础资料。

本文工程地质调查包括三个预定井口平台场址和一个单点系泊场址，其中地质钻孔4个共计475.3 m，CPTU测试孔6个共计260.5 m，本文所采用的数据主要来自
测试深度较大的平台场址孔(113 m)。

工程调查期间实测水深约为27.7 m。

1.3 室内试验
本文界限含水率试验、不固结不排水三轴实验和电动十字板试验等室内试验均在勘察任务委托方的土工试验室完成。

按《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[15]等规范执行。

2.1 不排水抗剪强度Su估算
目前国内外通过CPT试验估算不排水抗剪强度最常用的估算方法是使用修正的锥尖阻力qt来估算不排水抗剪强度Su[4]，如下式(1)和式(2)所示。

2.2 灵敏度St估算
黏性土的灵敏度为不扰动土抗剪强度与扰动土抗剪强度之比，如下式(3)。

在原位测试中，十字板实验结果能较好反映原位土的灵敏度，而在像深海等不适合十字板试验条件时，也可通过孔压静力触探(CPTU)数据估算灵敏度。

静力触探试验的侧摩阻力时扰动土不排水抗剪强度的函数，Schmertman[16]提出灵敏度可从摩擦比估算得出，如式(4)和式(5)。

2.3 超固结比OCR估算
土的应力历史通常用超固结比(OCR)来表达，如式(6)所示。

现有上覆土压力可直接从测得的浮容重计算得出，同时前期有效应力或者前期固结应力p′可从固结试验结果中得出。

亦可通过室内试验利用黏性土的不排水抗剪强度(Su)、塑性指数(Ip)、有效上覆土压力)估算OCR，如式(7)和式(8)。

从20世纪80年代以来，建立了不排水抗剪强度法、直接依靠孔压静力触探实验数据法等方法。

而以孔穴扩张理论和临界状态理论为基础的孔压静力触探实验数据法较为常用，如下式(9)。

3.1 本次静力触探结果
本文通过Wison-APB井下深海静力触探系统直接测得的锥尖阻力(qc)、侧摩阻力(fs)和孔隙水压力(u2)如图3所示。

因土中夹层排水性能特殊，锥尖阻力(qc)和孔隙水压力(fs)受锥尖周围土性的影响
明显，当地层发生变化时锥尖阻力(qc)和孔隙水压力(fs)会发生较大变化，如图3所示。

同时，在本次试验过程中发现贯入过程中连续监测孔隙水压力的变化可以改进对地层剖面的判别。

在地层发生变化时，探头中的孔压测试元件可以对孔隙水压力的变化做出反应。

因此在本文CPT测试与室内试验对比中，总结出如下存在明显误差点的土质情况：深度为15.7 m处为中密实的粉土与非常硬的黏土互层；深度分别为24.35 m, 33.2 m, 69.2 m和72.4 m处为非常硬的黏土与密实的粉土互层/迭层；深度分别为45.2 m, 45.6 m和69.2 m处为非常硬到坚硬的黏土；深度为103.65 m处为密实的粉土和砂纸粉土。

在进行土性评价时，上述地层CPT数据出现明显误差应予以剔除。

根据式(1)和式(2)可估算出不同深度处土的不排水抗剪强度，如图4所示。

由于海洋土层的特殊性，海上建筑物应考虑到涌浪、风暴等荷载，目前的测试手段很难在深海进行静载试验以直接估算单桩承载力。

单桩承载力的估算主要依据室内三轴试验。

然而，相比于室内试验静力触探试验可提供连续剖面图(如图4)。

因此静力触探提供的抗剪强度相比于试验点较少的三轴试验更具实际工程意义。

3.2 不排水抗剪强度Su估算
根据CPT测试结果，结合式(1)和式(2)估算土层的不排水抗剪强度。

并通过相关室内试验得到相应深度处土层的不排水抗剪强度，现场及试验室测试结果如下图5所示。

通过现场试验与室内试验对比不难看出，存在上文所提误差点的情况，因此剔除相应的静力触探试验误差点，得到如图6所示结果。

如图6所示，随着深度的增加，土层抗剪强度有增大的趋势。

对于本文调查的深海场址，采用的锥头系数Nkt取值范围为10～20，通过计算静力触探试验结果与室内三轴试验结果的方差，发现锥头系数Nkt取15时，方差最小，即当锥头系数Nkt为15时现场试验与室内试验结果吻合较好。

同时，不难发现利用静力触探方
法估算黏性土的抗剪强度时可行的，对于非黏性土，带有互层或者夹层及非常硬的黏土则不适应。

3.3 黏性土灵敏度St估算
通过室内不固结不排水三轴实验分别得到不扰动土和扰动土的不排水抗剪强度值，结果如图7所示。

如图7所示，尽管在较深取样深度的土样抗剪强度值存在一定的波动，但不难看出随着取样深度的增加，土样抗剪强度值增大，且不扰动土的抗剪强度大于扰动土抗剪强度。

通过图7所示数据，可根据式(3)计算土的灵敏度。

同时，通过现场静力触探试验结果依据灵敏度摩擦比关系[式(4)和式(5)]可估算现场试验获取的灵敏度，并与室内试验结果对比剔除误差较大的点后得到如图8所示结果。

如图8所示，室内试验获取的深海地基土的灵敏度与通过现场静力触探试验获取的灵敏度较为吻合。

其中通过计算静力触探试验结果与室内三轴试验结果的方差，发现当Ns取6时方差最小，即室内试验与现场试验获得的结果最为吻合。

由于在深海进行原位十字板试验较困难，且费用较高，根据上述结果，也可通过静力触探数据估算深海黏性土的灵敏度。

3.4 黏性土超固结比OCR估算
通过室内试验测得的塑性指数(Ip)，三轴抗剪强度(Su)，利用式(7)和式(8)计算黏性土超固结比，如图9所示。

同时，根据静力触探试验估算公式(9)，分别取k值为0.2,0.3和0.5，将静力触探试验估算结果与试验室计算得到的结果对比，如图9所示。

当土层出现互层或者土体比较坚硬的情况时，通过静力触探试验估算的OCR会有较大的误差。

如上文，图9剔除了较大误差的点。

然而从另一角度不难看出，当连续计算OCR时，如果出现于试验室数据明显不符时，则可以初步判断该点有互层或者土体比较坚硬。

如图9所示，通过计算静力触探试验结果和室内试验结果
对比，发现当k值取0.3时，方差最小，静力触探方法计算结果与室内三轴试验结果较吻合。

本文结合室内试验及现场静力触探试验对某海洋工程场址中土层的不排水抗剪强度、灵敏度和超固结比等工程参数进行了评价，得出主要研究结论如下：
(1) 静力触探是一种相对“独立”的原位测试方法，但并不意味着不需要与室内土工试验验证，对于重大工程，还是需要高质量的室内土工试验反算Nkt, Ns和k
等参数，对静力触探数据进行校正。

(2) 对于较硬的黏土层或密实的粉土互层/迭层等，静力触探结果可能出现较大误差，土性参数评价时需要予以剔除。

(3) 使用CPT测试数据对该场址地基土不排水抗剪强度、灵敏度和超固结比(OCR)进行评价时，其各自参数分别为：Nkt取15，Ns取6以及k值取0.3时，CPT
测得不排水抗剪强度、灵敏度和超固结比与室内试验吻合较好。

National standards of People’s Republic of China, Code for inverstigation of geotechnical engineering (GB 50021—2001), 2001
16 Schmertman J H. Guidelines for cone penetration test, performance and design. US Federal Highway Administration, Washington DC, Report, FHWA-TS-78-209,145.1978
【相关文献】
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2 王钟琦. 我国的静力触探及动静触探的发展前景. 岩土工程学报, 2000; 22(5): 517-522
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Feng Xiuli,Shen Weiquan. Marine engineering geological monograph. Qingdao: China Ocean University Press, 2006:84—88
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15 中华人民共和国国家标准,岩土工程勘察规范 (GB 50021—2001), 2001。