东海大桥海上风电项目二期工程场地工程地质研究

东海大桥海上风电项目二期工程场地工程地质研究
李伟立
【摘要】为了评价东海大桥海上风电项目二期工程场地稳定性，通过对比分析场地内两类沉积区：正常沉积物和古河道分布区的土体物理力学性质。

本研究采用标贯和静力触探等原位测试手段和物理性质、固结特性、抗剪强度特性等室内试验手段。

试验研究结果表明沉积环境直接影响土层的颗粒级配及组分，颗粒级配又决定了土层的物理力学性质：上层粘性土表现为含水量高，密度低，孔隙比大，粘聚力大，内摩擦角小；下层砂质土表现为含水量低，密度高，孔隙比小，粘聚力小，内摩擦角大。

海底表层的水动力作用以及粘性土与砂质土分层界面的侵蚀作用导致土层呈现出超固结现象，对土体的物理性质也有部分影响。

%In order to evaluate the site stability of Second stage of the East Sea Bridge Offshore Wind Project , compare the physical and mechanical properties of the soil of two types of sedimentary area within the site:the ancient river sediments and normal sedimentation area.This study ,use SPT and static cone penetration testing methods in-situ and physical properties ,consolidation characteristics and shear strength characteristics test in
Laboratory.Experimental results showed that the particle size distribution and composition of sedimentary envi-ronment directly affects soil,particle size distribution which directly determine the physical and mechanical properties of soil:the upper clayey soil with high moisture content,low density,high void ratio,large cohesion, low internal friction angle;the lower sandy soil with moisture content,high density,small void ratio,low cohe-sion,large internal friction angle.Surficial hydrodynamic function and
erosion in the interface of clayey soil and sandy soil affected the consolidation state of soils which present over consolidated state ,which also affected the physical properties of the soils.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】5页(P9-13)
【关键词】海上风电;标贯;静力触探;物理力学参数
【作者】李伟立
【作者单位】上海勘测设计研究院有限公司，中国上海 200434
【正文语种】中文
【中图分类】P642
1 前言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，海上拥有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,使得近海风力发电成为近年来研究和应用的热点。

而近海风
力发电工程的场地稳定性评估又是确保风电顺利实施的前提，因此，对近海场地的工程地质研究和评价必不可少。

近年来，很多学者做了很多方面的工作，取得了丰富的成果。

其中马海鹏[1]总结
了上海地区的粘土、粉质粘土和粉砂的抗剪强度与静力触探比贯入阻力比之间的关系。

根据静力触探测试结果获得不同土层的抗剪强度，进而应用于地基稳定性计算。

成利民[2]通过将静力触探技术应用于海域勘察，可以更直观地估算桩基承载力，
判断地基土的工程地质性质。

胡增辉[3]综合考虑了标贯试验的修正方式，不排水
抗剪强度的确定方法，粘性土的塑性指数等因素的影响，建立了该地区土层的不排水抗剪强度和标贯击数之间的经验关系。

陈培雄[4]对采集的海底土样的静力触探
参数与海底土样的物理力学指标进行相关分析，分粘性土和砂类土二类，建立了海底浅表层土的静力触探参数与物理力学指标之间的相关方程。

邢恩桥[5]得到静力
触探参数与地基土层物理力学参数间的统计回归方程。

本研究的目的是详细查明拟建风机基础范围土层物理力学性质，为场地的稳定性和适宜性评价提供合理参数。

2 工程概况
上海东海大桥海上风电项目二期工程位于东海大桥西侧4 号通航孔和2 号通航孔
之间的海域，北距南汇南侧岸线约6km，南距洋山群岛岛岸线约10km，东距已
建上海东海大桥100 兆瓦海上风电示范工程约3km，海域平均水深在11m 左右，电场工程位置见图1。

工程区属三角洲前缘地貌类型。

海底地形总体上较平缓，实测海底滩面勘探孔孔口高程为-11.01～-12.38m。

图1 上海东海大桥海上风电项目二期工程：a.区域位置图；b.场地示意图
图2 钻孔土性分层以及颗粒分析：a.钻孔44-1；b.钻孔59-1
根据场地内暗绿-草黄色粉质粘土的分布情况，将场地划分为正常沉积区和古河道
分布区。

正常沉积区上部为饱和软粘土，中部为可塑～硬塑状的暗绿-草黄色粉质
粘土，下部为中密-密实状砂土；古河道分布区上部亦为饱和软粘土，受古河道切
割影响中部暗绿-草黄色粉质粘土缺失，相应上部淤泥质粘土厚度变大，下部亦为
中密-密实状砂土。

本研究分别在古河道分布区和正常沉积区选取钻孔44-1 和钻
孔59-1，来对比分析不同沉积环境下的土层的物理力学性质。

钻孔位置见图1，
钻孔土层的土性和成因类型见图2。

3 研究方法
采用工程船进行海上勘探及钻进取土土样，原位测试包括标准贯入试验、静力触探试验，获得的土样再进行室内土工试验，对试验过程简述如下：
标准贯入试验：在钻孔内的预定深度进行，标准贯入试验选用63.5kg 穿心锤及
75cm 长贯入器，自由落距为76cm，预打15cm 后，每10cm 计数一次，最后
以30cm 计总击数。

静力触探测试：采用辉固CPT 系统，CPT 平台吊置海底后，通过液压驱动把探杆匀速压入土中，压入速率保持每秒2cm。

在压入的过程中，系统能随深度连续记
录锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力的变化值。

室内试验：按国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行，包括
颗粒分析、土层物理指标测试、固结试验以及剪切试验，获得各土层的基本物理力学指标，包括天然含水量、密度、液限、塑限、塑性指数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角。

4 试验结果
土颗粒大小及其比例关系是决定海底土工程地质性质的指标之一。

图2 所示，钻
孔44-1 和59-1 土性分层和颗粒分析，整体而言两个区域钻孔的土体粒度都是由
细到粗，上层为粘性土，下层为砂质土，分层界限在12.6～13.3m 之间。

上层的
粉质粘土0.002～0.005mm 粒径所占比重为40.9～47.7%；下层粉细砂0.075～0.25mm 粒径所占比重为69.9～93.1%。

原位测试包括标贯和静力触探，结果如图3所示。

在砂质土里进行标贯测试，结
果表明，随着测试深度增加，标贯锤击数也逐渐增加，在40.44～43.44m 之间，锤击数达到50 次。

静力触探结果显示，上层粘性土中的锥尖阻力较小，小于
3MPa，下层砂质土中锥尖阻力显著增加，超过15MPa。

土体物理性质试验结果如表1 和图4 所示。

整体而言，土体含水量与密度成反比，随着深度逐渐增加，含水量逐渐减小趋于稳定，密度逐渐增加趋于稳定，含水量
在64.7～24.4%之间，密度在1.59～1.96g/cm3 之间。

对上层粘性土进行液塑
性测试，结果显示液性指数在12.7～22.6 之间，表明土性为粉质粘土～粘土。

固结试验结果如表1 和图5 所示，结果表明上层的粘性土初始孔隙比较大，下层
的砂质土初始孔隙比较小。

上层粘性土的压缩系数在0.42～1.78 之间；下层砂
质土压缩系数在0.11～0.24 之间。

上层粘性土的压缩模量在1.6～4.67MPa-1 之间；下层砂质土压缩模量在12.93～15.99MPa-1 之间。

从图5 可以发现粘性土
与砂质土分界线区域土样初始孔隙比较小，存在着超固结现象。

表1 室内试验结果表物理性质试验固结试验固结快剪试验深（m度）含（水%）量(g密/c度m3)液(%限)塑(%限) 塑性指数压缩系数压(M缩P模a-1量)粘(k聚Pa力)内摩（°擦）角44-1 1.30 33 1.85 30.8 18.1 12.7 0.42 4.67 - -2.80 53.3 1.67 43.9 23 20.9 - - 12.9 11.5 4.30 59.5 1.62 46.2 26.1 20.1 1.4 1.94 - -5.80 58.8 1.65 48.5 25.9 22.6 - - 12.9 10.1 7.30 64.7 1.59 47.3 25.2 22.1 1.78 1.6 - -8.80 47.1 1.73 38.4 20.9 17.5 - - 14.2 13.8 10.30 41 1.75 38 20.3 17.7 0.75 2.94 - -11.80 46 1.74 40.2 22.5 17.7 - - 15.7 11.1 13.30 33.9 1.81 34.1 19.5 14.6 0.59 3.41 - -14.80 30.3 1.86 - - - - 0.1 31.1 20.30 26 1.93 - - 0.12 14.13 - -26.30 24.4 1.96 - - - - 0 34.3 32.30 34.2 1.83 - - 0.15 12.78 - -38.30 28.2 1.89 - - 0.12 14.69 - -44.30 26.1 1.94 - - 0.11 15.99 - -59-1 1.90 30.2 1.93 31.8 18.5 13.3 0.31 5.84 - -3.30 57.4 1.64 50.2 25.6 24.6 1.36 1.95 12.8 10.1 4.80 64.2 1.61 49.2 25.3 23.9 1.54 1.82 13 12.2 6.30 53.5 1.68 41.2 23 18.2 1.16 2.15 - -7.80 39.5 1.81 33.7 18.9 14.8 - - - -9.30 27.5 1.93 35.7 18.9 16.8 0.44 4.13 - -10.80 25.3 1.99 33.6 19.1 14.5 - - - -12.30 25.4 1.98 37.2 20.4 16.8 - - - -13.80 33.6 1.86 - - 0.22 8.74 4.3 30.1 15.30 32.9 1.85 - - 0.24 8.09 5.7 29.6 18.30 30.1 1.92 - - 0.14 12.93 - -24.30 28.7 1.88 - - - - 0.1 36.1
30.30 28.8 1.9 - - 0.15 12.36 - -36.30 30.1 1.87 - - - - 0.1 31.9 42.30 29.7
1.87 - - 0.15 1
2.11 - -48.3 25.9 19.6 - - - - - 0.1 35.5
固结快剪试验结果如表1 和图3 所示，结果显示上层粘性土粘聚力较下层砂质土大，内摩擦角较下层砂质土小。

上层粘性土粘聚力在12.9～15.7kPa 之间，内摩擦角在10.1～13.8°之间；下层砂质土粘聚力在0～5.7kPa 之间，内摩擦角在29.6～36.1°之间。

图3 标贯、静力触探和固结快剪试验结果
图4 室内试验结果
图5 固结试验结果：a.44-1；b.59-1
5 讨论
通过原位测试与室内试验，综合比较了正常沉积区与古河道区的土层物理力学性质。

发现两个区域土体上层均为粘性土，下层为砂质土。

土体粒径对物理力学性质有重要影响。

上层粘性土粒径小于0.005mm，含水量量高，密度低，粘聚力高，内摩擦角低。

粒径0.05～0.005mm 之间的下层粉砂具有含水量低，密度高，粘聚力低，内摩擦角高。

沉积环境是影响土体颗粒级配、物理力学参数的最主要原因。

表层的淤泥质土是近7500a BP以来的新近沉积物，由于海底水流作用，土体呈表面超固结现象，初始孔隙比要比上层粘土要小（详见图5），液限、塑限以及塑性指数都较上层的粘土小（详见图4）。

上层粘性土为滨海～浅海沉积物，土体松软,孔隙大,软水性强,压缩性高,承载力小。

下层砂质土为河口～滨海沉积物，含水量高,多处于饱和状态，
压缩性低，承载力大，易发生砂土液化。

静力触探的特征曲线可以用于划分土层，通常淤泥质土锥尖阻力小、摩阻比较大、曲线平缓、无突变；粘土锥尖阻力小、摩阻力比较大、曲线变化小；砂土锥尖阻力大、摩阻比较小、曲线呈急剧变化的锯齿状[6]。

在相同时代成因条件下，砂质土
的锥尖阻力远大于粘性土。

静力触探的特征曲线可以用于划分场地土层以及评价场
地稳定性。

6 结论
本文通过对比分析上海东海大桥海上风电项目场地内两类沉积区：正常沉积区和古河道分布区的土体物理力学性质，发现两个区域的岩性分布基本一致，都是表层为新近沉积物，上层为滨海～浅海沉积粘性土，下层为河口～滨海沉积砂质土，沉积环境直接决定了岩性及颗粒级配，而土层颗粒级配又决定了其物理力学特性，海底的表层的水流作用以及粘性土与砂质土交界面的侵蚀作用，导致土层呈现超固结现象，也对土层的物理性质有影响，但对抗剪强度参数影响不大。

标贯和静力触探以及抗剪强度测试的数据可以直接用于场地地基稳定的评价。

□
参考文献：
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