輕型海洋靜力觸探系統在黃河水下三角洲的應用＊

宋玉鵬，孫永福，李淑玲

（1.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；2.中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266071）

輕型海洋靜力觸探系統在黃河水下三角洲的應用＊

宋玉鵬1，2，孫永福1，李淑玲1

（1.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；2.中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266071）

輕型海洋靜力觸探系統是適合于海上作業的電測式原位測試系統，它通過傳感器可以同步測量錐端阻力、側壁摩擦力及孔隙水壓力等3項指標，從而推算海底土力學參數。使用輕型海洋靜力觸探系統在黃河水下三角洲淺水區域進行了地質勘察，勘察結果表明：該系統運行穩定，操作簡單，測試結果可靠，成果可以在海底土層結構劃分、地基土承載力計算和土體液化判別等方面進行應用，從而避免了常規地質鉆探取芯對樣品擾動造成測試結果失真的問題，該項原位測試技術可以在海洋工程或油氣開發中得到廣泛的應用。

靜力觸探；錐端阻力；側壁摩擦力；液化判別

靜力觸探系統是近年來發展起來的一項原位測試技術，其基本原理是通過靜力將探頭壓入土體中，通過探頭上的傳感器可測量錐端阻力、側壁摩阻力及孔隙水壓力等參數，從而實現土體力學指標的實時測試及計算，可以避免常規的取樣方法造成樣品擾動的問題，現場測量數據更能真實地反映土體的原始力學性狀。

靜力觸探試驗首先在荷蘭研制成功，并加以應用，因此國際上常稱靜力觸探試驗為“荷蘭錐”試驗，簡稱CPT（cone penetration test）或靜探［1］。目前，靜力觸探根據貫入動力裝置可以分為機械式靜力觸探和電測式靜力觸探兩種。機械式靜力觸探是通過機械裝置把帶有雙層管的圓錐形探頭壓入土中，在地面上用壓力表分別測量套筒側壁與周圍土層間的摩擦力和探頭錐尖貫入土層時所受的阻力。機械式靜力觸探的優點是儀器堅固耐用，容易操作，設備價格低，測試費用也相對較低，缺點是測試精度低，效率不高。電測式靜力觸探于1964年首先在我國研制成功［2］，原建工部綜合勘察院成功地研制了世界上第一臺電測式靜力觸探儀，探頭為雙橋（雙用）式，此項成果發表于1971年［3］。從20世紀70年代開始，電測式靜力觸探發展迅猛，應用趨于普遍。其中，最重要的進展是國際上于20世紀80年代初成功研制了可測孔隙水壓力的電測式靜力觸探（pieze cone penetration test），簡稱孔壓觸探（CPTU）［4］。它可以同時測量錐端阻力、側壁摩擦力和孔隙水壓力，為獲取土的更多工程性質及提高測試精度提供了極大的可能性和現實性，使電測式靜力觸探技術的精度和應用進入了一個新階段。

電測式靜力觸探測試連續、快速，效率高，功能多，具有勘探與測試的雙重作用；測試數據精度高，再現性好，重復性誤差小于5%；采用電測技術，便于實現測試過程的自動化，測試成果可由計算機自動處理，大大減輕了人的工作強度。

靜力觸探技術目前在陸地工程勘察中的應用和發展已趨于成熟，但在海洋工程勘察中還剛剛起步，所取得的成果相對較少［5］。

國家海洋局第一海洋研究所與環球勘探（亞洲）有限公司合作，引入了一套輕型座底式海洋靜力觸探設備，并在黃河水下三角洲進行了首次應用。該靜力觸探設備可同時測量土體的頂端阻力、側壁摩擦力和孔隙水壓力等3項指標，由此可推斷土體的類別、承載力并進行液化判別。

1 儀器簡介

輕型海洋靜力觸探系統結構可分為水上部分和水下部分。水上部分主要由計算機、液壓絞車、水上控制箱和穩壓器（UPS）組成，液壓絞車上配有3 000 m鎧裝電纜。水下部分主要是信號臺框架，內有電源密封艙、電控密封艙、探桿探頭系統（包括探桿、探頭、絞盤和其上的各種傳感器等，是數據采集系統）和其他輔助設備（傾角傳感器、高度計和壓力傳感器等）電源密封艙內有電動機和電流轉換器等，是水下部分的動力源，電控密封艙內有多種電路板，包括貫入編碼轉換器等，是水下部分的控制中心。水上部分和水下部分通過鎧裝電纜進行數據和操作命令的傳輸（圖1）。

圖1 輕型靜力觸探工作原理

輕型海洋靜力觸探系統尺寸為1.8 m（長）×1.8 m（寬）×2 m（高），錐端面積為2 cm2，探頭側面積為30 cm2，單位反力10 k N，重量為1 800 kg。貫入速率為2 cm/s，阻力分辨率為1 N（0.005 MPa），最大工作水深3 000 m，錐端傾角為30°±1°。

2 研究區概況

本次研究區位于黃河水下三角洲埕島油田海域。該區域為黃河多次尾閭改道形成的現代黃河三角洲，工程地質條件極為復雜。由于黃河尾閭的頻繁擺動以及極大的年沉積輸沙量造成海底沉積物分布不均，且工程地質特征在不同區段差異較大。近幾十年，由于黃河改道和徑流量急劇下降，泥沙來源趨于斷絕，在波浪、潮流、風暴潮及地震等外荷載作用下，在河口地區，尤其是在1976年以前老河口地區海底遭受迅速侵蝕，伴生著發育多種災害地質現象，對工程設施的安全穩定構成威脅。本次通過輕型靜力觸探的原位測試，獲取土層的層位分布及力學指標變化情況。

現場共完成了10個靜力觸探測試點，編號分別為C1～C10。同時，為對靜力觸探測試結果進行對比研究，在C1～C5點同時完成了地質鉆孔。研究區及各測試點位置見圖2。

圖2 研究區地理位置及靜力觸探布設

3 測試結果

3.1 地層的劃分

根據靜力觸探測試得到的錐端阻力及側壁摩擦力隨深度變化特征曲線，可以對土層結構進行判別。各測試點測試得到的錐端阻力及側壁摩擦力曲線見圖3和圖4。

靜力觸探錐端阻力和側壁摩擦力的曲線單元由以下幾部分組成：隨著貫入的開始而出現的起始臨界段；在某個單元深度范圍內因土層力學性質相同而出現的常數段；和隨著深度而逐漸增大或逐漸減小的滯后段組成［6］。用靜力觸探曲線判定土質類型，通常是按靜力觸探指標和曲線特征劃分土類［7］，即按錐尖阻力值、側壁摩擦力以及曲線特征3種因素共同制約劃分。一般來說，不同土類的錐端阻力、側壁摩擦力和平均摩阻比都有相應的取值范圍，并存在規律性。由粉質黏土—粉土—粉細砂—細砂，錐端阻力及側壁摩擦力的平均值逐漸增大，摩阻比（側壁摩擦力與錐端阻力的比值）的平均值呈逐漸減小的趨勢。

根據靜力觸探錐端阻力、側壁摩擦力隨深度變化關系，并參照鉆孔資料，研究區各靜力觸探測試點5 m以淺土體大致分為2層，表層為粉土，錐端阻力曲線表現為硬殼層的存在，靜力觸探測試結果其下為粉質黏土，表現為錐端阻力及摩阻力隨深度變化都比較平緩。

根據靜力觸探測試成果所反映出的錐端阻力及側壁摩擦力與土質特征對應關系，將各測試點土層結構進行劃分（表1）。

表1 各靜探點土層劃分

為驗證各靜力觸探點測試結果，在C1～C5點同步完成了地質鉆探工作，通過鉆探取芯進行層位劃分并與靜力觸探測試結果相比，二者有較好的對應關系。

3.2 承載力的計算

用靜力觸探確定地基土的承載力，目前國內外都是根據對比實驗結果，其中主要是與載荷試驗進行對比，并通過相關分析得到適用于特定地區或土性的經驗公式以解決生產實踐中的問題。運用靜力觸探成果推算土層承載力的經驗公式很多，針對不同區域不同土質各計算公式也不相同。筆者收集整理目前靜力觸探換算地基土承載力的計算公式，各公式適用條件各不相同（表2），其中，［R］為地基承載力容許值，PS為靜力觸探錐端阻力。

表2 地基土承載力計算經驗公式

根據研究區各靜力觸探點錐端阻力實測值，結合以上經驗公式，對研究區淺層粉質黏土層及粉土地基土承載力進行計算，結果見表3和表4。

表3 各靜探點粉質黏土層承載力計算結果kPa

表4 各靜探點粉土層承載力計算結果

通過計算可知，各經驗公式計算結果差別較大。研究區淺表層沉積物為黃河攜帶泥沙快速沉積形成，時間短，固結時間不長，總體上力學性質不高。依據土工試驗結果，結合區域經驗，研究區5 m以淺粉土層承載力一般為100～160 k Pa，粉質黏土承載力一般為80～120 k Pa，通過與計算結果進行對比，針對黏性土的計算公式計算結果普遍偏低，對于砂土，公式（2）、公式（5）及公式（8）除個別點數據有一定偏差外，總體上適用性較好。

3.3 土層液化的評判

靜力觸探法（CPT）判別砂土或粉土液化所采用的判別公式如下。

qccr＝qc0awauap

式中：qccr為飽和土液化臨界靜力觸探錐尖阻力（MPa）；

qc0為dw＝2 m、du＝2 m時飽和土液化臨界錐尖阻力（MPa）可按表5取值；

aw為地下水影響系數，aw＝1－0.065（dw－2）；dw為水位埋深（m）；

au為上覆非液化土層影響系數；au＝1－0.05（du－2），du為上覆非液化土層厚度（m）；dw為水位埋深（m）；ap為土體綜合影響系數，可以按表6進行取值。

表5 飽和土液化臨界錐尖阻力

表6 土體綜合影響系數

當實測錐尖阻力臨界值小于液化阻力臨界值時判定為液化土。

本次計算中，由于計算點位于海域且為淺層土，忽略地下水位及上覆非液化土層的影響，取aw與au均為1，運用上述公式對靜力觸探點粉土層在8度地震作用下不同深度處土體液化可能性進行計算，根據實測錐端阻力值，并與現場標準貫入試驗所取得的判別結果進行對比，（表7和表8）。

表7 靜力觸探液化判別結果

表8 標準貫入試驗液化判別結果

續表

通過計算并對比各靜力觸探點成果曲線，在7度地震作用下，C1測試點3 m以淺、C2及C6測試點2 m以淺粉土層存在輕微液化的可能性，在8度地震作用下，各測試點粉土層均存在液化的可能。

4 結束語

通過輕型海洋靜力觸探系統在黃河水下三角洲的應用，表明該系統運行穩定，操作簡單，所取得的測試數據可以在土層結構劃分及土體液化判別方面進行運用。隨著地質勘察精度要求的提高，靜力觸探測試技術由于其具有原位測試從而避免樣品擾動的優點，必將在工程地質勘察領域得到更加廣泛的應用。

［1］ 孟高頭.土體原位測試機理方法及其工程應用［M］.北京：地質出版社，1997：6－8.

［2］ 孟高頭.靜力觸探技術在工程地質勘察中的應用［C］//全國第三次工程地質大會論文集.成都：成都科技大學出版社，1988：73－78.

［3］ RUITER J de.Electric penetrometer for site investigations［J］.Journal of the soil mechanics and foundations division，1971，37：471－483.

［4］ CAMPANELLA R G.Recent developments in insitu testing of soils［C］∥Proceedings of the XI International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Amsterdam：National Research Council.1982：761－775.

［5］ 陸鳳慈，曲延大，廖明輝.海上靜力觸探（CPT）測試技術的發展現狀和應用［J］.海洋技術，2004，23（4）：32－36.

［6］ 展旭廣，張坤美.東營地區巖土工程勘察中靜力觸探成果的應用［J］.西部探礦工程，1999，11（6）：67－68.

［7］ 同濟大學地質教研室.電測靜力觸探1977［M］.北京：中國建筑工業出版社，1977：221－223.

國家海洋局青年海洋科學基金——波浪作用下黃河三角洲海底土穩定性及管道電纜安全研究（2010306）；公益性行業科研專項——近海海底地質災害預測評價及防控關鍵技術研究（201005005）.