談海上風電項目標準貫入試驗擊數的修正方法

張 長 飛

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003)

1 概述

近年來，海上風電成為風電開發的熱點，海上風電開發具有風力資源豐富、不占用陸地、發電利用時間長、適宜大規模開發等特點。海上風電潛力巨大，在國家政策引導下，海上風力發電得到了長足發展。海上風電勘察作為項目建設的關鍵性環節，顯得尤為重要。

海上風電勘察是通過勘探、測試、分析等手段為風電建設提供必要可靠的海底巖土及環境特征，查明海上結構物影響范圍內的巖土層分布及其物理力學性質，為風機組基礎設計、海上施工、安裝提供科學依據。標準貫入試驗作為一種原位測試手段，應用極為廣泛，根據標準貫入試驗擊數可確定：黏性土的狀態和無側限抗壓強度；砂土的密實度和內摩擦角；各類土的容許承載力；全風化巖與強風化巖的判別；判別砂土的液化；預制樁的可打性分析等。標準貫入試驗在海上風電勘察項目中也有很多應用，海上施工區域風浪較大，水深一般在幾米到幾十米，這種環境導致海上標準貫入試驗相較于陸上標準貫入試驗，可靠性降低。本文將依托于工程實例，對試驗N值的影響因素及修正方法進行分析，以期對提升海上標準貫入試驗的可靠性有所幫助。

2 標準貫入試驗N值影響因素及修正

2.1 風浪影響

海上標準貫入試驗的測試環境較為復雜，受風浪影響較大，風浪作用會使得施工船體不穩，導致試驗過程中出現落錘距離變化以及試驗探桿傾斜，落錘與探桿之間產生摩擦力，進而影響試驗的準確性[1]。根據多年的海上工作經驗，采用1 000 t以上的勘探船，在風力在5級以下，浪高1.5 m以下環境作業時，勘探平臺受到的風浪擾動相對較小，此時標準貫入試驗受風浪的影響相對較小；根據最新的海上勘察技術手段顯示，采用自升式勘探平臺也是降低風浪影響的有效辦法，這種工況下進行標準貫入試驗可有效降低風浪對試驗結果的影響，較大的提高標準貫入試驗的可靠性。

2.2 探桿長度的影響

海上施工區域水深的影響導致試驗桿長增大，且風電勘探孔較深，一般為幾十米，特殊情況時桿長近百米，探桿長度對標準貫入試驗結果的影響不可忽視。對于標準貫入試驗桿長修正，長期以來存在兩種理論，即牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論[2,3]。兩種理論均采用N′=αL·N(其中，N′為經桿長修正后的標準貫入試驗擊數；αL為桿長修正系數)作為桿長修正公式，只是不同的修正方法對應的桿長修正系數不同。

GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009版)[4]規定應用N值是否修正和如何修正，應根據建立統計關系的具體情況確定。

福建省地方標準DBJ 13—84—2006巖土工程勘察規范[5]規定，考慮到過去的許多工程特性指標是與經桿長修正的N值建立經驗關系；當桿長大于21 m時的校正系數計算公式是來自于《水工建筑勘察》，它是以GBJ 7—89地基基礎設計規范[6]中的α值為依據，用多項式擬合曲線，分別得到桿長小于21 m和大于21 m的校正系數。DBJ 13—84—2006提出N′=α×N(α為觸探桿長度校正系數，可按表1確定)。

表1 觸探桿長度修正系數

通過對比不同的桿長修正方法，并結合以往的工作實踐情況，本文建議桿長修正系數采用αL=1-0.005L，其中,L為探桿長度，這種修正方法見于日本《橋梁下部構造設計施工基準》中“樁基設計篇”(以下簡稱樁基公式)，該方法打破了牛頓彈性碰撞理論適用的界限(20 m)，適用于海上標準貫入試驗的桿長修正。

2.3 土的自重壓力的影響

Gibbs和Holtz(1957)根據室內試驗結果，得出砂土自重壓力(上覆壓力)對標準貫入試驗結果有很大影響。目前國際上采用較多的為Liao和Whitman(1986)提出的上覆土壓力修正公式：N′=CN·N，其中,CN=2.2/(1.2+σv/Pa);σv為有效上覆土壓力;Pa為大氣壓強(100 kPa)。

2.4 地下水位的影響

Terzaghi & Peck(1953)提出對于有效粒徑在0.1 mm～0.05 mm內的飽和粉、細砂，當其密度大于某一臨界值時，標準貫入試驗時，其準入阻力將會偏大，相應于此臨界密度的標準貫入擊數為15。因此，在砂類土中當N值大于15時，按照N′=15+1/2(N-15)進行修正。這種修正的意義在于區別砂土不同的濕度狀態，對于海洋地質勘察，砂土層都處于飽和狀態，海上標準貫入試驗作這種修正的意義不大，故在工程實踐中無需進行該類地下水位修正計算。

3 工程實例驗證

對于海上標準貫入試驗而言，獲得合理可靠的標準貫入試驗數據對工程的可靠性和經濟性具有重要意義。而桿長修正對試驗值的修正尤為重要，本文僅對桿長修正方法進行論證。桿長修正系數采用日本樁基公式中建議的方法：αL=1-0.005L。

研究中發現黏性土的標準貫入試驗擊數與無側限抗壓強度呈線性比例關系，且與黏性土的稠度指標有對應關系。

根據標準貫入試驗擊數修正方法，黏性土層的標準貫入試驗成果主要受到桿長的影響。該層土進行標準貫入試驗，桿長達到80 m以上，按照2.2節的修正方法對⑦層黏土的標準貫入試驗擊數進行修正(見表2)，標準貫入試驗修正擊數N′與對應土層的無側限抗壓強度qu存在較為穩定的線型比例關系(見圖1)，證明采用標準貫入試驗判別地基土性質是合理的。

表2 N，N′與qu的關系

通過對標準貫入試驗數據、無側限抗壓強度進行統計(見表3)，標準貫入試驗擊數實測值介于35.00擊～50.00擊，平均值為42.29擊，根據DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規范[7]中關于黏性土稠度狀態的經驗判定(見表4)，對應的狀態為堅硬；根據Terzaghi和Peck提出的N與qu的關系(見表5)[8]，無側限抗壓強度的經驗值超過400 kPa。這與試驗數據287 kPa(平均值)相差甚大，與實際情況不符。

而采用2.2節的修正方法得到的標準貫入試驗擊數實測值介于23.90擊～28.30擊，平均值為23.90擊，根據DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規范中關于黏性土稠度狀態的經驗判定(見表3)，對應的狀態為硬塑；根據Terzaghi和Peck提出的N與qu的關系(見表4)，無側限抗壓強度的經驗值為200 kPa～400 kPa。這與試驗數據287 kPa(平均值)是一致的。

表3 標準貫入試驗數據及無側限抗壓強度統計

表4 黏性土狀態按N分類

表5 N與稠度狀態和無側限抗壓強度的關系表

通過以上對比分析，證明采用2.2節的桿長修正方法是比較合理的，能有效的修正標準貫入試驗擊數。

4 結語

海上標準貫入試驗成果的可靠性主要受風浪、探桿長度、土的自重壓力、地下水等因素的影響，本文通過搜集對比前人的試驗資料，提出較為合理的海上標準貫入試驗修正的方法，依托福建某海上風電工程，以室內試驗和標貫數據為基礎，通過數理統計和計算分析，佐證修正方法的合理性。

標準貫入試驗是一種經驗性的原位測試方法，對于標準貫入試驗的修正方法是基于理論方法獲得的，但是能否與實際完美契合，要通過大量的實踐去證明，本文僅通過作者的實踐過程佐證了文章中所提出的修正方法的合理性，具有一定局限性，在今后的工作中，需要更多的工程數據對修正方法進行不斷論證，以期獲得更加可靠的修正方法。