基于孔壓靜力觸探的海洋地層參數(shù)解譯方法

陸林鳳，彭 正，楊 晨

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江華東巖土勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

隨著我國海洋戰(zhàn)略的高速發(fā)展,如何合理高效利用海洋資源成了如今重要的問題。巖土工程作為海上風(fēng)電場工程中重要的一環(huán),存在許多亟待解決的問題[1]。比如鉆孔取樣擾動(dòng)導(dǎo)致的巖土參數(shù)不可靠和不明確等問題,海上鉆孔取樣的問題尤其突出。

原位測(cè)試技術(shù)對(duì)土體擾動(dòng)較少,高精度現(xiàn)場原位測(cè)試能夠有效獲得土體參數(shù)。而靜力觸探試驗(yàn)(CPTU)作為主要原位測(cè)試技術(shù),在國外海上風(fēng)電場工程中已有許多工程經(jīng)驗(yàn)[2]。CPTU測(cè)試可以用于土樣分類,并且推算土的天然重度和孔隙比。由于土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)存在多種解譯方法,本文針對(duì)土體的主要物理力學(xué)參數(shù)的不同CPTU解譯方法進(jìn)行介紹。

1 CPTU測(cè)試結(jié)果

隨著在靜力觸探探頭上增加不同的傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土體參數(shù)的測(cè)試,例如電阻率、剪切波速等[3]。孔壓靜力觸探(CPTU)探頭是在標(biāo)準(zhǔn)電測(cè)式靜力觸探(CPT)的探頭中安裝透水濾器及兩側(cè)孔隙水壓力的傳感件。在不同的土類中,靜力觸探產(chǎn)生的孔壓有很大差異,對(duì)有效應(yīng)力產(chǎn)生影響,同時(shí)影響著錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力[4]。采用錐肩位置的孔隙水壓力u2對(duì)實(shí)測(cè)錐尖阻力qc進(jìn)行修正是最為有效且準(zhǔn)確的方法(Lunne等,1997),見式(1),式(2)。

qt=qc+u2(1-a)

(1)

a=Aa/Ac

(2)

其中,qt為修正后的錐尖阻力;qc為實(shí)測(cè)的錐尖阻力;u2為錐肩位置的孔隙水壓力;a為有效面積比,大部分探頭為0.55～0.9,常為0.8;Aa為頂柱的橫截面積;Ac為錐底的橫截面積。

CPTU數(shù)據(jù)解譯時(shí)主要用到摩阻比Rf和孔壓比Bq,計(jì)算公式見式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,σv0為豎向總應(yīng)力;Δu為超孔隙水壓力。

2 土的物理特性指標(biāo)解譯

砂土的相對(duì)密實(shí)度一般通過標(biāo)定罐試驗(yàn)或者室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。Baldi等(1986)根據(jù)Ticino砂土標(biāo)定罐試驗(yàn),建議采用式(5)預(yù)測(cè)Dr:

(5)

其中,C0,C1和C2均為土常數(shù);σ′為有效應(yīng)力,可采用平均有效應(yīng)力或豎向有效應(yīng)力[5]。

(6)

從標(biāo)定罐試驗(yàn)結(jié)果可知,即使標(biāo)定罐試驗(yàn)控制較好,錐尖阻力與相對(duì)密實(shí)度之間仍具有較大離散性(見圖1)。

Robertson等(2009)建議采用式(7)對(duì)相對(duì)密實(shí)度進(jìn)行估算:

(7)

其中,Qtn為歸一化錐尖阻力,kPa;CDr為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取300～400,平均值為350。

另外,Look(2007年)根據(jù)國外工程經(jīng)驗(yàn),提出了不同CPTU錐尖阻力與砂土相對(duì)密實(shí)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并在工程中得到了大量應(yīng)用(見表1)。

表1 CPTU探頭錐尖阻力與石英砂相對(duì)密實(shí)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 土的力學(xué)特性指標(biāo)解譯

3.1 砂性土的有效內(nèi)摩擦角

砂土有效內(nèi)摩擦角主要通過經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系法(標(biāo)定罐試驗(yàn))來評(píng)價(jià),還可以通過承載力理論方法評(píng)價(jià)[6-8]。

采用相對(duì)密實(shí)度Dr來評(píng)價(jià)峰值摩擦角是工程界普遍的做法,Schmertanan(1978)提出了有效內(nèi)摩擦角φ′與相對(duì)密實(shí)度Dr的區(qū)間圖,如圖2所示。

Robertson(1983)進(jìn)行了標(biāo)定罐試驗(yàn),總結(jié)出了關(guān)于錐尖阻力qc與有效內(nèi)摩擦角φ′的關(guān)系。其中有效內(nèi)摩擦角φ′采用砂土三軸CD試驗(yàn)獲得,側(cè)限應(yīng)力近似等于標(biāo)定罐的水平應(yīng)力,標(biāo)定得到的結(jié)果如圖4所示。

黃飛和符濱對(duì)比了利用歐標(biāo)《Eurocode7-Geotechnical design-Part 2: Ground investigtation and testing》qc計(jì)算出的內(nèi)摩擦角和《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)修正標(biāo)貫值計(jì)算的內(nèi)摩擦角:

由表2可知,考慮到SPT的試驗(yàn)擾動(dòng)和沉渣現(xiàn)象,兩種推算摩擦角的方法得出的結(jié)果基本一致。

表2 CPTU探頭錐尖阻力與石英砂相對(duì)密實(shí)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 土體小應(yīng)變剪切模量

當(dāng)采用SCPTU時(shí),即帶剪切波速測(cè)試的靜力觸探探頭時(shí),砂性土可以通過式(8)對(duì)土的小應(yīng)變剪切模量G0進(jìn)行計(jì)算:

(8)

其中,ρ為密度。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的鉆探手段在海洋工程勘察中使用會(huì)導(dǎo)致土體擾動(dòng)過大,對(duì)土體擾動(dòng)小的孔壓靜力觸探試驗(yàn)在海洋勘察工程中應(yīng)用廣泛,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋地層參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[12]。由于孔壓靜力觸探試驗(yàn)需要采用解譯的形式獲取土體參數(shù),本文對(duì)孔壓靜力觸探測(cè)試結(jié)果的處理方法作了詳細(xì)介紹,并給出了砂性土的有效內(nèi)摩擦角、相對(duì)密實(shí)度、小應(yīng)變剪切模量的推薦解譯方法,可以為孔壓靜力觸探解譯提供參考,并為海洋巖土工程設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)。