基于CPTU技術海上某井位的地質分層

摘要：孔壓靜力觸探（CPTU）是20世紀80年代在國際上興起的新型原位測試技術，在陸地和海上都得到廣泛應用。文章首先簡要介紹了CPTU技術的理論基礎及測試方法，根據測試數據能夠反映真實地層信息特點，不同的土質類型對應曲線具有一定的規律，利用CPTU技術對海上某井位進行地質分層，然后對相鄰地質鉆孔對比，證明CPTU應用于分層的可靠性與實用性，對在海上工程地質勘察的廣泛應用和CPTU技術的發展具有重要意義。

關鍵詞：CPTU技術；孔壓靜力觸探；海上井位；地層信息；地質分層

中圖分類號：TE355 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0030-02

孔隙水壓力靜力觸探（英文簡稱CPTU）是一種具有速度、數據連續、再現性好、操作省力等優點的新型原位測試技術?？紫端畨毫o力觸探技術是把測孔隙水壓力的傳感元件與標準的靜力觸探組合在一起，在測定錐尖阻力qc和側壁摩擦阻力fs的同時，量測土的孔隙水壓力u；當停止貫入時，還可量測超孔隙水壓力△u的消散，直至超孔隙水壓力全部消散完，達到穩定的靜止孔隙水壓力u0。目前，孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）在地質勘察中已得到廣泛應用。

隨著海上資源勘探開發日益發展，海上需要越來越多的基礎建設。海上鉆井船的插樁和鉆進平臺建設及管道的鋪設都必須依靠淺層的地質條件才可以進行作業。傳統的海上地質勘察的方法是鉆孔取樣，通過現場和土工實驗室試驗，為海上工程提供設計參數。傳統的取樣和實驗室分析方法不僅對土樣的擾動大，使得實驗室測試結果常出現較大誤差，同時成本費用比較高，操作比較麻煩，耗費勘察周期長，地質參數的精確性很難做到?？紫端畨毫o力觸探在海上地質勘察中可以彌補鉆孔取樣的不足，不需要取樣，而且周期短。目前國家的發展戰略是向深海進軍，水深的增加會加大取樣難度，甚至取不到土樣。本文就針對海上某井位隙水壓力靜力觸探（CPTU）資料作了劃分土層的分析和總結，為以后海上CPTU技術應用提供借鑒和參考。

1 孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）的理論基礎

把探頭借助機械力量壓入土中時，終端記錄錐尖阻力qc和側壁摩擦阻力fs，以及土的孔隙水壓力u隨深度的變化曲線，具有具有快速、可靠、經濟和連續的優點。由于不同的土質，反映到qc-h，fs-h，u-h曲線上，會呈現出成層的分布規律，利用這個規律可以對海底地質進行分層。文獻[4]對目前基于CPTU的土質分類經驗圖表進行了很好的總結。在正常貫入速率下（2cm/s）測得的u-h曲線上，能夠反映出2cm薄層的變化。因此，利用孔隙水壓力隨深度變化曲線判別土層能夠提高判別的準確性和精度。

2 海上某井位孔隙水壓力靜力觸探試驗

通常在鉆井船插樁區域或預建立平臺位置既有鉆孔取樣和孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）試驗，目的是為了進行分層對比，縮短周期，節約成本，提供精確的設計參數。在這里，我們主要對海上某井位的孔隙水壓力靜力觸探資料進行分層，然后再與鉆孔資料對比，指出孔隙水壓力靜力觸探技術的優越性、可靠性、精確性。

2.1 孔隙水壓力靜力觸探試驗程序

本次在海上某井位一個孔進行了試驗。試驗是在中海油田服務股份有限公司建造的工程勘察船上進行的，設備是荷蘭進口的，以20mm/s的速率進行貫入試驗，貫入采用液壓貫入裝置，同時記錄錐尖阻力、側壁摩擦力、孔隙水壓力，記錄頻率為2Hz；采用每3m為一個回次，達到預定深度后，終止作業。

2.2 海上某井位試驗資料分析

根據孔壓靜力觸探特征曲線劃分土層的原則是：錐尖阻力小、摩阻比較大、曲線平緩、無突變的曲線段所代表的土層為淤泥、淤泥質土；錐尖阻力較小、摩阻比較大、曲線變化小的曲線段所代表的土層多為粘土；錐尖阻力大、摩阻比較小、曲線呈急劇變化的鋸齒狀的曲線段所代表的土層則為砂土。同時，依據鐵道部《靜力觸探技術規則》進行土的分類（見圖1）：不同的土層有不同的Rf，砂類土的Rf，通常小于或等于1%；而黏性土通常大于2%；qc值的變化范圍很大，主要與土類及成因等因素有關，但在土的時代成因相同時，砂類土的qc遠比黏性土的大。

摩阻比Rf是錐尖阻力qc與側壁摩擦力fs的比值的百分比。低靈敏的粘土和粘質粉土的摩阻比值，一般大于4%；粉土的摩阻比值在1%左右；然而，在軟的靈敏到流粘土，摩阻比可能會相當低，許多情況接近于0；粉質粘土介于兩者之間。由于摩阻比隨深度變化的曲線能直觀地反映出不同土層的特性，因此可以依據摩阻比的曲線特征來劃分土層。

圖1 錐尖阻力與摩阻比關系圖

圖2 孔壓靜力觸探（CPTU）試驗曲線

圖2為該井位孔壓靜力觸探四條特征曲線，即qc-h、Rf-h、u-h和Rf-h曲線，這里的qc和Rf是根據孔隙水壓力的影響而修正后的錐尖阻力和摩阻比。采用的修正公式如下：

qc=qc'+u（1-a） （1）

Rf=fs/qc （2）

式中：qc為修正后的錐尖阻力（kPa）；qc'為量測的錐尖阻力（kPa）；u為錐尖位置量測的孔隙水壓力（kPa）；a為有效面積比，本文取0.75；fs為靜力觸探測得的側壁摩擦力（kPa）。

實際地質鉆孔分層見表1：

表1 鉆孔取樣地質分層

層號 層頂 層底 基本土性描述

1 79.7 93.0 非常硬的褐灰色粉質粘土含粉土包和微細層，87m以下含砂包、微細層和細層，87.15～87.2m為砂質粉土混含貝殼碎屑

2 93.0 106.3 非常密實的淺灰色細砂，93～93.4m含粘土包和砂巖塊，99m以下含少量中到粗砂粒

3 106.3 112.3 非常硬的褐灰色粉質粘土含粉土包、微細層和細層，108.5～108.6m為一褐灰色粉土薄層

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質細砂

綜合分析，根據鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準確的分層。

3 結論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術具有較高的分辨率，能夠更快速、準確地確定地層信息，并可得出更為準確的工程地質勘察結果，縮短勘察周期，其研究結果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設進一步設計提供可靠的地質資料。

第二，與室內試驗相比，利用CPTU測試成果具有準確、經濟、連續性的優點。由于探頭連續貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質性，尤其適用于多層地基和土性較復雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術支持，解決取樣困難的問題。

參考文獻

[1] 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）.

[2] 陳培雄，潘國富，陳小玲.海底淺表層不同土類靜力觸探參數與物理力學性質對比研究[J].海洋通報，2009，28（6）.

[3] 劉松玉，吳燕開.論我國靜力觸探技術（CPT）現狀與發展[J].巖土工程學報，2004，26（4）.

[4] LUNNE T，ROBERTSON P K，POWELL J J M.Cone penetration testing in geotechnical practice[M].UK：Blackie Academic& Professiona1.1997.

[5] 魯少宏，姜珂.用孔隙水壓力靜力觸探劃分地基土的土層及土類[J].公路，2000，（6）.

[6] 萬廣臣.靜力觸探技術成果在工程中的應用[J].鐵道勘察，2011，（1）.

[7] 靜力觸探技術規則（TBI0018-2003）[S].

[8] 張繼紅.雙橋靜力觸探法判別上海薄夾層黏土地基液化研究[J].巖土力學，2005，（10）.

[9] 于明明，賈志獻，滕偉福.孔壓靜力觸探在海底勘察中的應用[J].安全與環境工程，2012，19（6）.

[10] Robertson，P.K.Soil classification using the cone penetrationtest[J].CanadianGeotec·hnical Journal，1990，（27）.

作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質調查。

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質細砂

綜合分析，根據鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準確的分層。

3 結論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術具有較高的分辨率，能夠更快速、準確地確定地層信息，并可得出更為準確的工程地質勘察結果，縮短勘察周期，其研究結果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設進一步設計提供可靠的地質資料。

第二，與室內試驗相比，利用CPTU測試成果具有準確、經濟、連續性的優點。由于探頭連續貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質性，尤其適用于多層地基和土性較復雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術支持，解決取樣困難的問題。

參考文獻

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[3] 劉松玉，吳燕開.論我國靜力觸探技術（CPT）現狀與發展[J].巖土工程學報，2004，26（4）.

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作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質調查。

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質細砂

綜合分析，根據鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準確的分層。

3 結論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術具有較高的分辨率，能夠更快速、準確地確定地層信息，并可得出更為準確的工程地質勘察結果，縮短勘察周期，其研究結果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設進一步設計提供可靠的地質資料。

第二，與室內試驗相比，利用CPTU測試成果具有準確、經濟、連續性的優點。由于探頭連續貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質性，尤其適用于多層地基和土性較復雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術支持，解決取樣困難的問題。

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作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質調查。