海上風電勘察中確定土體抗剪強度的實用方法

李忠信，孫梟雄，劉東華，賈鈜崴，孫偉

（1.南方海上風電聯合開發有限公司，廣東珠海 519080；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；3.輝固勘探（深圳）有限公司，廣東深圳 518042）

隨著海上風電發展加速，作為海上風電開發建設的關鍵工作之一，海上巖土勘察也愈顯重要。海洋巖土勘察與陸地土建工程勘察有很大不同。海洋巖土勘察成本較陸地更高，需要動用專業的勘察船舶，成本極高。在海上取得的每一個不擾動樣品其花費不菲。鑒于目前國內專業勘察船數量限制，大部分取得的土樣擾動程度較高，砂土也極難取得原狀樣品。因此CPT等原位測試手段在海洋巖土勘察中得到了廣泛的應用。陸地傳統的標貫測試由于應用經驗豐富，設備簡單，也在目前的海洋巖土勘察中有著廣泛的應用。

由于取得原狀土樣的成本極高，如何根據目前常用的CPT和標貫方法取得可靠的勘察參數有十分重要的應用價值。

1 項目背景介紹

擬建某風電工程位于廣東海域珠江下游入海口內陸架內，場址規劃用海面積10.43 km，水深值介于4.3～13.2 m。巖土勘察工作包括在每個機位進行鉆孔取樣、標貫測試。除此外，還選擇35號機位和43號機位兩處，每個機位進行兩個CPT測試，共完成4個CPT測試。

2 CPT快速劃分地層

在實際項目實施過程中，不同生產商制造的CPT設備會記錄不同的數據格式，通常需要相匹配的軟件才能做進一步數據處理和數據解釋，比如完成土的分類等工作。本文不再深究該如何使用CPT數據進行細致的巖土分層和分類，目前分類方法已經相當成熟，可詳見ROBERSON 1990、ROBERSON 2009、ROBERSON 2010。本文著重介紹根據CPT最基本的數據錐尖阻力，側壁摩擦力，孔隙水壓力和摩阻比來進行快速地土層劃分。

根據上述四類基本數據進行快速土層劃分，可以根據以下幾個原則進行：

1）突然變化的位置為土的分層位置。

2）發生較大變化的位置為土的分層位置。

3）＜1可判斷為砂性土，＞2可判斷為粘性土，位于兩者之間的時候，可能為粉土或者粉砂或沙土粘土混合，具體情況需根據大小判定。

4）砂土的較高，在本項目中為10 MPa或者更高。

5）發生劇烈變化的時候，可能是土層發生變化或某一層土中的成分、密實程度發生了突然變化。

需注意的是，根據以上幾個原則劃分的土層，并不代表該層土的設計參數需相同。比如同一層粘土中，可能出現強度分別為20 kPa和50 kPa，但是在上述四個指標參數中，無法得到明顯區分。

3 粘性土不排水抗剪強度

3.1 CPT數據計算粘土不排水抗剪強度

已經有許多學者提出采用CPT計算粘土不排水抗剪強度的方法。

CPT采用下式計算粘土的不排水抗剪強度。

式中：

——修正CPT錐尖阻力（kPa），通常可直接從CPT設備中導出此數據；

——上覆壓力（kPa）；

——經驗系數。

如果CPT設備操作系統無法自動導出數據，可以用下式來計算：

式中：

——CPT錐尖阻力（kPa）；

——探頭水壓力（kPa）；

——探頭面積比，是探頭出廠設計參數，對于某一型號探頭為固定值，通常處在0.6～0.8。

的取值并不固定，在不同的場地，場地中不同的地層中取值也會不同。因此的最終取值需配合其他的測試手段來確定，包括高質量的強度試驗、現場十字板剪切試驗等方法。不同的粘土通常會表現出不同的值。LOW et al.（2010）通過研究3個陸地和11個海上場地的CPT粘土，通過與三軸試驗結果對比后，提出取值在8.6～15.3，平均值為11.9。如果與三軸試驗、單剪試驗和三軸拉伸實驗得到的強度平均值對比后，取值在10.6～17.4，這個范圍相對更接近單剪試驗的結果。如果與現場的十字板剪切試驗結果做對比，取值在10.8～19.9，平均值為13.3。MAYNE et al.2015在研究了17種不同強度的粘土后，得到的平均值為13.6。

KARLSRUD et al.（2005）測試了靈敏的挪威粘土，三軸試驗結果對比顯示取值范圍相對更低，取值在7.5～11.5。WANG et al（2015）測試了魁北克地區的十字板強度，結果對比顯示取值為10.5。

對于超固結的結構性粘土，POWELL&QUARTERMAN（1988）提出取值在20至30之間的時候，才能與室內的三軸試驗和現場平板結果取得較好的對照。

MAYNE&PEUCHEN（2018）對比407個粘土樣品的三軸試驗強度與CPT數據后，提出了一種通過CPT指標計算的方式。他們通過研究最終的取值和CPT孔壓系數的關系可以近似表示為：

基于上式可以得到35號機位和43號機位的取值如圖1、圖2所示。

圖1 GSK35號機位的N kt的取值Fig.1 The value of N kt for GSK35 position

圖2 GSK43號機位的N kt的取值Fig.2 The value of N kt for GSK43 position

從圖1、圖2可以看到，CPT 35-1的取值大多落在15～20，20 m以下的部分粘土層混砂較多，取值波動范圍較大，23～25 m范圍內為10左右，27～29 m范圍內取值為20～25，但代表性相對較差。CPT 35-2表層2 m范圍內取值變化較大。2～5 m范圍內取值為15～25，5～17 m范圍內大段粘土的取值為10～15，23～25 m范圍內為15～20，27～29 m范圍內取值為15～25，但代表性相對較差。CPT 43-1粘土層取值基本落在12～16，除35～38 m范圍內取值為15～20。CPT 43-2粘土層取值基本在15～20，局部深度降至25左右但很快升高至15～20的范圍。

根據以上方法計算得到可以得到35機位和43機位的粘土不排水強度剖面如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看到，對于35號機位，UU和CU試驗結果相對CPT結果對照較好，UU結果偏向CPT的較低取值，CU結果偏向CPT的較高取值，整體對照情況較好。對于43號機位，CPT結果相比UU試驗和CU試驗結果更高，局部深度CPT結果高過CU實驗結果。

圖3 GSK35號機位的粘土不排水強度剖面Fig.3 Undrained strength profile of clay at the GSK35 position

圖4 GSK43號機位的粘土不排水強度剖面Fig.4 Undrained strength profile of clay at the GSK43 position

3.2 CPT計算粘土不排水抗剪強度的特點

通過以上對比我們可以看出：

1）本項目粘土的不排水強度應該是隨深度增長，目前勘察結果中對一段較厚的粘土層只提出一個統一的強度指標是相對粗糙的。

2）的取值需通過與高質量的室內試驗對比來確定。

3）本項目粘土的取值范圍在15～20是相對合理的，這也與前期研究成果相吻合。

4 砂土的內摩擦角

CPT確定砂土內摩擦角的手段相對單一，應用成果相比CPT在粘土中的應用也較少。目前常見的根據CPT計算砂土有效摩擦角的常用公式是MAYNE（2014）提出的：

這里是大氣壓，可取100 kPa。該式最初是根據CPT標定箱數據得到的，使用的是標準石英砂。MAYNE（2006，2009）用17個場地取得不擾動（冰凍）砂樣進行三軸試驗，測得了砂土樣的摩擦角。試驗結果顯示上式也能夠得到非常好的擬合效果。

目前的海上勘察中，標準貫入試驗也應用非常普遍，但是目前標貫在海上勘察中的應用適用性有非常大的爭議，由于CPT在國內發展時間較短，設備數量較少，無法保證每個機位都有CPT，標貫依舊是現場測試最主要的手段。

標貫在海上巖土工程勘察中應用的特點包括：

1）標貫的應用非常普遍，也有非常豐富的地區經驗把標貫結果和設計指標建立經驗關系，但這些經驗主要集中于陸地。由于標貫探桿自由段過長，因此陸地上已經成熟的經驗能否移植到海洋巖土的勘察工作中，是一個需要更多研究和工程實踐的問題。

2）標貫設備本身成本低，市場供應大，而CPT本身設備成本相對標貫更高，特別是專門的孔下CPT（downhole CPT）成本更高，同時相對來講，CPT的數據處理和解釋需要更專業的巖土技術人員來進行。

對于標貫試驗數據，這里建議采用SCHMERTMANN方法推算砂土的內摩擦角，如圖5所示。

圖5 標貫捶擊數與砂土摩擦角的經驗關系Fig.5 Empiricalmethod for estimatingφ’of a sand from standard penetration test‘N’values

根據上式，我們得到了35機位和43機位的摩擦角剖面圖。

從圖6、圖7可以看到，基于標貫結果使用SCHMERTMANN方法與CPT經驗公式計算得到的結果基本吻合，SCHMERTMANN方法的結果基本是CPT結果的上包絡線。同時，在對比中，還可以發現：

圖6 GSK35機位的摩擦角剖面圖Fig.6 Friction angle profile of GSK35 position

圖7 GSK43機位的摩擦角剖面圖Fig.7 Friction angle profile of GSK43 position

1）無論CPT還是標貫計算砂土的有效內摩擦角時，都需考慮有效上覆壓力的影響。

2）標貫能夠反映砂層的密實度變化的趨勢，但標貫數據不連續，不夠豐富。

3）SCHMERTMANN方法在標貫超過60錘或有效上覆壓力超過300 kPa后對砂土摩擦角的準確程度無法保證，原因是當埋深超過一定深度，桿長自由段過長的時候，對于標貫錘擊能量的修正無法準確估計，這也是標貫在海洋巖土勘察應用中備受爭議的因素。

5 結 論

通過以上列舉的方法所得到的結果，可以總結出下列結論：

1）目前國內海上風電勘察手段有限而且勘察裝備供應緊張。在此大背景下，本文提供了一種在海上勘察較難取得不擾動樣品且經常僅有CPT和標貫數據可用的情況下，推算土的抗剪強度的可靠方法。

2）高質量的土工試驗是保證海上勘察巖土參數準確的基礎，但由于目前客觀條件的限制，取樣擾動較大的因素仍然無可避免，因此根據現場CPT測試和標貫測試的結果推算巖土參數有很大的應用價值。

3）CPT方法在確定粘土的不排水抗剪強度的時候有較大的優勢，CPT測試精度高，屬于原位測試，沒有土樣擾動的問題，方便繪制粘土不排水抗剪強度隨深度變化的剖面。

4）粘土強度通常隨深度增長，粘土層提出單一強度參數相對粗糙。

5）勘察現場極難取得砂土原狀樣，因此采用CPT和標貫經驗方法，綜合判斷，確定合適的砂土有效內摩擦角是一種非常實用且有應用價值的方法。