水下靜力觸探(CPT)測試技術的發展及應用

宋友建，邱敏

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.中交第二航務工程局有限公司技術中心、交通基礎設施智能制造技術交通運輸行業研發中心，湖北 武漢 430040)

1 引 言

靜力觸探試驗(CPT)是利用壓力裝置將探頭在豎直方向上按一定的速率壓入土中，利用安裝在探頭上的傳感器測量貫入過程中各種數據的一種原位測試技術。它具有測試連續、快速、再現性好、操作簡單等優點。除此之外，測量成果的計算機化和自動化程度較好，真實性與可靠性較高?？梢愿鶕杉臄祿Φ貙舆M行評價，如劃分土層、辨別土類，確定地基土的承載力和變形指標，估算單樁承載力和判別砂土液化等。CPT是目前應用最廣泛的一種原位測試技術。

CPT測試技術最初主要用于陸地巖土工程勘察。近些年來，隨著各類跨江、河、湖、海工程的大規模投入，獲取高質量的水下巖土體物理力學參數顯得尤為重要。由于河湖、海洋工程地質的特殊性，尤其是在深水區域中，現場取樣并保持原狀土的應力狀態難度大、成本高，而CPT可以最大限度地免除鉆探、取樣、運輸等作業流程對巖土體原生結構的擾動和原位應力的釋放，所以CPT技術越來越多地應用到水上工程項目地質勘查中。目前，用于水下作業的CPT測試技術在國外已非常成熟，并已經廣泛應用于河湖、海洋工程領域。國內也在資源開發、橋隧交通工程、管線光纜鋪設和地質災害評估等項目中開始嘗試使用CPT。國家海洋局第一海洋研究所引入了一套輕型底座式水下CPT設備，在黃河水下三角洲埕島油田海域進行了首次應用[1]。利用10個CPT試驗點測試數據，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了應用。國土資源部廣州海洋地質調查局在國家地質隊伍“野戰軍”裝備計劃中從荷蘭APvandenBerg公司引進了一套Roson-40kN型海床式CPT設備[2]，在2010年至2012年間，該設備搭載廣州海洋地質調查局所屬“海洋六號”天然氣水合物綜合調查船，在南海近岸海域開展了多個孔位的CPT試驗，獲得了較為滿意的測試結果。陳培雄等[3]利用荷蘭Fugro公司研發的Seascout輕裝CPT系統，結合海底管道路由勘測等海洋調查項目，在東海海域采集了34個孔位的海底淺表層土CPT數據資料。建立了該區域內土體CPT參數與含水量、密度、孔隙比、液性指數、壓縮指標之間的冪函數相關關系，實現了通過CPT推算海底土體物理力學指標的目的。梁文成等[4]利用Fugro公司的Seacalf系統和APvandenBerg公司的ROSON系統，在位于珠江口伶仃洋水域的港珠澳大橋島隧工程沿島隧軸線布置了大量的孔壓CPTU試驗孔，并輔以部分標貫試驗、十字板剪切試驗、室內試驗及波速試驗驗證對比，取得了良好的效果。

國外的水下CPT測試系統技術趨近成熟，形成了良好市場應用。而國內水下地質勘察項目中使用的CPT系統基本上都由國外引進，國內對水下CPT及其設備的研究較少，且大多停留在研究和試驗階段。因此，了解國外水下CPT設備發展和應用動態，理解CPT技術在應用和成果解釋中存在的問題和面臨的挑戰，對CPT技術在中國水上工程建設領域的應用意義重大。

2 水下CPT測試系統的發展歷程

國外主要又兩個類型的水下作業的CPT測試系統，即海床CPT(Seabed CPT)測試系統和井下CPT(Downhole CPT)測試系統，基于作業模式的區別兩種測試系統具有不同的特點。

2.1 海床CPT測試系統

海床CPT測試系統的特點是利用探桿將探頭從海底面貫入到土體中，海床CPT能夠免除波浪、潮汐等因素的影響，靠系統自重提供貫入時的支反力。在很多工程實例中，海床CPT是最有效的測試方法并且能夠獲得最高質量的測試結果。條件較好時，貫入深度可達到海床以下 40 m～50 m，在某些勘察領域使用比例已經超過了傳統的鉆探[5]。海床CPT系統主要分為以下幾種類型。

(1)液壓式非連續貫入CPT系統

1966年，荷蘭Fugro公司最先設計出Seabull系統，該系統操作煩瑣，其應用局限于河口和淺海。為了克服以上缺陷，Fugro公司于1972研發一個名為Seacalf的更便捷、強大的CPT系統[6，7]，如圖1所示。至1974年年中，該公司運用Seacalf在北海北部展開了500多次試驗[8]。幾乎在Seacalf進行第一次試驗的同時，挪威巖土工程研究所(NGI)聯合美國McClelland公司在北海第一重力基礎結構勘察任務中進行了海床CPT試驗[9]。該設備比Seacalf操作更為便捷，在Ekofisk密實砂中，最大貫入深度為 4 m。

圖1 Seacalf的原理圖和實物圖

20世紀70年代中葉，McClelland公司推出了Stingray系統[10]并逐漸市場化，該系統的貫入方法不同于普通的液壓式推進方法，而是直接將推力作用于探桿上，如圖2所示。在20世紀70年代，Delft土力學實驗室(現在的Deltares)發明了一種可作為鉆探和CPT海底平臺的鐘型潛水器[11](Diving bell)。其設計水深為 200 m，能提供 600 kN的反作用力。在東部斯格爾迪特邊界的土體勘察中，海底貫入深度超過 60 m(水深 60 m)，鐘型潛水器也在貝爾島海峽，紐芬蘭和加拿大使用過。

圖2 Stingray系統運行步驟

2010年，俄勒岡大學海洋環境科學中心(MARUM)一組工程師研發了一套既能應用于陸地也能應用于海洋環境的CPT測試系統，如圖3所示。該設備名為巖土工程海底機床(GOST)[12]，搭載 5 cm2的錐形探頭，可以進行靜態、震動貫入，開展消散和重塑試驗，該系統除了能測量錐尖阻力、側壁摩阻力和孔隙水壓力以外，還能測量三軸加速度和傾斜度。在陸地和海洋中分別需要3噸和9噸的起吊裝置配套使用，在海洋中最大適用水深為 4 000 m。

圖3 GOST原理圖和實物圖

(2)連續貫入CPT系統

20世紀80年代初，水下探勘發展迅猛，新一代海床CPT系統能夠實現連續貫入，提高了工作效率和質量。荷蘭制造商APvandenBerg首次研制出利用滾輪將探桿推入海底土體的CPT系統ROSON[13]。滾輪由電動驅動，滾輪與探桿之間的摩擦力推動探桿向下貫入，如圖4所示。1983年，D′Appolonia公司在北海盧森伯格領域首次利用ROSON系統展開CPT試驗。試驗在密實砂中貫入深度 17 m。

圖4 ROSON原理圖和實物圖

1984年，Fugro公司開始使用他們生產的滾輪驅動系統Seacalf，該驅動原理與ROSON類似。1984年，McClelland將瑞典陸地上使用的四液壓缸20噸鉆機BORROS在水下使用，在北海巨魔場(約 350 m水深)土體勘察中實現連續貫入深度 43 m[14]。但是，Fugro and McClelland自1987年合并以后，新公司FugroMcClelland將重點轉移到滾輪驅動式Seacalf上。為了提高運營效率，并使用成本更低的船只，FugroMcClelland公司將美國陸地上使用了多年的螺旋鉆桿運用到Seacalf上。

1991年，Geo，Denmark公司研發了一個可以進行自行升降的CPT系統SCOPE[15]。2010年，美國格雷格鉆探與試驗中心(Gregg Drilling &Testing)研發一種深層CPT系統[16]，可實現水下 3 000 m，200 kN反力的全尺寸探頭(10 cm2和 15 cm2)貫入。深層CPT系統采用吸力錨將該設備的浮重度最小化。

(3)CPT聯合鉆機系統

1997年，Fugro公司提出的Searobin系統[17]實現了CPT和鉆探取樣功能。該系統能夠做到 2 m一個回次的貫入和 1 m的取樣，特別適合淺層土體勘察。在2001年，丹麥的Geo，Denmark公司提出了Geoceptor系統[18]，能夠實現 10 m一個回次的貫入和 6 m的取樣，如圖5所示。Forum Energy Technologies公司生產的Rovdrill系統，設計工作深水為 3 000 m，最大取樣深度為海床下 200 m。MARUM公司生產的MeBo系統設計工作深水為 2 000 m，最大取樣深度為海床下 50 m，未來可實現CPTU技術。

圖5 Geoceptor系統原理圖和實物圖

(4)微型CPT系統

微型CPT系統可以用更小、更便宜的船只作為水上平臺，且便于運輸。1992年，Fugro公司生產的Seascout微型CPT系統[19]自重小于1噸，使用螺旋桿作為貫入探桿，探頭錐尖表面積 1 cm2。1999年Neptun3000[20]研發成功，該微型CPT系統由英國DATEM公司生產并已市場化，推桿直徑為 19 mm，有 5 cm2和 10 cm2的錐形探頭可供選擇。2000年第一次海上使用。目前已升級到Neptun5000，其最大貫入深度為 20 m，最大貫入反力為 35 kN，如圖6所示。1999年，美國格雷格鉆探與試驗中心(Gregg Drilling &Testing)研發出配有螺旋推桿的微型CPT系統，并利用 2 cm2錐形探頭和15kN反力的微型CPT鉆機在 2 000 m深的海底進行了試驗。

圖6 DATEM公司的Neptun3000系統

基于遠程操作車(ROV)里的小型CPT鉆機也使用了很多年。1983年，Fugro公司研發的小型Wison系統[21]具有 1 m沖程，5 cm2探頭，由于ROV是漂浮的，所以其貫入能力有限，但其機動性允許其在接近海床結構或調查回填管道溝時進行測試。像Geo，Denmark和Gardline公司一樣，其他土體勘察公司也在運營基于ROV的CPT。挪威工程師Bjarte Langeland提出了一種螺旋推桿的替代品，即Stinger技術，將CPT推桿縱向分裂兩個部分，配合ROV平臺利用吸力錨以增大反作用力。

2.2 井下CPT測試系統

井下CPT測試系統是一種同時結合鉆探和CPT測試的系統，試驗通常在重力基礎平臺、浮體結構上進行以克服波浪、潮汐和海風等因素的影響。其最大優勢是貫入深度更大，且能夠用鉆探的方式穿透堅硬的巖層。其難點是在海面進行鉆探時如何通過有效的補償機制控制鉆頭的擺動以減小對土體的擾動。

在研發Seacalf的同時，Fugro公司設計了一套能將CPT和鉆探聯合起來的鋼絲繩CPT系統[22]，該系統名為WISON，原機生產于1970年，如圖7所示。最初，鉆機沖程為 1.5 m，后來擴大至 3 m。通過電纜傳輸即時數據，液壓驅動，探管封閉于鉆柱中，由鉆機自重提供反力。

圖7 Wison系統原理圖 圖8 Dolphin系統原理圖

1973年，APvandenBerg公司研發了名為WISON-APB[23]的類似于WISON的系統。1974年McClellan提出Stingray系統[10]。WISON由液壓缸提供鉆柱內的驅動力，而Stingray系統中，鉆頭懸掛于海床面之上，其貫入力是通過夾持在鉆柱外部的液壓缸提供的，通過往復 0.3 m～1 m的沖程，一個貫入回次可達 4.5 m。后來，McClellan又研發了類似于WISON的Swordfish系統[24]，液壓缸也裝在鉆柱內部。在鉆頭以下，其貫入深度為每回次 3 m，主要用于墨西哥海灣。

上述系統適用水深為600 m～700 m(水深加鉆孔深度)，為了適應更大深度的實驗要求，McClelland在1984年開發了Dolphin系統[25]。它是一個不需要液壓紐帶的遠程操控工具。取樣或原位工具可以自由落入鉆柱內，并且在測試后使用鋼絲繩打撈器取回。這些工具鎖存在鉆孔底部，并在開放式的中心鉆頭上部完成及時組裝。鉆柱的頂部是密封的，用泥漿壓力推動原位工具貫入到鉆頭下面的土體中?？刂葡到y確保探頭以 2 cm/s的速率連續貫入。每回次貫入深度為 3 m，采集到數據儲存在一個單元里，試驗完成以后可以拷貝到計算機里。其最大反力為 110 kN，如圖8所示。

90年代初，Fugro公司研發了一個類似的系統，名為WISON-XP[19]。一個回次的貫入深度為 1.5 m。Dolphin和XP的缺陷是采集到的數據不能及時傳輸和利用。2007年，Fugro公司生產的WISON-EP系統[26]可以利用泥漿脈沖實現及時數據傳輸。該系統初始回次貫入深度為 4.5 m，目前回次貫入深度為 3 m。

澳大利亞Benthic公司生產的PROD系統[27]是一種遠程操控的海底鉆探，測試和取樣鉆機。由于是利用鉆桿將探頭推入土體中，所以貫入深度比前面描述的WISON類型的鉆機更大，探頭可以貫入到預定深度直至無法再貫入為止。在良好的土體環境中，其首次貫入深度可達 20 m～30 m，然后鉆進至先前沖程的深度，在第二次鉆進之前又可以貫入 15 m～20 m。在深海中，因其便捷的鉆柱操作系統，PROD工作效率比海上鉆探系統高得多。RPOD系統的另一個優點是，圓錐上的傳感器調零可在海底某個固定的深度準進行。相比于需要在甲板上或鉆孔底部調零的WISON系統，RPOD系統減少了偶然性。

意大利SPG公司和瑞典ENVI公司聯合研發了另一種名為CPTWD的井下CPT測試系統，如圖15所示。鉆進時，錐形探頭猶如巖心管一樣伸出于鉆頭底部。如果遇到硬巖，CPT單元能夠被推入鉆頭內受保護。采集到的CPT數據和鉆進參數(鉆頭荷載、扭矩、貫入速率和流體壓力)儲存在一個記憶單元里，隨后這個記憶單元可以連同巖心管一并被取回。該設備的另一個優點是能夠同時利用CPT參數和鉆進參數對巖土體進行解釋，尤其是對于CPT不能貫入的硬巖層，鉆進參數顯得尤為重要。目前CPTWD只在淺水區的固定水上平臺上使用過，在深水區使用前還需要投入更多的研究，但是該方法非常有前景[28]。

圖9 PROD系統實物圖

圖10 隨鉆CPT(CPTWD)原理圖和實物圖

3 多功能CPT探頭在水下的應用

隨著對測量數據要求的提高和勘察范圍的擴大，在CPT探頭上配備的傳感器也越來越多樣化。1981年，Fugro公司首次在海上使用CPTU探頭[29]，即通過安裝在錐尖或錐肩上的孔隙水壓力傳感器測量貫入過程中探頭周圍土體中孔隙水壓力的變化。對于海床CPT，自1970年開始探頭增加了測量孔斜的裝置。

側壓力CPT探頭可以利用安裝在摩擦筒上的傳感器測量土體的側壓力。該裝置曾在Beaufort海上勘查中使用過，但是獲得的數據并不可靠，所以使用次數很少[30]。旁壓CPT探頭也可以用來測量側壓力和變形模量，但是因為錐體貫入時對土體造成了擾動，其理論解釋難度更大，所以目前在海上應用很少。

1981年，荷蘭提出了電阻率CPT探頭以測量土體的電阻率[31]。該裝置不僅能測量土體的電阻率，還能測量孔隙水的電阻率。利用該裝置可以對海上工程的水體污染進行評估。

1985年，荷蘭的Deltares公司研發了一種核子密度CPT探頭[32]。放射源安裝在錐尖面積為 15 cm2的探頭上的。通過測量放射源穿過土體前后能級變化測量土體體積密度。在北海工程勘察中，該裝置在中砂或砂質粉土等具有高壓縮性的土體中應用效果很好。

1986年，英屬哥倫比亞大學研發了現代版的地震波探頭并應用于海上勘查中[33]。該裝置既可應用于海床CPT又可應用于井下CPT。當土體條件較好時，貫入深度可達 90 m～100 m。利用測量的平均剪切波速，可以計算出土體的小應變剪切模量。

除了上述提到的探頭外，最近研究較多的是全流量貫入儀，具有代表性的是T形探頭(平面應變流)和球形探頭(軸對稱應變流)[34～36]。探頭在穿過軟土時，可獲得軟土的不排水抗剪強度。同時，全流量貫入儀還包括以下優點：①極軟土中精確性明顯改善；②極大的降低對上覆應力的修正；③貫入阻力受到外界環境因素的影響較少；④破壞機理易于明確表示；⑤可以快速而精確地測定重塑后強度。通常，在海床CPT中相對容易接入T形或球形探頭，而在井下CPT中，由于鉆柱尺寸原因，一般不能直接使用全尺寸的球形或T形探頭，而是減小其半徑以便使用。

4 水下CPT存在的問題

在過去的40年里，盡管水下CPT測試系統和多功能CPT探頭取得了很大的發展，很多設備也早就實現了商品化，但CPT在海洋中的應用還存在一些問題，主要表現如下。

水下CPT系統多應用于淺水作業，鮮見在深水中(尤其是 3 000 m以下)的應用報道。究其原因，在深水中，CPT探頭上的傳感器承受了很大的靜水壓力，例如在 2 000 m水下，孔壓傳感器將承受 20 MPa的壓力，錐尖阻力達 15 MPa。對于非常軟的土體，海底 10 m以下錐尖阻力會達到 350 kPa，期望的測量精度為 ±35 kPa，即土體實際錐尖阻力相對于初始值太小了。這些年來，人們試圖研發一種能夠測量壓差和孔隙水壓力的CPT探頭以提高測試精度，但是從來沒有成功過。法國的IFREMER公司研發了一個能測量壓差和孔隙水壓力的CPT探頭，美國格雷格鉆井和測試研究院也設計相同功能的靜水壓力補償探頭并申請了專利。荷蘭制造商APvandenBerg也研發了一個類似的補償探頭，但都停留在試驗階段。

大量水下CPT測試結果表明，對于不同尺寸的CPT探頭，只要孔壓探頭經過正確地飽和，修正后的錐尖阻力和孔隙水壓力并不會有很大的出入，但是側壁摩阻力差異很大。有學者認為，造成這一差異的主要原因是探頭端面積不同，使得孔隙水在摩擦筒底部和頂部作用機理不同。但是，使用具有相同端面積的摩擦筒，軟黏土中有效，在砂土中，側壁摩阻力仍然出現巨大的差異。為此，一方面，需要規范CPT探頭的設計標準以獲取更為一致的側壁摩阻力讀數，另一方面，要從科學的角度去探尋和理解形成摩阻力巨大差異的原因，并減小側壁摩阻力讀數的差異。

在水下地質勘察行業里，一直存在著試驗解釋方法落后于設備發展這一問題。對于水下CPT，其解釋方法與陸地上CPT類似，有承載力理論、孔穴擴張理論、應變路徑法等理論基礎，一方面這些理論基礎研究深度不夠，另一方面其應用范圍受到了土體類別、邊界條件和排水條件的制約，導致這些解釋方法在工程實踐中運用的并不多，取而代之的是大量的經驗公式和半經驗公式。這就加大了試驗的工作量和難度，無法保證試驗參數的可靠度。對于上述多功能CPT探頭，尤其是旁壓CPT探頭和全流量貫入儀，其貫入機理更加復雜。這就要求學者們對上述理論作更加深入的探索，對實驗過程中的排水條件、探頭尺寸效應利用數值方法進行模擬和驗證，以推動水下CPT的應用。

5 結論與建議

本文總結了水下CPT測試技術的發展歷程和應用情況，指出了水下CPT測試技術在實際工程應用中遇到的問題及面臨的挑戰。為此，對水下CPT測試系統未來的發展和應用提出以下建議。

(1)加大水下CPT測試系統的投入和研究，使其能夠滿足深水勘查作業的要求。

(2)對于重要的工程，增加地震波CPT探頭的使用。

(3)在粉質砂土或砂土中使用核子密度CPT探頭。

(4)在深水勘查作業中應用靜水壓力補償探頭，減小讀數誤差。

(5)規范CPT探頭的設計標準以獲取更為一致的側壁摩阻力讀數。

(6)深入CPT理論基礎的研究，對實驗過程中的排水條件、探頭尺寸效應利用數值方法進行模擬和驗證。