基于孔壓靜力觸探的海洋地層參數解譯方法

陸林鳳，彭 正，楊 晨

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江華東巖土勘察設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

隨著我國海洋戰略的高速發展,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電場工程中重要的一環,存在許多亟待解決的問題[1]。比如鉆孔取樣擾動導致的巖土參數不可靠和不明確等問題,海上鉆孔取樣的問題尤其突出。

原位測試技術對土體擾動較少,高精度現場原位測試能夠有效獲得土體參數。而靜力觸探試驗(CPTU)作為主要原位測試技術,在國外海上風電場工程中已有許多工程經驗[2]。CPTU測試可以用于土樣分類,并且推算土的天然重度和孔隙比。由于土的物理力學參數指標存在多種解譯方法,本文針對土體的主要物理力學參數的不同CPTU解譯方法進行介紹。

1 CPTU測試結果

隨著在靜力觸探探頭上增加不同的傳感器,可以實現對不同土體參數的測試,例如電阻率、剪切波速等[3]。孔壓靜力觸探(CPTU)探頭是在標準電測式靜力觸探(CPT)的探頭中安裝透水濾器及兩側孔隙水壓力的傳感件。在不同的土類中,靜力觸探產生的孔壓有很大差異,對有效應力產生影響,同時影響著錐尖阻力和側壁摩阻力[4]。采用錐肩位置的孔隙水壓力u2對實測錐尖阻力qc進行修正是最為有效且準確的方法(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為實測的錐尖阻力;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數據解譯時主要用到摩阻比Rf和孔壓比Bq,計算公式見式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,σv0為豎向總應力;Δu為超孔隙水壓力。

2 土的物理特性指標解譯

砂土的相對密實度一般通過標定罐試驗或者室內試驗進行統計分析得到。Baldi等(1986)根據Ticino砂土標定罐試驗,建議采用式(5)預測Dr:

(5)

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

(6)

從標定罐試驗結果可知,即使標定罐試驗控制較好,錐尖阻力與相對密實度之間仍具有較大離散性(見圖1)。

Robertson等(2009)建議采用式(7)對相對密實度進行估算:

(7)

其中,Qtn為歸一化錐尖阻力,kPa;CDr為經驗系數,一般取300～400,平均值為350。

另外,Look(2007年)根據國外工程經驗,提出了不同CPTU錐尖阻力與砂土相對密實度之間的對應關系,并在工程中得到了大量應用(見表1)。

表1 CPTU探頭錐尖阻力與石英砂相對密實度的對應關系

3 土的力學特性指標解譯

3.1 砂性土的有效內摩擦角

砂土有效內摩擦角主要通過經驗或半經驗相關關系法(標定罐試驗)來評價,還可以通過承載力理論方法評價[6-8]。

采用相對密實度Dr來評價峰值摩擦角是工程界普遍的做法,Schmertanan(1978)提出了有效內摩擦角φ′與相對密實度Dr的區間圖,如圖2所示。

Robertson(1983)進行了標定罐試驗,總結出了關于錐尖阻力qc與有效內摩擦角φ′的關系。其中有效內摩擦角φ′采用砂土三軸CD試驗獲得,側限應力近似等于標定罐的水平應力,標定得到的結果如圖4所示。

黃飛和符濱對比了利用歐標《Eurocode7-Geotechnical design-Part 2: Ground investigtation and testing》qc計算出的內摩擦角和《廣東省建筑地基基礎設計規范》根據修正標貫值計算的內摩擦角:

由表2可知,考慮到SPT的試驗擾動和沉渣現象,兩種推算摩擦角的方法得出的結果基本一致。

表2 CPTU探頭錐尖阻力與石英砂相對密實度的對應關系

3.2 土體小應變剪切模量

當采用SCPTU時,即帶剪切波速測試的靜力觸探探頭時,砂性土可以通過式(8)對土的小應變剪切模量G0進行計算:

(8)

其中,ρ為密度。

4 結語

傳統的鉆探手段在海洋工程勘察中使用會導致土體擾動過大,對土體擾動小的孔壓靜力觸探試驗在海洋勘察工程中應用廣泛,可以實現對海洋地層參數的準確評價[12]。由于孔壓靜力觸探試驗需要采用解譯的形式獲取土體參數,本文對孔壓靜力觸探測試結果的處理方法作了詳細介紹,并給出了砂性土的有效內摩擦角、相對密實度、小應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計提供可靠參數。