轻型海洋静力触探系统在黄河水下三角洲的应用＊

宋玉鹏，孙永福，李淑玲

（1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；2.中国海洋大学海洋地球科学学院 青岛 266071）

轻型海洋静力触探系统在黄河水下三角洲的应用＊

宋玉鹏1，2，孙永福1，李淑玲1

（1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；2.中国海洋大学海洋地球科学学院 青岛 266071）

轻型海洋静力触探系统是适合于海上作业的电测式原位测试系统，它通过传感器可以同步测量锥端阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力等3项指标，从而推算海底土力学参数。使用轻型海洋静力触探系统在黄河水下三角洲浅水区域进行了地质勘察，勘察结果表明：该系统运行稳定，操作简单，测试结果可靠，成果可以在海底土层结构划分、地基土承载力计算和土体液化判别等方面进行应用，从而避免了常规地质钻探取芯对样品扰动造成测试结果失真的问题，该项原位测试技术可以在海洋工程或油气开发中得到广泛的应用。

静力触探；锥端阻力；侧壁摩擦力；液化判别

静力触探系统是近年来发展起来的一项原位测试技术，其基本原理是通过静力将探头压入土体中，通过探头上的传感器可测量锥端阻力、侧壁摩阻力及孔隙水压力等参数，从而实现土体力学指标的实时测试及计算，可以避免常规的取样方法造成样品扰动的问题，现场测量数据更能真实地反映土体的原始力学性状。

静力触探试验首先在荷兰研制成功，并加以应用，因此国际上常称静力触探试验为“荷兰锥”试验，简称CPT（cone penetration test）或静探［1］。目前，静力触探根据贯入动力装置可以分为机械式静力触探和电测式静力触探两种。机械式静力触探是通过机械装置把带有双层管的圆锥形探头压入土中，在地面上用压力表分别测量套筒侧壁与周围土层间的摩擦力和探头锥尖贯入土层时所受的阻力。机械式静力触探的优点是仪器坚固耐用，容易操作，设备价格低，测试费用也相对较低，缺点是测试精度低，效率不高。电测式静力触探于1964年首先在我国研制成功［2］，原建工部综合勘察院成功地研制了世界上第一台电测式静力触探仪，探头为双桥（双用）式，此项成果发表于1971年［3］。从20世纪70年代开始，电测式静力触探发展迅猛，应用趋于普遍。其中，最重要的进展是国际上于20世纪80年代初成功研制了可测孔隙水压力的电测式静力触探（pieze cone penetration test），简称孔压触探（CPTU）［4］。它可以同时测量锥端阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，为获取土的更多工程性质及提高测试精度提供了极大的可能性和现实性，使电测式静力触探技术的精度和应用进入了一个新阶段。

电测式静力触探测试连续、快速，效率高，功能多，具有勘探与测试的双重作用；测试数据精度高，再现性好，重复性误差小于5%；采用电测技术，便于实现测试过程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作强度。

静力触探技术目前在陆地工程勘察中的应用和发展已趋于成熟，但在海洋工程勘察中还刚刚起步，所取得的成果相对较少［5］。

国家海洋局第一海洋研究所与环球勘探（亚洲）有限公司合作，引入了一套轻型座底式海洋静力触探设备，并在黄河水下三角洲进行了首次应用。该静力触探设备可同时测量土体的顶端阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力等3项指标，由此可推断土体的类别、承载力并进行液化判别。

1 仪器简介

轻型海洋静力触探系统结构可分为水上部分和水下部分。水上部分主要由计算机、液压绞车、水上控制箱和稳压器（UPS）组成，液压绞车上配有3 000 m铠装电缆。水下部分主要是信号台框架，内有电源密封舱、电控密封舱、探杆探头系统（包括探杆、探头、绞盘和其上的各种传感器等，是数据采集系统）和其他辅助设备（倾角传感器、高度计和压力传感器等）电源密封舱内有电动机和电流转换器等，是水下部分的动力源，电控密封舱内有多种电路板，包括贯入编码转换器等，是水下部分的控制中心。水上部分和水下部分通过铠装电缆进行数据和操作命令的传输（图1）。

图1 轻型静力触探工作原理

轻型海洋静力触探系统尺寸为1.8 m（长）×1.8 m（宽）×2 m（高），锥端面积为2 cm2，探头侧面积为30 cm2，单位反力10 k N，重量为1 800 kg。贯入速率为2 cm/s，阻力分辨率为1 N（0.005 MPa），最大工作水深3 000 m，锥端倾角为30°±1°。

2 研究区概况

本次研究区位于黄河水下三角洲埕岛油田海域。该区域为黄河多次尾闾改道形成的现代黄河三角洲，工程地质条件极为复杂。由于黄河尾闾的频繁摆动以及极大的年沉积输沙量造成海底沉积物分布不均，且工程地质特征在不同区段差异较大。近几十年，由于黄河改道和径流量急剧下降，泥沙来源趋于断绝，在波浪、潮流、风暴潮及地震等外荷载作用下，在河口地区，尤其是在1976年以前老河口地区海底遭受迅速侵蚀，伴生着发育多种灾害地质现象，对工程设施的安全稳定构成威胁。本次通过轻型静力触探的原位测试，获取土层的层位分布及力学指标变化情况。

现场共完成了10个静力触探测试点，编号分别为C1～C10。同时，为对静力触探测试结果进行对比研究，在C1～C5点同时完成了地质钻孔。研究区及各测试点位置见图2。

图2 研究区地理位置及静力触探布设

3 测试结果

3.1 地层的划分

根据静力触探测试得到的锥端阻力及侧壁摩擦力随深度变化特征曲线，可以对土层结构进行判别。各测试点测试得到的锥端阻力及侧壁摩擦力曲线见图3和图4。

静力触探锥端阻力和侧壁摩擦力的曲线单元由以下几部分组成：随着贯入的开始而出现的起始临界段；在某个单元深度范围内因土层力学性质相同而出现的常数段；和随着深度而逐渐增大或逐渐减小的滞后段组成［6］。用静力触探曲线判定土质类型，通常是按静力触探指标和曲线特征划分土类［7］，即按锥尖阻力值、侧壁摩擦力以及曲线特征3种因素共同制约划分。一般来说，不同土类的锥端阻力、侧壁摩擦力和平均摩阻比都有相应的取值范围，并存在规律性。由粉质黏土—粉土—粉细砂—细砂，锥端阻力及侧壁摩擦力的平均值逐渐增大，摩阻比（侧壁摩擦力与锥端阻力的比值）的平均值呈逐渐减小的趋势。

根据静力触探锥端阻力、侧壁摩擦力随深度变化关系，并参照钻孔资料，研究区各静力触探测试点5 m以浅土体大致分为2层，表层为粉土，锥端阻力曲线表现为硬壳层的存在，静力触探测试结果其下为粉质黏土，表现为锥端阻力及摩阻力随深度变化都比较平缓。

根据静力触探测试成果所反映出的锥端阻力及侧壁摩擦力与土质特征对应关系，将各测试点土层结构进行划分（表1）。

表1 各静探点土层划分

为验证各静力触探点测试结果，在C1～C5点同步完成了地质钻探工作，通过钻探取芯进行层位划分并与静力触探测试结果相比，二者有较好的对应关系。

3.2 承载力的计算

用静力触探确定地基土的承载力，目前国内外都是根据对比实验结果，其中主要是与载荷试验进行对比，并通过相关分析得到适用于特定地区或土性的经验公式以解决生产实践中的问题。运用静力触探成果推算土层承载力的经验公式很多，针对不同区域不同土质各计算公式也不相同。笔者收集整理目前静力触探换算地基土承载力的计算公式，各公式适用条件各不相同（表2），其中，［R］为地基承载力容许值，PS为静力触探锥端阻力。

表2 地基土承载力计算经验公式

根据研究区各静力触探点锥端阻力实测值，结合以上经验公式，对研究区浅层粉质黏土层及粉土地基土承载力进行计算，结果见表3和表4。

表3 各静探点粉质黏土层承载力计算结果kPa

表4 各静探点粉土层承载力计算结果

通过计算可知，各经验公式计算结果差别较大。研究区浅表层沉积物为黄河携带泥沙快速沉积形成，时间短，固结时间不长，总体上力学性质不高。依据土工试验结果，结合区域经验，研究区5 m以浅粉土层承载力一般为100～160 k Pa，粉质黏土承载力一般为80～120 k Pa，通过与计算结果进行对比，针对黏性土的计算公式计算结果普遍偏低，对于砂土，公式（2）、公式（5）及公式（8）除个别点数据有一定偏差外，总体上适用性较好。

3.3 土层液化的评判

静力触探法（CPT）判别砂土或粉土液化所采用的判别公式如下。

qccr＝qc0awauap

式中：qccr为饱和土液化临界静力触探锥尖阻力（MPa）；

qc0为dw＝2 m、du＝2 m时饱和土液化临界锥尖阻力（MPa）可按表5取值；

aw为地下水影响系数，aw＝1－0.065（dw－2）；dw为水位埋深（m）；

au为上覆非液化土层影响系数；au＝1－0.05（du－2），du为上覆非液化土层厚度（m）；dw为水位埋深（m）；ap为土体综合影响系数，可以按表6进行取值。

表5 饱和土液化临界锥尖阻力

表6 土体综合影响系数

当实测锥尖阻力临界值小于液化阻力临界值时判定为液化土。

本次计算中，由于计算点位于海域且为浅层土，忽略地下水位及上覆非液化土层的影响，取aw与au均为1，运用上述公式对静力触探点粉土层在8度地震作用下不同深度处土体液化可能性进行计算，根据实测锥端阻力值，并与现场标准贯入试验所取得的判别结果进行对比，（表7和表8）。

表7 静力触探液化判别结果

表8 标准贯入试验液化判别结果

续表

通过计算并对比各静力触探点成果曲线，在7度地震作用下，C1测试点3 m以浅、C2及C6测试点2 m以浅粉土层存在轻微液化的可能性，在8度地震作用下，各测试点粉土层均存在液化的可能。

4 结束语

通过轻型海洋静力触探系统在黄河水下三角洲的应用，表明该系统运行稳定，操作简单，所取得的测试数据可以在土层结构划分及土体液化判别方面进行运用。随着地质勘察精度要求的提高，静力触探测试技术由于其具有原位测试从而避免样品扰动的优点，必将在工程地质勘察领域得到更加广泛的应用。

［1］ 孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用［M］.北京：地质出版社，1997：6－8.

［2］ 孟高头.静力触探技术在工程地质勘察中的应用［C］//全国第三次工程地质大会论文集.成都：成都科技大学出版社，1988：73－78.

［3］ RUITER J de.Electric penetrometer for site investigations［J］.Journal of the soil mechanics and foundations division，1971，37：471－483.

［4］ CAMPANELLA R G.Recent developments in insitu testing of soils［C］∥Proceedings of the XI International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Amsterdam：National Research Council.1982：761－775.

［5］ 陆凤慈，曲延大，廖明辉.海上静力触探（CPT）测试技术的发展现状和应用［J］.海洋技术，2004，23（4）：32－36.

［6］ 展旭广，张坤美.东营地区岩土工程勘察中静力触探成果的应用［J］.西部探矿工程，1999，11（6）：67－68.

［7］ 同济大学地质教研室.电测静力触探1977［M］.北京：中国建筑工业出版社，1977：221－223.

国家海洋局青年海洋科学基金——波浪作用下黄河三角洲海底土稳定性及管道电缆安全研究（2010306）；公益性行业科研专项——近海海底地质灾害预测评价及防控关键技术研究（201005005）.