一种用于海洋工程中的上拔式静力触探技术可行性研究

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(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070；2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

随着人类社会的发展和资源的紧缺，海洋资源的开发利用得到重视，海上构筑物越来越多，因此海洋工程地质勘探与评价尤为重要，其中掌握海洋土物理力学性状是关键。在海洋勘探中，一般采用原位测试方法测量并推算土体物理力学性质。目前常用的原位测试手段主要有静力触探试验、十字板剪切试验、旁压试验、扁铲试验、标准贯入试验和动力触探试验等。然而十字板剪切试验测试深度较小；旁压试验和扁铲侧胀试验在海洋土中的应用经验不足；标准贯入试验和动力触探应用于深层测试时需要进行杆长修正，但修正方法不明确。目前应用较广泛的方法是静力触探，但目前存在国外设备昂贵、国内设备和技术欠缺的现状。因此研制出一套新型的可行的原位测试系统是目前亟需解决的问题。上拔式静力触探是基于目前国内外原位测试的现状研制的一种新型测试方法，本文对该方法的可行性进行了现场试验对比研究。

2 海洋静力触探的测试发展现状

在国外静力触探技术起步较早，目前发展较为成熟[1]。1932年，荷兰工程师P. Barentsen进行了世界上第一个静力触探试验，到20世纪60年代才开始出现用于浅海等水域的静力触探装置[2]。1965年左右，荷兰和法国开始用小型自升式平台进行静力触探试验，触探深度仅5 m左右。1966年，荷兰辉固公司研制了沉放式静力触探机“Seaball”以及Ⅰ型绳索式井下静力触探“Wison”[3]。1974—1976年，荷兰与挪威合作设计并试验了潜水舱式触探机。1977年，荷兰试验了套管式平台触探装置。与此同时，英国、挪威、日本、加拿大、前苏联和美国等国家先后研制出了可应用于海洋勘探的静力触探设备，并投入到了实际工程应用中[4-5]。近年来，英国的DATEM公司生产的mini CPT已经走向了商业化发展[2]。虽然国外应用于海域的静力触探设备较为先进且理论和技术较成熟，但国外设备造价昂贵，测试成本高。

我国海洋静力触探技术起步较晚，最早在1973年，中国科学院海洋研究所研制了沉放式水下静力触探。1976—1981年，交通部下属的研究单位采用简易水上触探平台，进行了几次水上静力触探试验，但绝大部分水面到泥面间探杆失稳、折断而停止作业[4]。2003年，中国船舶工业勘察设计院结合MJ-II型顶压式静探机和静探平台研制出水域静力触探平台[5]。2005年，吉林大学工程技术研究所开发出“浅海域海底静力触探测试系统”[6]。2001—2005年，广州海洋地质调查局研制出了以管内液压推进系统为关键技术的海洋静力触探设备[7]。国内海洋静力触探发展时间较短，目前设备和技术不成熟，国内多数海洋勘探仍需要依靠国外进口设备。

长江科学院研制的新型上拔式静力触设备[8]与传统静力触探的不同之处是将下压切割土体改为拉拔探头切割土体的方式，该设备的探头有2片剪切板(如图1)，在上拔时可自动张开并刺入土体，在匀速上拔过程中所受阻力随土层性质改变，记录拉拔阻力沿地层深度的变化曲线可推算土体物理力学性质。这种上拔切割土体测试土体物理力学性质的方法有效地解决了传统静力触探探杆易失稳的问题，同时该设备造价相较于国外设备更具有经济优势。为了验证上拔式静力触探设备采用拉拔阻力体现土层性质的可行性，在同一场地中分别进行几种原位测试，并对比几种测试方法的测试参数随土体深度的变化，验证上拔式静力触探试验基本参数与其他原位测试测试参数之间具有相似的变化规律。

图1 上拔式静力触探探头Fig.1 Probe of pull-out cone penetration test

图2 原位测试场地土质概况Fig.2 Profile of in-situ test soil strata

3 现场上拔式静力触探试验论证

3.1 试验场地土层概况

海洋地层原位测试环境恶劣，不能提供稳定的测试数据，因此在陆地上选取了与海洋地层相类似的地层进行原位试验，这样有利于控制试验的不稳定因素，增强试验数据的可靠性。本文试验所选的现场试验场地揭露地层如图2所示，地下水位在1.5 m附近随降雨量有轻微波动。

该场地土层从上至下大体可分为3层，基本情况如下：

第1层为杂填土，成分多杂，结构松散且疏密不均，具湿陷性，建筑性能较差，厚度0.7～1.0 m。

第2层为黏性土层，呈软塑至可塑状态，单层厚度小，承载力低，压缩性中等或较高，建筑性能差或一般，厚度为13.0 m。该层从上至下细分为3小层：2-1层为软塑至可塑黏土；2-2层为松散粉土(其中粉砂夹粉质黏土)；2-3层为软塑状黏土夹粉土。

第3层为粉砂，该层从上至下细分为2小层：3-1层呈稍密状态，厚度6.0 m左右；3-2层呈中密状态，强度较高，压缩性较低，建筑性能较好。

3.2 试验方案

为对比上拔式静力触探与其他原位测试的基本参数关系，在该场地依次进行了上拔式静力触探试验、国产探头的静力触探试验、无电缆静力触探试验、旁压试验以及钻孔取样和室内试验等。试验方案如表1所示，各试验的钻孔点相对位置见图3。

表1 试验方案Table 1 Test schemes

图3 各试验的钻孔点相对位置示意图Fig.3 Locations of boreholes in different tests

图4 拉拔静力触探上拔阻力随深度变化的曲线Fig.4 Curves of pull-out force vs. depth

4 试验成果

4.1 拉拔静力触探试验

拉拔静力触探在3个孔中所测得的上拔力随深度变化的曲线如图4所示。其中1号孔为压入式拉拔试验，2号孔、3号孔为钻孔式拉拔试验。由图4中可知2号孔、3号孔所测的拉拔力随深度变化的曲线基本一致，说明上拔式静力触探试验参数测量较稳定，再现性较好。而1号孔所测拉拔力变化趋势与2号孔、3号孔基本一致，但测得的值较小，这说明改变上拔式静力触探试验方法对测试的值影响较大，但都能够体现土层性质随深度的变化，将拉拔阻力应用到推测土体力学性质时的系数与经验公式有所不同。根据图2土层概况和图4拉拔阻力随深度变化可知，上拔式静力触探探头在2-1层和2-3层的饱和软黏土中受阻力较小，在2-2层的粉土和3-1层的稍密粉砂中受阻力明显更大。

4.2 国产探头静力触探试验

图5 比贯入阻力与拉拔阻力随深度变化的曲线Fig.5 Changes of specific penetration resistance and pull-out resistance against depth

图6 锥尖阻力和拉拔阻力随深度变化的曲线Fig.6 Changes of tip resistance and pull-out resistance against depth

采用国产静力触探微机和双桥探头进行静力触探试验，测试孔位置如图3中的GC-1，得出静力触探锥尖阻力qc和侧摩阻力fs随深度变化的曲线。静力触探单桥探头比贯入阻力ps是推求地层指标的重要参数，因此通过双桥静力触探的锥尖阻力qc和侧壁摩擦力fs与比贯入阻力ps的关系式换算得到单桥静力触探的比贯入阻力ps。该比贯入阻力与1号孔(LCPT-1)拉拔阻力随深度变化的曲线见图5。由图5可知，采用国产探头静力触探得到的比贯入阻力与1号孔(LCPT-1)拉拔试验的拉拔阻力基本一致，拉拔阻力随深度的变化能够反映土体力学性质，上拔式静力触探试验采用拉拔阻力这个测试参数判断土层划分、推测土层强度等是可行的。

根据图2和图5可知，在2-1层和2-3层的饱和软黏土中，拉拔阻力比国产探头静力触探比贯入阻力略小，在2-2层的粉土和3-1层、3-2层的粉砂中，除个别深度以外，拉拔阻力与比贯入阻力大小基本相同。

4.3 无电缆静力触探试验

无电缆静力触探试验的测孔为图3中的CPT-1，与2号孔(LCPT-2)拉拔试验较近，无电缆静力触探试验所测的锥尖阻力与2号孔拉拔试验所测的拉拔阻力随深度的变化曲线如图6所示。从图6中可以看出，锥尖阻力明显比拉拔阻力小。锥尖阻力与拉拔阻力随土体深度的变化趋势基本一致，但存在深度方向上的错位，可能需要对上拔式静力触探进行深度修正。

4.4 旁压试验

图7 旁压模量和拉拔阻力随深度变化的曲线Fig.7 Changes of lateral loading modulus and pull-out resistance against depth

旁压试验采用了法国APAGEO公司G-AM型旁压仪，通过氮气源分级加载，人工测读的方式记数。2个孔的旁压模量与2号孔(LCPT-2)拉拔试验的拉拔阻力随深度变化的曲线如图7所示。在相同深度土体中，1号孔、2号孔旁压试验(PMT-1、PMT-2)所测旁压模量基本一致。从图7中可以看出旁压模量曲线与拉拔阻力曲线重合部分较少，可能是由于旁压试验测点间距离比拉拔试验的远，试验所得旁压模量曲线不能很好体现实际土体旁压模量。在2-1层、2-3层黏土中，若仅比较旁压试验测点处的旁压模量与对应深度处的拉拔试验的拉拔阻力，二者较为接近，但是在2-2层的粉土和3-1层、3-2层的粉砂中，拉拔阻力比旁压模量略大。

5 结 论

本文归纳了海洋地层静力触探技术和应用的现状，针对国外海洋静力触探系统造价高、国内海洋静力触探技术不成熟等问题，介绍了长江科学院提出的上拔式静力触探新方法。为验证该方法的可行性，本文在同一场地分别进行了3组拉拔试验、2组静力触探试验以及2组旁压试验，结合钻孔取样得到的试验场地土层概况，对比几种试验的拉拔阻力、比贯入阻力、锥尖阻力以及旁压模量随深度的变化曲线，得到了以下几个结论：

(1)拉拔试验测得的拉拔阻力较为稳定，再现性较好。拉拔探头在软黏土等力学性能较差的土层中受到的阻力比在密实砂土等力学性较好的土层中更大，这也是符合常理的。但是拉拔试验方法对所测拉拔阻力影响较大，采用不同测试方法反映土体性质时需要根据相应的经验公式或系数推算。

(2)在本文中几组试验中，压入式拉拔试验所测拉拔阻力与国产探头的双桥静力触探换算得到的比贯入阻力最为贴合，尤其是在粉土和砂土中。在软黏土中，拉拔阻力与比贯入阻力相比略小。因此分别研究拉拔阻力在不同土体中采用的经验公式或系数。

(3)钻孔式拉拔阻力与无电缆静力触探锥尖阻力相比明显大得多，且随深度方向变化趋势相近但存在较小的错位，在采用钻孔式拉拔阻力反映土体力学性能时需要考虑深度修正。其次，拉拔阻力换算成锥尖阻力与换算成比贯入阻力的关系式有所区别。

(4)拉拔阻力与旁压模量随深度变化的曲线吻合度欠佳，可能是由于旁压试验测点距离太大，不能很好体现土体性质。通过对比同深度测点处旁压模量与拉拔阻力的大小可以看出二者之间存在较好的相关关系。但是二者的相关关系在不同土层中不一样，在软黏土中二者基本相同，在粉土和砂土中拉拔阻力比旁压模量更大。二者之间的换算公式随不同性质土层会改变。

通过现场试验验证了该方法的重复性、准确性以及上拔式静力触探与传统静力触探的高度一致性。上拔式静力触探采用拉拔阻力这个测试参数反映土层性质是可行的，上拔式静力触探提供了一种经济可行的测试方案，未来对上拔式静力触探的工作原理、关键技术、测试参数与被测试土的力学特性之间相关规律的进一步研究可促进静力触探在海洋工程中的应用，具有重要意义和实用价值。