基于孔压静力触探的海洋地层参数解译方法

陆林凤，彭 正，杨 晨

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江华东岩土勘察设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

随着我国海洋战略的高速发展,如何合理高效利用海洋资源成了如今重要的问题。岩土工程作为海上风电场工程中重要的一环,存在许多亟待解决的问题[1]。比如钻孔取样扰动导致的岩土参数不可靠和不明确等问题,海上钻孔取样的问题尤其突出。

原位测试技术对土体扰动较少,高精度现场原位测试能够有效获得土体参数。而静力触探试验(CPTU)作为主要原位测试技术,在国外海上风电场工程中已有许多工程经验[2]。CPTU测试可以用于土样分类,并且推算土的天然重度和孔隙比。由于土的物理力学参数指标存在多种解译方法,本文针对土体的主要物理力学参数的不同CPTU解译方法进行介绍。

1 CPTU测试结果

随着在静力触探探头上增加不同的传感器,可以实现对不同土体参数的测试,例如电阻率、剪切波速等[3]。孔压静力触探(CPTU)探头是在标准电测式静力触探(CPT)的探头中安装透水滤器及两侧孔隙水压力的传感件。在不同的土类中,静力触探产生的孔压有很大差异,对有效应力产生影响,同时影响着锥尖阻力和侧壁摩阻力[4]。采用锥肩位置的孔隙水压力u2对实测锥尖阻力qc进行修正是最为有效且准确的方法(Lunne等,1997),见式(1),式(2)。

qt=qc+u2(1-a)

(1)

a=Aa/Ac

(2)

其中,qt为修正后的锥尖阻力;qc为实测的锥尖阻力;u2为锥肩位置的孔隙水压力;a为有效面积比,大部分探头为0.55～0.9,常为0.8;Aa为顶柱的横截面积;Ac为锥底的横截面积。

CPTU数据解译时主要用到摩阻比Rf和孔压比Bq,计算公式见式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,σv0为竖向总应力;Δu为超孔隙水压力。

2 土的物理特性指标解译

砂土的相对密实度一般通过标定罐试验或者室内试验进行统计分析得到。Baldi等(1986)根据Ticino砂土标定罐试验,建议采用式(5)预测Dr:

(5)

其中,C0,C1和C2均为土常数;σ′为有效应力,可采用平均有效应力或竖向有效应力[5]。

(6)

从标定罐试验结果可知,即使标定罐试验控制较好,锥尖阻力与相对密实度之间仍具有较大离散性(见图1)。

Robertson等(2009)建议采用式(7)对相对密实度进行估算:

(7)

其中,Qtn为归一化锥尖阻力,kPa;CDr为经验系数,一般取300～400,平均值为350。

另外,Look(2007年)根据国外工程经验,提出了不同CPTU锥尖阻力与砂土相对密实度之间的对应关系,并在工程中得到了大量应用(见表1)。

表1 CPTU探头锥尖阻力与石英砂相对密实度的对应关系

3 土的力学特性指标解译

3.1 砂性土的有效内摩擦角

砂土有效内摩擦角主要通过经验或半经验相关关系法(标定罐试验)来评价,还可以通过承载力理论方法评价[6-8]。

采用相对密实度Dr来评价峰值摩擦角是工程界普遍的做法,Schmertanan(1978)提出了有效内摩擦角φ′与相对密实度Dr的区间图,如图2所示。

Robertson(1983)进行了标定罐试验,总结出了关于锥尖阻力qc与有效内摩擦角φ′的关系。其中有效内摩擦角φ′采用砂土三轴CD试验获得,侧限应力近似等于标定罐的水平应力,标定得到的结果如图4所示。

黄飞和符滨对比了利用欧标《Eurocode7-Geotechnical design-Part 2: Ground investigtation and testing》qc计算出的内摩擦角和《广东省建筑地基基础设计规范》根据修正标贯值计算的内摩擦角:

由表2可知,考虑到SPT的试验扰动和沉渣现象,两种推算摩擦角的方法得出的结果基本一致。

表2 CPTU探头锥尖阻力与石英砂相对密实度的对应关系

3.2 土体小应变剪切模量

当采用SCPTU时,即带剪切波速测试的静力触探探头时,砂性土可以通过式(8)对土的小应变剪切模量G0进行计算:

(8)

其中,ρ为密度。

4 结语

传统的钻探手段在海洋工程勘察中使用会导致土体扰动过大,对土体扰动小的孔压静力触探试验在海洋勘察工程中应用广泛,可以实现对海洋地层参数的准确评价[12]。由于孔压静力触探试验需要采用解译的形式获取土体参数,本文对孔压静力触探测试结果的处理方法作了详细介绍,并给出了砂性土的有效内摩擦角、相对密实度、小应变剪切模量的推荐解译方法,可以为孔压静力触探解译提供参考,并为海洋岩土工程设计提供可靠参数。