陳小玲, 陳培雄, 陳錫土, 呂小飛

（國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012）

海底管線區(qū)淺表層土孔壓靜力觸探參數(shù)特征及應(yīng)用

陳小玲, 陳培雄, 陳錫土, 呂小飛

（國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012）

利用東海陸架海底輸油管道路由調(diào)查獲得的孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)和鉆探資料等, 采用統(tǒng)計(jì)分析的方法, 對管道路由區(qū)5 m以淺土體的孔壓靜力觸探曲線特征、土的分類方法鑒別作了探討, 結(jié)果表明:研究區(qū)5 m以淺黏性土的錐尖阻力（qc）, 側(cè)摩阻力（fs）值較小, 且隨深度呈線性增加, 粉質(zhì)土的qc,fs值增大, 但隨深度線性增加規(guī)律不明顯, 砂類土的qc值急劇增大, 但fs值變化不大; Robertson法和Eslami-Fellenius法兩種土類劃分方法均適用于研究區(qū)淺表層軟土的土類劃分, 但 Robertson法在判別粉質(zhì)土?xí)r受到一定限制, Eslami-Fellenius法判別較為準(zhǔn)確, 應(yīng)用簡單。本研究可為我國在海底管線工程路由勘察中直接利用孔壓靜力觸探（CPTU）參數(shù)劃分土層和判別土類作鋪墊。

海底管線區(qū); 淺表層土; 孔壓靜力觸探試驗(yàn); 土分類

靜力觸探作為一種速度快、擾動(dòng)小、精度高、數(shù)據(jù)連續(xù)的原位測試技術(shù), 自1932年研制成功以來,在工程勘察中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在我國, 靜力觸探在陸域巖土工程應(yīng)用較廣, 建立了許多地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式[3-4], 在海洋工程中尚屬起步, 目前僅在海洋石油開發(fā)、海底電纜、管道等大型工程中得到應(yīng)用。作為一種用于第四紀(jì)土的經(jīng)驗(yàn)性定量或半定量測試手段, 靜力觸探的應(yīng)用一般不是靠理論分析其力學(xué)機(jī)理求解析解, 而是靠具體的經(jīng)驗(yàn)積累建立起來的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。我國以前所得出的經(jīng)驗(yàn)公式大多是建立在“單橋”或“雙橋”靜力觸探測試成果基礎(chǔ)上, 且多適用于陸相沉積物, 對于具有不同沉積相、物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征的海洋土, 這些經(jīng)驗(yàn)公式存在是否適用、需要作哪些方面的改進(jìn)等一系列問題。另外, 國外已建立的一些應(yīng)用于海洋工程的經(jīng)驗(yàn)公式, 由于多為地區(qū)性經(jīng)驗(yàn), 并不一定適用于我國東海海域。據(jù)此, 本文收集東海陸架管線區(qū)52個(gè)孔壓靜力觸探、150個(gè)振動(dòng)取樣和28個(gè)鉆孔資料, 對研究區(qū)5 m以淺土體的孔壓靜力觸探曲線特征、土分類方法的鑒別等方面作了研究, 總結(jié)出觸探參數(shù)在該地區(qū)的區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)值, 為孔壓靜力觸探技術(shù)（CPTU）在我國海底管線工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究作鋪墊。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于浙江岸外東海陸架海域（圖 1）, 淺表層土表現(xiàn)出與沉積環(huán)境相適應(yīng)的內(nèi)細(xì)外粗的規(guī)律,即近岸區(qū)為細(xì)粒土, 陸架中部為粗粒土。根據(jù)ASTM規(guī)范土的分類定名, 研究區(qū)管道所經(jīng)海域的海底淺層（0～5 m）土可分為黏土、粉砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)細(xì)砂、粉砂、砂-粉砂-黏土、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂、細(xì)砂等10種類型, 按工程地質(zhì)評價(jià)要求, 可歸并為黏性土、粉質(zhì)土、砂類土三類。

黏性土: 主要分布在象山港口門及近海水深45 m以淺區(qū)段, 為淺海相沉積。包括黏土、粉砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土。該類土含水量較高, 多為 40%～55%, 中到高塑性, 液限40%～55%, 塑限20～25, 土中含較多粉砂或砂微細(xì)層。

粉質(zhì)土: 呈帶狀分布于現(xiàn)代淺海黏土沉積和陸架殘留砂沉積區(qū)之間的混合沉積區(qū)。包括黏土質(zhì)粉砂、砂-粉砂-黏土、砂質(zhì)粉砂、粉砂。該類土呈松散至中密實(shí)狀態(tài), 粒級混雜, 分選差, 黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%～25%, 砂質(zhì)量分?jǐn)?shù) 22%～35%。天然密度 1.75～1.90 g/cm3, 含水量30%～40%。

砂類土: 主要分布在研究區(qū)東部的殘留砂區(qū),為晚更新世以來形成的濱海沉積。包括分選好到極好的細(xì)砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂。該類土呈中等密實(shí)到密實(shí)狀態(tài), 局部含黏土微細(xì)層。黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足 15%,細(xì)砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%, 天然密度1.9～2.1 g/cm3, 含水量25%～35%。

圖1 研究區(qū)及孔壓靜力觸探試驗(yàn)、振動(dòng)取樣、鉆孔位置圖Fig. 1 Study area and locations of pore pressure static cone penetration test （CPTU）, vibrocoring, drilling stations

2 孔壓靜力觸探參數(shù)曲線特征及特征值

土體性質(zhì)是影響錐尖阻力、側(cè)摩阻力等靜力觸探參數(shù)值大小的主要因素, 砂類土的粒徑較粉質(zhì)土、黏性土的粒徑大, 砂類土飽和時(shí), 粒間沒有聯(lián)結(jié), 呈松散狀態(tài), 無可塑性及脹縮性, 壓縮性極弱, 且強(qiáng)度較高; 而粉質(zhì)土具有一定的壓縮性、強(qiáng)度較低; 黏性土具有較高的壓縮性, 強(qiáng)度低。當(dāng)探頭貫入時(shí), 土體受橫向“擠壓”, 砂類土壓縮性低, 錐尖受到阻力較大; 粉質(zhì)土和黏性土由于具有一定的壓縮性, 錐尖所受阻力減小。同時(shí)顆粒粒徑較大時(shí), 探頭側(cè)壁所受到的阻力較大。當(dāng)土體中黏粒含量較高時(shí), 錐尖阻力趨向低值。因此, 不同土類表現(xiàn)出不同的曲線特征。圖 2為實(shí)際測試得到的研究區(qū)黏性土、粉質(zhì)土、砂類土典型的孔壓靜力觸探成果曲線。表1為3種類型土的錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、摩阻比Rf、孔隙水壓力u2、孔壓比Bq隨土層深度變化的曲線特征及孔壓靜力觸探參數(shù)特征值。其中Rf、Bq用下列公式計(jì)算:

式中:Rf: 摩阻比, %;fs: 側(cè)摩阻力, kPa;qc: 實(shí)測錐尖阻力, kPa;Bq: 超孔隙壓力系數(shù);u2: 錐頭后實(shí)測孔隙水壓力, kPa;u0: 靜止孔隙水壓力, kPa;σv0:總上覆土層壓力, kPa;qt: 修正錐尖阻力, kPa,α為錐頭修正面積比, 文中取α=0.840。

比較3類土的觸探曲線（圖2、表1）可以看出: （1）黏性土:qc,fs值較小,qc一般小于250 kPa,fs則小于15 kPa, 但兩者隨深度呈線性增加的規(guī)律明顯, 這與孟高頭[3]在均質(zhì)海相黏性土中的研究結(jié)果一致;u2值多小于 150 kPa, 總體上隨深度呈線性增加, 當(dāng)黏性土中夾有粉砂或細(xì)砂微層時(shí),u2值急劇降低;Rf,Bq值變化范圍較大, 隨深度變化不明顯。（2）粉質(zhì)土:qc,fs值增大,qc最大可達(dá)8.0 MPa,fs最大可達(dá)150 kPa, 由于粉質(zhì)土中常含黏土、細(xì)砂等夾層,qc,fs值隨深度線性增加規(guī)律不明顯,u2值在砂夾層中常出現(xiàn)負(fù)值, 變化范圍增大, 多在?300～250kPa之間變動(dòng)。（3）砂類土（細(xì)砂）: 與黏性土及粉質(zhì)土相比,qc值急劇增大, 最大可達(dá)10.0 MPa,fs值變化不大,Bq值明顯減小, 多在0值附近變動(dòng),u2值隨深度的增加變化極小, 幾乎為常值, 估計(jì)與錐頭貫入過程中孔隙水壓力消散過快有關(guān)。

3 兩種土分類法的適用性分析

1965年 Begemann首先提出利用錐尖阻力、側(cè)摩阻力劃分土類, 隨后 Robertson等[5-6]、Eslami和Fellenius[7]、張誠厚等[8]基于各種假設(shè)提出了不同的土分類圖。本文利用 CPTU數(shù)據(jù)對 Robertson[6]和Eslami-Fellenius[7]兩種分類法在劃分研究區(qū)淺表層土類的適用性進(jìn)行了探討。

圖2 實(shí)測不同土類典型的孔壓靜力觸探成果曲線Fig. 2 The typical CPTU curves of three soil types

表1 不同類型土的孔壓靜力觸探曲線特征及參數(shù)特征值Tab. 1 The CPTU characteristic curves and values of three soil types

3.1 兩種土分類法

3.1.1 Robertson法[6]

由于土層上覆應(yīng)力對CPT錐尖阻力、側(cè)摩阻力有較大影響, 相同性質(zhì)的土層在不同的深度, 其CPT探頭阻力是不同的, Robertson等[6]對其1986年提出的土分類圖進(jìn)行了改進(jìn), 提出用歸一化錐尖阻力、歸一化摩阻比和孔隙水壓力系數(shù)劃分土類, 得到了適用于軟土的土分類圖（圖3）。其中:

歸一化錐尖阻力Qt用下式計(jì)算:

圖3 不同類土在Robertson分類圖中的分布Fig. 3 Distributions of different soil types in Robertson chart

3.1.2 Eslami-Fellenius法[7]

Eslami-Fellenius法提出了利用有效錐尖阻力和側(cè)摩阻力劃分土類的分類圖（圖 4）, 圖中有效錐尖阻力qe用下式計(jì)算得到:

3.2 兩種分類法在研究區(qū)土類劃分中的對比分析

圖 3是研究區(qū)不同類土的孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)在Robertson分類圖中的分布情況, 可以看出, 淺表層黏土及粉砂質(zhì)黏土基本落于區(qū)域 3中, 細(xì)砂多落于區(qū)域5, 6, 7中, 表明黏性土和砂類土在Roberston分類法中能得到準(zhǔn)確的反映, 但粉質(zhì)土分布較為分散,分布區(qū)域遍及3, 4, 5, 6, 7等多個(gè)區(qū)域, 出現(xiàn)這種情況與粉質(zhì)土的結(jié)構(gòu)特征有關(guān), 研究區(qū)粉質(zhì)土中夾有粉砂、細(xì)砂、黏土等微層或夾層, 導(dǎo)致靜力觸探參數(shù),尤其是孔隙水壓力值變化較大, 使得粉質(zhì)土在Robertson分類圖中不能得到準(zhǔn)確的區(qū)分。另外, 在使用Roberston法劃分土類時(shí)需要詳細(xì)的用于計(jì)算上覆壓力的容重值, 如果缺乏相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn), 用該法劃分土類仍是一個(gè)困難。

圖 4為研究區(qū)不同類土孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)在Eslami-Fellenius分類圖中的分布, 可以看出, 黏土、粉質(zhì)土、細(xì)砂多落于相應(yīng)的區(qū)域, 表明該法能較好地區(qū)分研究區(qū)淺表層土類。而且在應(yīng)用該法時(shí), 僅需要有效錐尖阻力和側(cè)摩阻力就可進(jìn)行土類劃分, 無需其他測試參數(shù), 是一種簡單而且能較準(zhǔn)確地判別土類的方法。但該法中黏土多落于濕陷性黏土-粉質(zhì)黏土的區(qū)域中, 與研究區(qū)的黏土定名存在差距, 在具體使用時(shí), 需考慮該區(qū)土類的定名。

圖4 不同類土在Eslami-Fellenius分類圖中的分布Fig. 4 Distributions of different soil types in Eslami-Fellenius chart

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)5 m以淺黏性土、粉質(zhì)土、砂類土的孔壓靜力觸探曲線表現(xiàn)出明顯的差異性, 黏性土的qc、fs值較小,qc、fs、u2隨深度呈線性增加,Rf、Bq值變化范圍較大; 粉質(zhì)土的qc、fs值增大, 但隨深度線性增加規(guī)律不明顯,u2值變化范圍增大, 常出現(xiàn)負(fù)值; 砂類土的qc值急劇增大, 但fs值變化不大,u2值幾乎保持常值。

（2）在用孔壓靜力觸探測試數(shù)據(jù)進(jìn)行土類判別時(shí),應(yīng)綜合參考多個(gè)分類圖并結(jié)合鉆探資料得出可靠的土類判別。Robertson法和Eslami-Fellenius法均適用于研究區(qū)淺表層軟土的土類劃分, 但Robertson法在判別粉質(zhì)土?xí)r較離散, 且需要詳細(xì)的土容重?cái)?shù)據(jù), 應(yīng)用受到一定限制, 而 Eslami-Fellenius法僅利用錐尖阻力和側(cè)摩阻力, 判別較為準(zhǔn)確, 應(yīng)用簡單。

[1] Vreugdenhil R, Davis R, Berrill J R. Interpretation of cone penetration results in multilayered soils[J]. Int J Numer Analyt Meth Geomech, 1994, 18: 585-599.

[2] Mitchell J K, Lunne T A. Cone resistance as a measure of sand strength[J]. Proceedings of the American Society of Civil Engineers,1978, 104（GT7）: 995-1012.

[3] 孟高頭.土體原位測試機(jī)理、方法及其工程應(yīng)用[M].北京: 地質(zhì)出版社, 1997: 6-102.

[4] 常士驃, 張?zhí)K民, 項(xiàng)勃, 等. 工程地質(zhì)手冊[M]. 第四版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2007: 253-275.

[5] Robertson P K, Campanella R G, Gillespie D, et al. Use of piezometer cone data[C]. The American Society of Civil Engineers. Proceeding of American Society of Civil Engineers, In-Situ 86 Specialty Conference.Clemence, Blacksburg: Geotechnical Special Publication, 1986: 1263-1280.

[6] Robertson P K. Soil classification using the cone penetration test[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1990,27（1）: 151-158.

[7] Eslami A, Fellenius B H. Pile capacity by direct CPTand CPTU methods applied to 102 case histories[J].Canadian Geotechnical Journal, 1997, 34（6）: 880-898.

[8] 張誠厚, 施健, 戴濟(jì)群. 孔壓靜力觸探試驗(yàn)的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào), 1997, 19（1）: 50-57.

Received: May,10,2010

Key words:pipeline laying area; surface soil; pore pressure static cone penetration test（CPTU）; soil classification

Abstract:Based on the pipeline route survey data in the East China Sea, using statistical analysis technique, the characteristics of pore pressure static cone penetration test （CPTU） curves and soil classification in 5 m shallow soil are discussed. It was found that the characteristics of CPTU curves and parameters were different for clay, silty and sandy soils in pipeline area. The value ofqcorfsin clay was small and increasing with depth linearly, but the value for the silt or sand was not so. The soil classification methods of Eslami-Fellenius is simpler and more accurate than Robert’s. The results of this paper can be applied in layers discriminating and soil classification using CPTU in pipeline route survey in China.

（本文編輯:劉珊珊）

Characteristics of pore pressure static cone penetration test parameters and its application of surface soil in pipeline laying areas

CHEN Xiao-ling, CHEN Pei-xiong, CHEN Xi-tu, Lü Xiao-fei
（Key Laboratory of Engineering Oceanography, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration,Hangzhou 310012, China）

P75

A

1000-3096（2012）03-0008-05

2010-05-10;

2011-12-19

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y5100027）; 國家海洋第二海洋研究所專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JG200805）

陳小玲（1972-）, 女, 浙江諸暨人, 高級工程師, 主要從事海洋工程、海洋巖土方面的研究, E-mail: chenxl@sio.org.cn