李忠信，孫梟雄，劉東華，賈鈜崴，孫偉

（1.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東珠海 519080；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；3.輝固勘探（深圳）有限公司，廣東深圳 518042）

隨著海上風(fēng)電發(fā)展加速，作為海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵工作之一，海上巖土勘察也愈顯重要。海洋巖土勘察與陸地土建工程勘察有很大不同。海洋巖土勘察成本較陸地更高，需要?jiǎng)佑脤I(yè)的勘察船舶，成本極高。在海上取得的每一個(gè)不擾動樣品其花費(fèi)不菲。鑒于目前國內(nèi)專業(yè)勘察船數(shù)量限制，大部分取得的土樣擾動程度較高，砂土也極難取得原狀樣品。因此CPT等原位測試手段在海洋巖土勘察中得到了廣泛的應(yīng)用。陸地傳統(tǒng)的標(biāo)貫測試由于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)備簡單，也在目前的海洋巖土勘察中有著廣泛的應(yīng)用。

由于取得原狀土樣的成本極高，如何根據(jù)目前常用的CPT和標(biāo)貫方法取得可靠的勘察參數(shù)有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 項(xiàng)目背景介紹

擬建某風(fēng)電工程位于廣東海域珠江下游入海口內(nèi)陸架內(nèi)，場址規(guī)劃用海面積10.43 km，水深值介于4.3～13.2 m。巖土勘察工作包括在每個(gè)機(jī)位進(jìn)行鉆孔取樣、標(biāo)貫測試。除此外，還選擇35號機(jī)位和43號機(jī)位兩處，每個(gè)機(jī)位進(jìn)行兩個(gè)CPT測試，共完成4個(gè)CPT測試。

2 CPT快速劃分地層

在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施過程中，不同生產(chǎn)商制造的CPT設(shè)備會記錄不同的數(shù)據(jù)格式，通常需要相匹配的軟件才能做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋，比如完成土的分類等工作。本文不再深究該如何使用CPT數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的巖土分層和分類，目前分類方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，可詳見ROBERSON 1990、ROBERSON 2009、ROBERSON 2010。本文著重介紹根據(jù)CPT最基本的數(shù)據(jù)錐尖阻力，側(cè)壁摩擦力，孔隙水壓力和摩阻比來進(jìn)行快速地土層劃分。

根據(jù)上述四類基本數(shù)據(jù)進(jìn)行快速土層劃分，可以根據(jù)以下幾個(gè)原則進(jìn)行：

1）突然變化的位置為土的分層位置。

2）發(fā)生較大變化的位置為土的分層位置。

3）＜1可判斷為砂性土，＞2可判斷為粘性土，位于兩者之間的時(shí)候，可能為粉土或者粉砂或沙土粘土混合，具體情況需根據(jù)大小判定。

4）砂土的較高，在本項(xiàng)目中為10 MPa或者更高。

5）發(fā)生劇烈變化的時(shí)候，可能是土層發(fā)生變化或某一層土中的成分、密實(shí)程度發(fā)生了突然變化。

需注意的是，根據(jù)以上幾個(gè)原則劃分的土層，并不代表該層土的設(shè)計(jì)參數(shù)需相同。比如同一層粘土中，可能出現(xiàn)強(qiáng)度分別為20 kPa和50 kPa，但是在上述四個(gè)指標(biāo)參數(shù)中，無法得到明顯區(qū)分。

3 粘性土不排水抗剪強(qiáng)度

3.1 CPT數(shù)據(jù)計(jì)算粘土不排水抗剪強(qiáng)度

已經(jīng)有許多學(xué)者提出采用CPT計(jì)算粘土不排水抗剪強(qiáng)度的方法。

CPT采用下式計(jì)算粘土的不排水抗剪強(qiáng)度。

式中：

——修正CPT錐尖阻力（kPa），通常可直接從CPT設(shè)備中導(dǎo)出此數(shù)據(jù)；

——上覆壓力（kPa）；

——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

如果CPT設(shè)備操作系統(tǒng)無法自動導(dǎo)出數(shù)據(jù)，可以用下式來計(jì)算：

式中：

——CPT錐尖阻力（kPa）；

——探頭水壓力（kPa）；

——探頭面積比，是探頭出廠設(shè)計(jì)參數(shù)，對于某一型號探頭為固定值，通常處在0.6～0.8。

的取值并不固定，在不同的場地，場地中不同的地層中取值也會不同。因此的最終取值需配合其他的測試手段來確定，包括高質(zhì)量的強(qiáng)度試驗(yàn)、現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)等方法。不同的粘土通常會表現(xiàn)出不同的值。LOW et al.（2010）通過研究3個(gè)陸地和11個(gè)海上場地的CPT粘土，通過與三軸試驗(yàn)結(jié)果對比后，提出取值在8.6～15.3，平均值為11.9。如果與三軸試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)和三軸拉伸實(shí)驗(yàn)得到的強(qiáng)度平均值對比后，取值在10.6～17.4，這個(gè)范圍相對更接近單剪試驗(yàn)的結(jié)果。如果與現(xiàn)場的十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果做對比，取值在10.8～19.9，平均值為13.3。MAYNE et al.2015在研究了17種不同強(qiáng)度的粘土后，得到的平均值為13.6。

KARLSRUD et al.（2005）測試了靈敏的挪威粘土，三軸試驗(yàn)結(jié)果對比顯示取值范圍相對更低，取值在7.5～11.5。WANG et al（2015）測試了魁北克地區(qū)的十字板強(qiáng)度，結(jié)果對比顯示取值為10.5。

對于超固結(jié)的結(jié)構(gòu)性粘土，POWELL&QUARTERMAN（1988）提出取值在20至30之間的時(shí)候，才能與室內(nèi)的三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場平板結(jié)果取得較好的對照。

MAYNE&PEUCHEN（2018）對比407個(gè)粘土樣品的三軸試驗(yàn)強(qiáng)度與CPT數(shù)據(jù)后，提出了一種通過CPT指標(biāo)計(jì)算的方式。他們通過研究最終的取值和CPT孔壓系數(shù)的關(guān)系可以近似表示為：

基于上式可以得到35號機(jī)位和43號機(jī)位的取值如圖1、圖2所示。

圖1 GSK35號機(jī)位的N kt的取值Fig.1 The value of N kt for GSK35 position

圖2 GSK43號機(jī)位的N kt的取值Fig.2 The value of N kt for GSK43 position

從圖1、圖2可以看到，CPT 35-1的取值大多落在15～20，20 m以下的部分粘土層混砂較多，取值波動范圍較大，23～25 m范圍內(nèi)為10左右，27～29 m范圍內(nèi)取值為20～25，但代表性相對較差。CPT 35-2表層2 m范圍內(nèi)取值變化較大。2～5 m范圍內(nèi)取值為15～25，5～17 m范圍內(nèi)大段粘土的取值為10～15，23～25 m范圍內(nèi)為15～20，27～29 m范圍內(nèi)取值為15～25，但代表性相對較差。CPT 43-1粘土層取值基本落在12～16，除35～38 m范圍內(nèi)取值為15～20。CPT 43-2粘土層取值基本在15～20，局部深度降至25左右但很快升高至15～20的范圍。

根據(jù)以上方法計(jì)算得到可以得到35機(jī)位和43機(jī)位的粘土不排水強(qiáng)度剖面如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看到，對于35號機(jī)位，UU和CU試驗(yàn)結(jié)果相對CPT結(jié)果對照較好，UU結(jié)果偏向CPT的較低取值，CU結(jié)果偏向CPT的較高取值，整體對照情況較好。對于43號機(jī)位，CPT結(jié)果相比UU試驗(yàn)和CU試驗(yàn)結(jié)果更高，局部深度CPT結(jié)果高過CU實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 GSK35號機(jī)位的粘土不排水強(qiáng)度剖面Fig.3 Undrained strength profile of clay at the GSK35 position

圖4 GSK43號機(jī)位的粘土不排水強(qiáng)度剖面Fig.4 Undrained strength profile of clay at the GSK43 position

3.2 CPT計(jì)算粘土不排水抗剪強(qiáng)度的特點(diǎn)

通過以上對比我們可以看出：

1）本項(xiàng)目粘土的不排水強(qiáng)度應(yīng)該是隨深度增長，目前勘察結(jié)果中對一段較厚的粘土層只提出一個(gè)統(tǒng)一的強(qiáng)度指標(biāo)是相對粗糙的。

2）的取值需通過與高質(zhì)量的室內(nèi)試驗(yàn)對比來確定。

3）本項(xiàng)目粘土的取值范圍在15～20是相對合理的，這也與前期研究成果相吻合。

4 砂土的內(nèi)摩擦角

CPT確定砂土內(nèi)摩擦角的手段相對單一，應(yīng)用成果相比CPT在粘土中的應(yīng)用也較少。目前常見的根據(jù)CPT計(jì)算砂土有效摩擦角的常用公式是MAYNE（2014）提出的：

這里是大氣壓，可取100 kPa。該式最初是根據(jù)CPT標(biāo)定箱數(shù)據(jù)得到的，使用的是標(biāo)準(zhǔn)石英砂。MAYNE（2006，2009）用17個(gè)場地取得不擾動（冰凍）砂樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，測得了砂土樣的摩擦角。試驗(yàn)結(jié)果顯示上式也能夠得到非常好的擬合效果。

目前的海上勘察中，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)也應(yīng)用非常普遍，但是目前標(biāo)貫在海上勘察中的應(yīng)用適用性有非常大的爭議，由于CPT在國內(nèi)發(fā)展時(shí)間較短，設(shè)備數(shù)量較少，無法保證每個(gè)機(jī)位都有CPT，標(biāo)貫依舊是現(xiàn)場測試最主要的手段。

標(biāo)貫在海上巖土工程勘察中應(yīng)用的特點(diǎn)包括：

1）標(biāo)貫的應(yīng)用非常普遍，也有非常豐富的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)把標(biāo)貫結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，但這些經(jīng)驗(yàn)主要集中于陸地。由于標(biāo)貫探桿自由段過長，因此陸地上已經(jīng)成熟的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芊褚浦驳胶Ｑ髱r土的勘察工作中，是一個(gè)需要更多研究和工程實(shí)踐的問題。

2）標(biāo)貫設(shè)備本身成本低，市場供應(yīng)大，而CPT本身設(shè)備成本相對標(biāo)貫更高，特別是專門的孔下CPT（downhole CPT）成本更高，同時(shí)相對來講，CPT的數(shù)據(jù)處理和解釋需要更專業(yè)的巖土技術(shù)人員來進(jìn)行。

對于標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這里建議采用SCHMERTMANN方法推算砂土的內(nèi)摩擦角，如圖5所示。

圖5 標(biāo)貫捶擊數(shù)與砂土摩擦角的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Fig.5 Empiricalmethod for estimatingφ’of a sand from standard penetration test‘N’values

根據(jù)上式，我們得到了35機(jī)位和43機(jī)位的摩擦角剖面圖。

從圖6、圖7可以看到，基于標(biāo)貫結(jié)果使用SCHMERTMANN方法與CPT經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果基本吻合，SCHMERTMANN方法的結(jié)果基本是CPT結(jié)果的上包絡(luò)線。同時(shí)，在對比中，還可以發(fā)現(xiàn)：

圖6 GSK35機(jī)位的摩擦角剖面圖Fig.6 Friction angle profile of GSK35 position

圖7 GSK43機(jī)位的摩擦角剖面圖Fig.7 Friction angle profile of GSK43 position

1）無論CPT還是標(biāo)貫計(jì)算砂土的有效內(nèi)摩擦角時(shí)，都需考慮有效上覆壓力的影響。

2）標(biāo)貫?zāi)軌蚍从成皩拥拿軐?shí)度變化的趨勢，但標(biāo)貫數(shù)據(jù)不連續(xù)，不夠豐富。

3）SCHMERTMANN方法在標(biāo)貫超過60錘或有效上覆壓力超過300 kPa后對砂土摩擦角的準(zhǔn)確程度無法保證，原因是當(dāng)埋深超過一定深度，桿長自由段過長的時(shí)候，對于標(biāo)貫錘擊能量的修正無法準(zhǔn)確估計(jì)，這也是標(biāo)貫在海洋巖土勘察應(yīng)用中備受爭議的因素。

5 結(jié) 論

通過以上列舉的方法所得到的結(jié)果，可以總結(jié)出下列結(jié)論：

1）目前國內(nèi)海上風(fēng)電勘察手段有限而且勘察裝備供應(yīng)緊張。在此大背景下，本文提供了一種在海上勘察較難取得不擾動樣品且經(jīng)常僅有CPT和標(biāo)貫數(shù)據(jù)可用的情況下，推算土的抗剪強(qiáng)度的可靠方法。

2）高質(zhì)量的土工試驗(yàn)是保證海上勘察巖土參數(shù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，但由于目前客觀條件的限制，取樣擾動較大的因素仍然無可避免，因此根據(jù)現(xiàn)場CPT測試和標(biāo)貫測試的結(jié)果推算巖土參數(shù)有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3）CPT方法在確定粘土的不排水抗剪強(qiáng)度的時(shí)候有較大的優(yōu)勢，CPT測試精度高，屬于原位測試，沒有土樣擾動的問題，方便繪制粘土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化的剖面。

4）粘土強(qiáng)度通常隨深度增長，粘土層提出單一強(qiáng)度參數(shù)相對粗糙。

5）勘察現(xiàn)場極難取得砂土原狀樣，因此采用CPT和標(biāo)貫經(jīng)驗(yàn)方法，綜合判斷，確定合適的砂土有效內(nèi)摩擦角是一種非常實(shí)用且有應(yīng)用價(jià)值的方法。