牛海峰，李向輝，梁峰，李亞，張子健,?

（1.中國廣核新能源控股有限公司, 北京 100070；2.深圳市普羅海洋科技有限責(zé)任公司, 廣東 深圳 518000；3.深圳清華大學(xué)研究院, 廣東 深圳 518057）

0 引言

海洋地勘中的巖土勘測是指通過取樣測試或者原位測試的方法，獲取指定點位指定深度處海床土體的物理力學(xué)信息[1-4]。其中，海床土體的力學(xué)強度特征，特別是靜載條件下黏性土的不擾動不固結(jié)不排水強度Su和砂性土的內(nèi)摩擦角φ，是海洋工程最直接、最基本的勘察參數(shù)，也是最容易受到外界影響而出現(xiàn)較大偏差的參數(shù)[5-7]。

當(dāng)前，我國海洋巖土勘測普遍采用以鉆孔取樣測試為主、以原位測試為輔的方法[8]。其中，靜力觸探（CPT）是最為常用的海洋巖土原位測試工具[9-10]。在取樣測試方法中，由于較高圍壓的存在，海床土樣的擾動是不可避免的，土樣擾動可顯著改變土樣原本的強度和變形特征，是影響海洋地勘質(zhì)量的關(guān)鍵因素[11]。當(dāng)前我國海洋地勘多采用陸地式鉆機+自升式平臺這種裝備組合獲取土樣，容易導(dǎo)致土樣的較大擾動，在后續(xù)的土樣保存、運輸及操作環(huán)節(jié)，也缺乏針對性的保護措施。上述環(huán)節(jié)產(chǎn)生的土樣擾動將直接影響后續(xù)的土工測試。此外，土工測試自身也容易產(chǎn)生偏差?？紤]到海床物理力學(xué)特征的標(biāo)準(zhǔn)值/真實值難以確定，如果勘測各環(huán)節(jié)技術(shù)手段單一，例如土體的Su強度僅通過常規(guī)三軸試驗量測，僅僅依賴單一測試，則難以對勘測結(jié)果的可靠性做出評判。另一方面，為有效避免土樣擾動等因素對土體測試的干擾，以CPT為代表的原位測試方法在海洋地勘中得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)前常用的CPT數(shù)據(jù)解釋方法（即Nkt系數(shù)法）在本質(zhì)上仍需回歸到高質(zhì)量的鉆孔取樣測試結(jié)果進行標(biāo)定[12]。因此，當(dāng)前的原位測試技術(shù)還不是一種完全獨立的土體強度勘測方法，不能用來獨立校核鉆孔取樣的勘測結(jié)果。綜上所述，由于缺乏土樣擾動評估，單一式的鉆孔取樣土工測試無法對測試結(jié)果去蕪存菁，同時，原位測試的CPT技術(shù)雖然避免了土樣擾動，但經(jīng)驗參數(shù)如不校正很難得到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)有地勘技術(shù)存在較大的經(jīng)驗性和盲目性，無法達到精準(zhǔn)地勘要求。

基于以上認知，本文介紹一種基于一致性原則的海洋巖土勘測新方法，有效地整合了鉆孔取樣不連續(xù)單點數(shù)據(jù)和原位測試連續(xù)曲線數(shù)據(jù)。新技術(shù)主要包括兩個基本環(huán)節(jié)：（1）鉆孔取樣土樣擾動綜合評估；（2）鉆孔取樣和原位測試土體強度測試結(jié)果的一致性綜合評估。

1 土樣擾動綜合評估

海洋巖土勘測技術(shù)首先應(yīng)該通過各種觀測方法，對獲得的土樣進行擾動評估。需要澄清的是，土樣擾動評估的目的是評估土樣的擾動狀況并篩選較好的土樣為后續(xù)土工試驗做準(zhǔn)備，而不是弱化合理的鉆孔取樣裝備及取樣工藝在海洋地勘中的關(guān)鍵作用。土樣擾動評估的主要內(nèi)容如圖1所示。其中，本文主要關(guān)注獲取土樣后，土樣自身的擾動評估。

圖1 土樣擾動綜合評估的主要內(nèi)容Fig.1 Main contents in comprehensive assessment of soil disturbance

1.1 不同階段土樣含水量等物性指標(biāo)測試結(jié)果的一致性評估

通常情況下，如果海上船載土工實驗室能力允許，在海上獲取土樣后，土樣應(yīng)盡快進行土工測試，這尤其適用于相對簡易的土樣物性測試。其余土樣則封存起來，以待后期在陸上實驗室進行更為復(fù)雜的土工試驗。通過海上土樣含水量試驗結(jié)果與陸上試驗結(jié)果的一致性比較，可以顯示封存、運輸及其他環(huán)節(jié)是否對土樣產(chǎn)生進一步的擾動影響。做為示例，圖2顯示了封存、運輸及后續(xù)環(huán)節(jié)較好時，海上試驗與陸上試驗得到的土樣含水量有較好的一致性。

圖2 海上試驗與陸上試驗土樣含水量一致性比較Fig.2 Comparison of consistency in moisture content between offshore and onshore tests

1.2 土樣飽和度及理論容重一致性評估

海洋土樣的飽和度（Sr）可以由公式（1）計算得到。海洋土樣的飽和度在理論上應(yīng)當(dāng)是100%。但土體受到擾動導(dǎo)致水分喪失，特別是當(dāng)圍壓釋放，土樣發(fā)生明顯膨脹后，測試獲得的土體含水量與理論值將有一定差異。依據(jù)飽和度判斷土體膨脹性的常用準(zhǔn)則為：（1）當(dāng)Sr≥95%時，土樣沒有或者有輕微膨脹性；（2）當(dāng)90%≤Sr<95%時，土樣具有一定的膨脹性；（3）當(dāng)85%≤Sr<90%時，土樣具有較大的膨脹性；（4）當(dāng)Sr<85%時，土樣具有強烈膨脹性。土樣飽和度的評價結(jié)果需要包含在地勘報告中。后續(xù)土工測試須盡量避免使用具有較大和強烈膨脹性（即c類和d類）的土樣。

式中：

w?土體天然含水量(%)；

Gs?土顆粒比重；

γw?水的容重 (g/cm3)。

依據(jù)飽和度為100%的假定，通過海洋土樣的理論容重（γt）與實測容重的一致性的比較，也可以凸顯土樣因圍壓釋放而導(dǎo)致的土體水分喪失狀況。海洋土樣的理論容重（γt）可由公式（2）計算得到，其用到的參數(shù)同公式（1）。

作為示例，圖3顯示某一海洋地勘項目，由于土樣受圍壓釋放影響較小時，土樣飽和度與理論值（100%）較為一致（圖3（a）），同時，計算得到的土樣理論容重與實測值吻合度也較高（圖3（b））。

圖3 圍壓釋放影響較大時土樣容重及飽和度的一致性比較Fig.3 Comparison of consistency in bulk density and saturation of soil samples under great effect of confining pressure release

相反，圖4顯示的則是在另外一個海洋地勘項目中，由于海床面20 m埋深以下的地層含有較多淺層氣，圍壓釋放對土體的影響較大，導(dǎo)致土樣的飽和度顯著低于其理論值（100%），同時，計算得到的土樣理論容重與土樣的實測容重有明顯偏離。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時，后續(xù)的土工測試及數(shù)據(jù)解釋需要慎重處理。

圖4 圍壓釋放影響較小時土樣容重及飽和度的一致性比較Fig.4 Comparison of consistency in bulk density and saturation of soil samples under small effect of confining pressure release

1.3 土樣 X 光掃描測試結(jié)果評估

通過X光衍射掃描，可顯示土樣內(nèi)部的完整性、裂隙分布以及紋路的均勻性等結(jié)構(gòu)細節(jié)，作為土樣是否受到過度擾動的判斷依據(jù)。圖5對比了擾動較大及擾動較小土樣的X光掃描圖像。X光衍射圖像也可以顯示取樣器的幾何尺寸（包括直徑、壁厚、長度等）對取樣質(zhì)量的影響。在為后續(xù)的土工試驗特別是為土樣擾動比較敏感的高級土工試驗做準(zhǔn)備時，應(yīng)該在X光掃描圖像的基礎(chǔ)上，截取擾動較小的土樣部位。

圖5 擾動較小與擾動較大土樣的X-Ray圖像對比Fig.5 Comparison of X-Ray images of soil samples under small disturbance and great disturbance

1.4 固結(jié)試驗曲線評估

在海洋地勘過程中，由于圍壓釋放，獲取的土樣會發(fā)生體積改變。在土樣固結(jié)試驗中，通過施加豎向荷載恢復(fù)土體原位應(yīng)力狀態(tài)，量測土樣在相應(yīng)過程中的壓縮量，并結(jié)合土體的超固結(jié)比（OCR），結(jié)合表1[13-14]對土體的擾動程度進行評估。在該表中，σ′v0為土體的原位豎向有效荷載；Δe為固結(jié)試驗施加荷載σ′v0后土樣的孔隙比變化值；而e0為土樣的初始（原位）孔隙比。上述土樣擾動評價結(jié)果應(yīng)包含在地勘報告中。后續(xù)的土工試驗特別是對土樣擾動比較敏感的高級土工試驗，應(yīng)選擇擾動質(zhì)量為I級及II級的土樣。

表1 依據(jù)固結(jié)試驗進行的土樣擾動程度評估分級Tab.1 Evaluation and classification of soil sample disturbance based on consolidation test

1.5 土樣強度測試結(jié)果的輔助評估

海洋地勘中，不固結(jié)不排水三軸試驗（即UU試驗）是測量粘土強度Su的常用方法。與固結(jié)曲線相似，當(dāng)使用擾動較小的粘土樣時，UU試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線通常具有明顯的結(jié)構(gòu)性或者“脆性”，即在峰值過后，殘余強度迅速減??；而擾動較大的粘土樣的曲線具有較為明顯的延展性或者“塑性”。圖6比較了不同擾動程度粘土樣的UU應(yīng)力應(yīng)變曲線。此外，對于擾動較大的粘土樣，其變形參數(shù)e50也往往較大。e50是UU應(yīng)力應(yīng)變曲線中，當(dāng)偏應(yīng)力比為0.5時所對應(yīng)的應(yīng)變值，是多個國際海洋工程規(guī)范所要求的土體變形特征參數(shù)。因此，在確定粘土樣Su強度和e50特征參數(shù)時，應(yīng)充分考慮UU曲線所體現(xiàn)的土體擾動特征。

圖6 不同擾動程度土樣的UU曲線比較Fig.6 Comparison of UU curves of soil samples under different disturbance

此外，通常情況下海洋粘土的靈敏度應(yīng)該大于3。但當(dāng)粘土樣受到較大擾動時，其不擾動強度Su會顯著降低，而土體重塑強度Sur受到的影響較小，作為二者的比值，所得到的土樣靈敏度就會顯著降低。當(dāng)室內(nèi)試驗得到的粘土樣靈敏度過低，就說明其土樣擾動較大，相應(yīng)土工試驗得到的土樣不擾動強度Su的可靠性就值得懷疑。

2 土樣強度測試的一致性綜合分析

如前文所述，在各種海洋地勘參數(shù)中，土體的力學(xué)強度特征，特別是靜載條件下粘性土的不擾動不固結(jié)不排水強度Su和砂性土的內(nèi)摩擦角φ，是海洋開發(fā)建設(shè)最直接、最基本的工程參數(shù)，也是受環(huán)境因素影響最大因而最容易出現(xiàn)測量偏差的地勘參數(shù)。

本文所闡述的土體強度測試的一致性綜合分析技術(shù)如圖7所示，把室內(nèi)土工試驗和原位測試相結(jié)合，常規(guī)土工試驗和高級土工試驗相結(jié)合，在臨界狀態(tài)土力學(xué)理論的框架下，特別是基于SHANSEP土工測試成果[15]和基于小孔擴展理論的自洽式的孔壓靜力觸探測試的解釋[16-18]，根據(jù)不同土工參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)土體各種測量值的相互標(biāo)定，在內(nèi)在一致性的基礎(chǔ)上，最終確定土體的強度特征參數(shù)。土樣強度一致性綜合測試分析的具體實施流程如圖8所示，解釋如下：

圖7 土體強度一致性綜合測試分析思路Fig.7 Mind map of comprehensive test and analysis of soil strength consistency

圖8 土體強度一致性綜合測試分析的實施流程Fig.8 Flowchart of comprehensive test an d analysis of soil strength consistency

2.1 土體的內(nèi)摩擦角 φ

土體是一種摩擦介質(zhì)。在定義土體的各種強度參數(shù)中，內(nèi)摩擦角（φ）是最為基本的強度參數(shù)。土體的內(nèi)摩擦角可通過單剪試驗、三軸試驗等強度試驗獲取。在這些試驗中，土樣內(nèi)摩擦角是通過p-q平面內(nèi)應(yīng)力路徑的最大斜率確定。

對于易擾動的黏性土，土體內(nèi)摩擦角也可在小孔擴張理論和臨界狀態(tài)土力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從CPT測試數(shù)據(jù)出發(fā)，通過公式（3）的迭代計算獲得[6]。

式中：

Nq?端承因子；

Nm?歸一化錐尖阻力因子；

Nu?孔隙水承壓因子；

σv0、σ′vo?土體的豎向上覆總壓力和豎向上覆有效壓力（kPa）；

其他參數(shù)均為CPT的直接測試值及其衍生值。

圖9顯示在某一海洋地勘項目中，各種獨立的土工試驗及CPT原位測試得到的土體內(nèi)摩擦角的分布狀態(tài)，由于一致性較好，也保障了最終獲得的土體內(nèi)摩擦角的可靠性。

圖9 各種試驗及原位測試得到的土體內(nèi)摩擦角的一致性評估Fig.9 Consistency evaluation of friction angle in soil obtained from various tests and in-situ test

2.2 土體的超固結(jié)比 OCR

土體的固結(jié)度OCR用于表征土體的應(yīng)力歷史，是定義土體的初始屈服面并決定土體表征強度的關(guān)鍵初始狀態(tài)參數(shù)。如圖8所示，土體的固結(jié)比OCR可通過固結(jié)試驗直接測量和CPT原位測試分析計算兩種獨立的方法獲得。其中，對于固結(jié)試驗，可采用公式獲得土體的OCR。其中，σ′vo是土樣在埋深處所承受的上覆有效壓力，由有效容重γ'隨深度積分得到；σ′pc是土體的先期固結(jié)壓力，可由固結(jié)試驗的固結(jié)曲線確定。

此外，土體的OCR也可基于小孔擴張理論基于公式（4）[18]從CPT測試數(shù)據(jù)計算得到：

式中：

M?土體在p-q平面內(nèi)的臨界面斜率，其計算公式為M=6·sin?/(3?sin?)；

φ?土體內(nèi)摩擦角（°）；

u2?CPT探測的土體超孔隙水壓力（kPa）；

u0?土體內(nèi)相對于海床表面的靜止水壓力（kPa），是水容重與埋深的乘積；

Ir?土體的不排水剛度，其計算公式如下：

而Ie為土體的剛度系數(shù)，可由CPT測量值及土體的上覆有效應(yīng)力計算得到。

做為示例，圖10顯示了某一海洋地勘項目中，上述固結(jié)試驗與CPT原位測試兩種獨立方法得到的土體OCR的一致性比較。

圖10 固結(jié)試驗及CPT原位測試得到的土體OCR的一致性評估Fig.10 Consistency evaluation of soil OCR obtained from consolidation test and CPT in-situ test

2.3 土體不排水不固結(jié)強度 Su的一致性評估

土體的不固結(jié)不排水抗剪強度Su是各種海洋地勘及工程設(shè)計的核心參數(shù)。依據(jù)SHANSEP方法[5]和臨界狀態(tài)土力學(xué)理論[7]，土體Su可根據(jù)以下公式獲得：

式中：

m、n?無量綱系數(shù)，可由一系列SHANSEP測試獲得[15,19]，當(dāng)土體受力接近單剪狀態(tài)時，m值約等于（sinφ/2）[17]，而n的典型值通常在 0.8 左右，且n的變化較?小，對最終結(jié)果影響不大；

σ′v0?給定深度處土體的有效上覆壓力（kPa）；

OCR 土體固結(jié)比。

依據(jù)以上Su公式，可在室內(nèi)試驗中進行SHANSEP試驗，獲得土樣的超固結(jié)比OCR并直接量測m值和n值，此外，也可以根據(jù)CPT的測量值，獲取土體的OCR和內(nèi)摩擦角，進而計算土體的Su。

圖11顯示某一海洋地勘項目多種方法獲得的Su分布比較。圖中可見，常規(guī)強度試驗包括（室內(nèi)十字板MV，落錐試驗FC，以及UU試驗）得到的Su離散性較大，且數(shù)值相對較低，而SHANSEP高級試驗結(jié)果及CPT解釋結(jié)果有較高的一致性。在該項目中，土體強度的設(shè)計特征參數(shù)將主要依照SHANSEP試驗及CPT試驗結(jié)果來確定，而常規(guī)強度測試與“真實值”有明顯的偏離。依據(jù)圖8所示的流程，如果圖11所示的地勘數(shù)據(jù)中再增加原位十字板，則數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)性將更具說服力。

圖11 土體Su強度的一致性綜合測試分析Fig.11 Comprehensive test and analysis of soil strength Su consistency

3 精準(zhǔn)地勘

海洋地勘是海洋工程的重要環(huán)節(jié)，區(qū)域性的工程物探、定點式的鉆孔取樣和原位測試以及地質(zhì)模型的深度整合是當(dāng)前國際海洋地勘技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，也是精準(zhǔn)地勘的重要組成部分。本文已探討了巖土勘測數(shù)據(jù)的一致性，基于已有的海洋巖土設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，建議偏離允許范圍控制在30%之內(nèi)，從更嚴(yán)謹?shù)慕嵌?，控制?0%之內(nèi)。本文多以黏性土為例闡述了一致性原則，該方法同樣適用于砂性土，但公式及參數(shù)須根據(jù)土的性質(zhì)作適當(dāng)調(diào)整。

海洋地勘的一致性還包括另外兩個方面：工程物探數(shù)據(jù)的一致性和工程物探與巖土勘測數(shù)據(jù)的一致性。在此原則上，基于海洋地勘的本質(zhì)特征，建立了立體交叉的海洋地勘測試流程，形成多種“獨立”方法之間的相互校核，通過校驗數(shù)據(jù)的一致性，辨別數(shù)據(jù)的偏差，從而對地勘整體數(shù)據(jù)去蕪存菁，保障最終數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)性，形成精準(zhǔn)地勘數(shù)據(jù)體系。

4 結(jié)論

本文重點介紹了基于多種測試的土樣擾動評估方法，特別是在臨界狀態(tài)土力學(xué)理論的框架下，把室內(nèi)土工試驗和原位測試相結(jié)合，常規(guī)土工試驗和高級土工試驗相結(jié)合，發(fā)展了以土樣強度為代表的巖土參數(shù)一致性綜合測試分析方法。

在現(xiàn)階段為了進一步提高我國海洋地勘可靠性和精準(zhǔn)性，實現(xiàn)海上精準(zhǔn)地勘，主要建議如下：

1）加強土工試驗數(shù)據(jù)一致性分析，高質(zhì)量的土工試驗是現(xiàn)階段保證地勘巖土參數(shù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，但應(yīng)意識到海上作業(yè)的復(fù)雜和樣品運輸?shù)牟淮_定，取樣擾動無可避免，因此建議每個地勘項目應(yīng)進行土樣擾動綜合評價。

2）積極推進原位測試在海洋地勘中的應(yīng)用，原位測試技術(shù)手段不僅包括本文所述的靜力觸探、還包括旁壓儀、十字板剪切等；建立原位測試與土工試驗相結(jié)合的一致性分析系統(tǒng)。

3）加大對以一致性為基礎(chǔ)的地勘數(shù)據(jù)分析投入力度；數(shù)據(jù)分析不僅能對原始數(shù)據(jù)去蕪存菁，保障數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)性，更能進一步實現(xiàn)勘察工作的降本增效，目前階段對數(shù)據(jù)分析重視不足、投入不夠。

4）推進精準(zhǔn)地勘在復(fù)雜地質(zhì)條件下海洋工程勘察設(shè)計中的應(yīng)用；以一致性為基礎(chǔ)，結(jié)合物探、土工、地質(zhì)模型的精準(zhǔn)地勘體系為海工設(shè)計提供了全面、立體的地質(zhì)條件。以海上風(fēng)電為例，精準(zhǔn)地勘在優(yōu)化風(fēng)機布置和風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計中有良好的應(yīng)用效果。