海底管線區(qū)淺表層土孔壓靜力觸探參數(shù)特征及應用

陳小玲, 陳培雄, 陳錫土, 呂小飛

（國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室, 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 工程海洋學重點實驗室, 浙江 杭州 310012）

利用東海陸架海底輸油管道路由調查獲得的孔壓靜力觸探數(shù)據和鉆探資料等, 采用統(tǒng)計分析的方法, 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, 結果表明:研究區(qū)5 m以淺黏性土的錐尖阻力（qc）, 側摩阻力（fs）值較小, 且隨深度呈線性增加, 粉質土的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法在判別粉質土時受到一定限制, Eslami-Fellenius法判別較為準確, 應用簡單。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; 土分類

靜力觸探作為一種速度快、擾動小、精度高、數(shù)據連續(xù)的原位測試技術, 自1932年研制成功以來,在工程勘察中得到了廣泛應用[1-2]。在我國, 靜力觸探在陸域巖土工程應用較廣, 建立了許多地區(qū)性經驗公式[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用。作為一種用于第四紀土的經驗性定量或半定量測試手段, 靜力觸探的應用一般不是靠理論分析其力學機理求解析解, 而是靠具體的經驗積累建立起來的經驗關系。我國以前所得出的經驗公式大多是建立在“單橋”或“雙橋”靜力觸探測試成果基礎上, 且多適用于陸相沉積物, 對于具有不同沉積相、物質成分和結構特征的海洋土, 這些經驗公式存在是否適用、需要作哪些方面的改進等一系列問題。另外, 國外已建立的一些應用于海洋工程的經驗公式, 由于多為地區(qū)性經驗, 并不一定適用于我國東海海域。據此, 本文收集東海陸架管線區(qū)52個孔壓靜力觸探、150個振動取樣和28個鉆孔資料, 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, 總結出觸探參數(shù)在該地區(qū)的區(qū)域性經驗值, 為孔壓靜力觸探技術（CPTU）在我國海底管線工程領域的應用研究作鋪墊。

1 研究區(qū)工程地質條件

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)境相適應的內細外粗的規(guī)律,即近岸區(qū)為細粒土, 陸架中部為粗粒土。根據ASTM規(guī)范土的分類定名, 研究區(qū)管道所經海域的海底淺層（0～5 m）土可分為黏土、粉砂質黏土、砂質黏土、黏土質粉砂、黏土質細砂、粉砂、砂-粉砂-黏土、砂質粉砂、粉砂質細砂、細砂等10種類型, 按工程地質評價要求, 可歸并為黏性土、粉質土、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、粉砂質黏土、砂質黏土。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層。

粉質土: 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)。包括黏土質粉砂、砂-粉砂-黏土、砂質粉砂、粉砂。該類土呈松散至中密實狀態(tài), 粒級混雜, 分選差, 黏土質量分數(shù)12%～25%, 砂質量分數(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砂、粉砂質細砂。該類土呈中等密實到密實狀態(tài), 局部含黏土微細層。黏粒質量分數(shù)不足 15%,細砂質量分數(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、振動取樣、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

土體性質是影響錐尖阻力、側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土、黏性土的粒徑大, 砂類土飽和時, 粒間沒有聯(lián)結, 呈松散狀態(tài), 無可塑性及脹縮性, 壓縮性極弱, 且強度較高; 而粉質土具有一定的壓縮性、強度較低; 黏性土具有較高的壓縮性, 強度低。當探頭貫入時, 土體受橫向“擠壓”, 砂類土壓縮性低, 錐尖受到阻力較大; 粉質土和黏性土由于具有一定的壓縮性, 錐尖所受阻力減小。同時顆粒粒徑較大時, 探頭側壁所受到的阻力較大。當土體中黏粒含量較高時, 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為實際測試得到的研究區(qū)黏性土、粉質土、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用下列公式計算:

式中:Rf: 摩阻比, %;fs: 側摩阻力, kPa;qc: 實測錐尖阻力, kPa;Bq: 超孔隙壓力系數(shù);u2: 錐頭后實測孔隙水壓力, 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]在均質海相黏性土中的研究結果一致;u2值多小于 150 kPa, 總體上隨深度呈線性增加, 當黏性土中夾有粉砂或細砂微層時,u2值急劇降低;Rf,Bq值變化范圍較大, 隨深度變化不明顯。（2）粉質土:qc,fs值增大,qc最大可達8.0 MPa,fs最大可達150 kPa, 由于粉質土中常含黏土、細砂等夾層,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)負值, 變化范圍增大, 多在?300～250kPa之間變動。（3）砂類土（細砂）: 與黏性土及粉質土相比,qc值急劇增大, 最大可達10.0 MPa,fs值變化不大,Bq值明顯減小, 多在0值附近變動,u2值隨深度的增加變化極小, 幾乎為常值, 估計與錐頭貫入過程中孔隙水壓力消散過快有關。

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]基于各種假設提出了不同的土分類圖。本文利用 CPTU數(shù)據對 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行了探討。

圖2 實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]

由于土層上覆應力對CPT錐尖阻力、側摩阻力有較大影響, 相同性質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行了改進, 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)據在Robertson分類圖中的分布情況, 可以看出, 淺表層黏土及粉砂質黏土基本落于區(qū)域 3中, 細砂多落于區(qū)域5, 6, 7中, 表明黏性土和砂類土在Roberston分類法中能得到準確的反映, 但粉質土分布較為分散,分布區(qū)域遍及3, 4, 5, 6, 7等多個區(qū)域, 出現(xiàn)這種情況與粉質土的結構特征有關, 研究區(qū)粉質土中夾有粉砂、細砂、黏土等微層或夾層, 導致靜力觸探參數(shù),尤其是孔隙水壓力值變化較大, 使得粉質土在Robertson分類圖中不能得到準確的區(qū)分。另外, 在使用Roberston法劃分土類時需要詳細的用于計算上覆壓力的容重值, 如果缺乏相應的室內試驗, 用該法劃分土類仍是一個困難。

圖 4為研究區(qū)不同類土孔壓靜力觸探數(shù)據在Eslami-Fellenius分類圖中的分布, 可以看出, 黏土、粉質土、細砂多落于相應的區(qū)域, 表明該法能較好地區(qū)分研究區(qū)淺表層土類。而且在應用該法時, 僅需要有效錐尖阻力和側摩阻力就可進行土類劃分, 無需其他測試參數(shù), 是一種簡單而且能較準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, 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 結論

（1）研究區(qū)5 m以淺黏性土、粉質土、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)據進行土類判別時,應綜合參考多個分類圖并結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法在判別粉質土時較離散, 且需要詳細的土容重數(shù)據, 應用受到一定限制, 而 Eslami-Fellenius法僅利用錐尖阻力和側摩阻力, 判別較為準確, 應用簡單。

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[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.土體原位測試機理、方法及其工程應用[M].北京: 地質出版社, 1997: 6-102.

[4] 常士驃, 張?zhí)K民, 項勃, 等. 工程地質手冊[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, 戴濟群. 孔壓靜力觸探試驗的應用[J].巖土工程學報, 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

浙江省自然科學基金項目（Y5100027）; 國家海洋第二海洋研究所專項資金資助項目（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