靜力觸探（CPT）在自升式鉆井船插樁分析中的應(yīng)用

王艷秋

【摘 要】 CPT測(cè)試作為巖土工程勘察中一項(xiàng)重要的原位測(cè)試技術(shù)，因其能在現(xiàn)場(chǎng)直接、連續(xù)、快捷地對(duì)巖土層的工程特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并且避免了取樣和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣所造成的擾動(dòng)等影響，故在國(guó)外及國(guó)內(nèi)陸地巖土工程勘察領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。以南海某井場(chǎng)海底淺層土質(zhì)工程地質(zhì)特性的資料為基礎(chǔ)，借鑒國(guó)內(nèi)外CPT解釋技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海洋石油941號(hào)鉆井船在南海某井場(chǎng)插樁深度進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】 靜力觸探 自升式鉆井船 承載力分析 插樁深度

【Abstract】 Cone penetration test is a very important in-situ testing technique ， it has been broadly used in geotechnical survey because of its fieldly，continunously and fastly testing the parameters of engineering properties and avoiding the samples being disturbed. The penetration depth of jack-up rig Haiyangshiyou-941 is analysized based on the experience of the interpretation of CPT at a certain site of South China Sea.

【Keywords】 Cone penetration test Jack up rig Bearing capacity analysis Penetration depth

隨著海洋資源的開發(fā)和利用，靜力觸探技術(shù)在國(guó)內(nèi)外海洋地質(zhì)工程中的使用越來越普遍。靜力觸探實(shí)驗(yàn)不僅具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)及節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)，而且該技術(shù)對(duì)土體擾動(dòng)小，可以更好地反映土體的原始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。近幾年來已經(jīng)在南海、東海等海域進(jìn)行了許多CPT測(cè)試，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解釋，可獲得被測(cè)試土層相關(guān)的物理及力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為基礎(chǔ)工程分析計(jì)算提供依據(jù)，在平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船的插樁深度分析方面取得了很好的效果。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外用于海上作業(yè)的靜力觸探測(cè)試技術(shù)已比較成熟，應(yīng)用越來越廣泛。國(guó)外公司不僅對(duì)海底土的靜力觸探技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)研究，能提供整套的靜力觸探技術(shù)和靜力觸探施工設(shè)備，同時(shí)也能提供從事海上靜力觸探勘察工作服務(wù)?？傮w上說歐美國(guó)家在該技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，如：荷蘭由于其自身的地理位置關(guān)系，在保護(hù)海岸、治理低洼國(guó)土以及防洪大壩構(gòu)筑方面有大量投入，推動(dòng)了其靜力觸探技術(shù)的蓬勃發(fā)展。美國(guó)自20世紀(jì)70年代以來在應(yīng)用海上靜力觸探實(shí)驗(yàn)方面發(fā)展也比較快，如：制造了應(yīng)用于海洋勘探的圓錐靜力觸探儀，并在水深超過1200m的圣地亞哥海溝中的海底松軟沉積物中成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[1]。

我國(guó)海上靜力觸探技術(shù)的研究應(yīng)用起步比較晚，目前尚屬于起步階段，技術(shù)與國(guó)外差距比較大。2007年6月我國(guó)中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部工程勘察中心從國(guó)外引進(jìn)了中國(guó)大陸第一套井下深海靜力觸探系統(tǒng)，并進(jìn)行了第一次完全由國(guó)內(nèi)技術(shù)人員參與的深海靜力觸探實(shí)驗(yàn)。靜力觸探技術(shù)在我國(guó)海上主要應(yīng)用于油氣田開發(fā)、鉆井船插樁、海底管道及海底電纜（光纜）路由調(diào)查等海洋勘察工程，其使用的探頭和儀器主要由國(guó)外研制。海洋工程地質(zhì)勘察中平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船插樁深度分析主要是基于土的參數(shù)而進(jìn)行的?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)海洋工程地質(zhì)勘察主要采取常規(guī)鉆孔取樣和CPT測(cè)試相結(jié)合的方式來確定土的參數(shù)，進(jìn)而使用美國(guó)API RP 2A規(guī)范中推薦的樁基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)的計(jì)算方法來進(jìn)行平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船的插樁深度分析。

2 CPT實(shí)測(cè)原始參數(shù)

CPT原始數(shù)據(jù)是由Wison-APB downhole CPT系統(tǒng)所帶測(cè)試數(shù)據(jù)采集軟件（GoOnsite）所采集的，所測(cè)得的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力是地基土物理力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的綜合反映，圖2.1為CPT探頭貫入粘性土中所產(chǎn)生的三個(gè)指標(biāo)隨深度變化的曲線示意圖。圖2.2給出了本井場(chǎng)CPT測(cè)試的三條曲線： 錐端阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力隨土深度變化曲線。從而得到土體各深度的錐端阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力。通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的解釋和結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查得到的土質(zhì)資料給出了自升式鉆井船插樁所需的參數(shù)。

3 CPT資料解釋

國(guó)內(nèi)CPT測(cè)試結(jié)果主要用于劃分土層、估算粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度和粒狀土的相對(duì)密實(shí)度。土層中所測(cè)得的錐尖阻力和通過試驗(yàn)室土質(zhì)試驗(yàn)?zāi)艿玫秸承缘牟慌潘辜魪?qiáng)度。摩阻比和超孔隙水壓力數(shù)據(jù)一般支持對(duì)粘性土和砂性土的分類，同時(shí)還能直觀地判定出砂土與粘土迭層和互層土。

3.1 粘性土抗剪強(qiáng)度估計(jì)

4.5 鉆井船承載力分析

海洋石油941號(hào)鉆井船插樁深度分析時(shí)，對(duì)于1.8m到7.3m的土層，進(jìn)行承載力分析時(shí)，按照排水條件和不排水條件來考慮。按照此種土體破壞模型得出如下結(jié)果：上限：1.8m到7.3m的土層按照排水條件考慮，海洋石油941號(hào)鉆井船在112.2MN（11436t）的單樁最大預(yù)壓載下樁腳尖部的入泥深度為4.7m；下限：1.8m到7.3m的土層按照不排水條件考慮，海洋石油941號(hào)鉆井船在112.2MN（11436t）的單樁最大預(yù)壓載下樁腳尖部的入泥深度為9.5m。實(shí)際的插樁結(jié)果為：三個(gè)樁腿的入泥深度分別為9.0m、5.1m和9.5m，與計(jì)算的結(jié)果較吻合（如圖4.2）。

5 結(jié)語

在鉆井船插樁入泥深度分析中，最主要的兩個(gè)步驟為土質(zhì)參數(shù)的確定以及承載力分析方法的選擇，對(duì)于粘性土和粒狀土組成的迭層土或互層土，土的破壞模型還與鉆井船樁靴的壓載速率有關(guān)，鉆井船采取多級(jí)低增量緩慢壓載時(shí)，迭層土破壞模式表現(xiàn)為排水性質(zhì)；鉆井船采取多增量快速壓載時(shí)，迭層土破壞模式表現(xiàn)為不排水性質(zhì)。文中通過CPT測(cè)試得出的粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度、靈敏度、超固結(jié)比和砂土的相對(duì)密實(shí)度以及土的包含物的確定給出了該井場(chǎng)土質(zhì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用Skemptom公式，通過TehKL方法較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了海洋石油941號(hào)鉆井船的插樁入泥深度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳培雄，劉奎，等.靜力觸探技術(shù)在東海陸架工程勘察中的應(yīng)用研究.海洋學(xué)研究，2011（4）.

[2]American Petroleum Institute， "Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design"， API RP 2A - WSD， 21st Ed.，December 2000.

[3]TehKL， LeungCF， ChowYK， etal. Analysis of spudcan installation through loose sand into clay [C]//1st Jack-up Asia Conference and Exhibition， Singapore， 2006：2-9.

[4]TehKL. Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay [D]. Singapore： National University of Singapore， 2007.

[5]SCHMERTMANN， J. H.， Guidelines for cone penetration tests： Performance and Design， U.S. Department of Transportation， Federal Highway Administration Office of Research and Development， Washington， D.C.， Report TS-78-209，1978.

[6]BALDI，G.，BELLOTTI R.，GHIONNA，V.， JAMIOLKOWSKI，M.and PASQUALINI E.，Interpretation of CPT's and CPTU's， 2nd Part： Drained Penetration in Sands，F(xiàn)ourth Intl.Geotechnical Seminar Field Instrumentation and In Situ Measurements，Nanyang Technological Institute，Singapore， November，1986，pp. 143-156.

[7]Powell，J.J.M.and Quarterman，R.S.T.，Guidelines for geotechnical design using CPT and CPTU，University of british Columbia，Vancouver，Deparment of Civil Engineering，Soil Mechanics Series 120，1988.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳培雄，劉奎，等.靜力觸探技術(shù)在東海陸架工程勘察中的應(yīng)用研究.海洋學(xué)研究，2011（4）.

[2]American Petroleum Institute， "Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design"， API RP 2A - WSD， 21st Ed.，December 2000.

[3]TehKL， LeungCF， ChowYK， etal. Analysis of spudcan installation through loose sand into clay [C]//1st Jack-up Asia Conference and Exhibition， Singapore， 2006：2-9.

[4]TehKL. Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay [D]. Singapore： National University of Singapore， 2007.

[5]SCHMERTMANN， J. H.， Guidelines for cone penetration tests： Performance and Design， U.S. Department of Transportation， Federal Highway Administration Office of Research and Development， Washington， D.C.， Report TS-78-209，1978.

[6]BALDI，G.，BELLOTTI R.，GHIONNA，V.， JAMIOLKOWSKI，M.and PASQUALINI E.，Interpretation of CPT's and CPTU's， 2nd Part： Drained Penetration in Sands，F(xiàn)ourth Intl.Geotechnical Seminar Field Instrumentation and In Situ Measurements，Nanyang Technological Institute，Singapore， November，1986，pp. 143-156.

[7]Powell，J.J.M.and Quarterman，R.S.T.，Guidelines for geotechnical design using CPT and CPTU，University of british Columbia，Vancouver，Deparment of Civil Engineering，Soil Mechanics Series 120，1988.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳培雄，劉奎，等.靜力觸探技術(shù)在東海陸架工程勘察中的應(yīng)用研究.海洋學(xué)研究，2011（4）.

[2]American Petroleum Institute， "Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design"， API RP 2A - WSD， 21st Ed.，December 2000.

[3]TehKL， LeungCF， ChowYK， etal. Analysis of spudcan installation through loose sand into clay [C]//1st Jack-up Asia Conference and Exhibition， Singapore， 2006：2-9.

[4]TehKL. Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay [D]. Singapore： National University of Singapore， 2007.

[5]SCHMERTMANN， J. H.， Guidelines for cone penetration tests： Performance and Design， U.S. Department of Transportation， Federal Highway Administration Office of Research and Development， Washington， D.C.， Report TS-78-209，1978.

[6]BALDI，G.，BELLOTTI R.，GHIONNA，V.， JAMIOLKOWSKI，M.and PASQUALINI E.，Interpretation of CPT's and CPTU's， 2nd Part： Drained Penetration in Sands，F(xiàn)ourth Intl.Geotechnical Seminar Field Instrumentation and In Situ Measurements，Nanyang Technological Institute，Singapore， November，1986，pp. 143-156.

[7]Powell，J.J.M.and Quarterman，R.S.T.，Guidelines for geotechnical design using CPT and CPTU，University of british Columbia，Vancouver，Deparment of Civil Engineering，Soil Mechanics Series 120，1988.