基于CPTU技術(shù)海上某井位的地質(zhì)分層

摘要：孔壓靜力觸探（CPTU）是20世紀(jì)80年代在國際上興起的新型原位測試技術(shù)，在陸地和海上都得到廣泛應(yīng)用。文章首先簡要介紹了CPTU技術(shù)的理論基礎(chǔ)及測試方法，根據(jù)測試數(shù)據(jù)能夠反映真實地層信息特點(diǎn)，不同的土質(zhì)類型對應(yīng)曲線具有一定的規(guī)律，利用CPTU技術(shù)對海上某井位進(jìn)行地質(zhì)分層，然后對相鄰地質(zhì)鉆孔對比，證明CPTU應(yīng)用于分層的可靠性與實用性，對在海上工程地質(zhì)勘察的廣泛應(yīng)用和CPTU技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：CPTU技術(shù)；孔壓靜力觸探；海上井位；地層信息；地質(zhì)分層

中圖分類號：TE355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0030-02

孔隙水壓力靜力觸探（英文簡稱CPTU）是一種具有速度、數(shù)據(jù)連續(xù)、再現(xiàn)性好、操作省力等優(yōu)點(diǎn)的新型原位測試技術(shù)。孔隙水壓力靜力觸探技術(shù)是把測孔隙水壓力的傳感元件與標(biāo)準(zhǔn)的靜力觸探組合在一起，在測定錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs的同時，量測土的孔隙水壓力u；當(dāng)停止貫入時，還可量測超孔隙水壓力△u的消散，直至超孔隙水壓力全部消散完，達(dá)到穩(wěn)定的靜止孔隙水壓力u0。目前，孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）在地質(zhì)勘察中已得到廣泛應(yīng)用。

隨著海上資源勘探開發(fā)日益發(fā)展，海上需要越來越多的基礎(chǔ)建設(shè)。海上鉆井船的插樁和鉆進(jìn)平臺建設(shè)及管道的鋪設(shè)都必須依靠淺層的地質(zhì)條件才可以進(jìn)行作業(yè)。傳統(tǒng)的海上地質(zhì)勘察的方法是鉆孔取樣，通過現(xiàn)場和土工實驗室試驗，為海上工程提供設(shè)計參數(shù)。傳統(tǒng)的取樣和實驗室分析方法不僅對土樣的擾動大，使得實驗室測試結(jié)果常出現(xiàn)較大誤差，同時成本費(fèi)用比較高，操作比較麻煩，耗費(fèi)勘察周期長，地質(zhì)參數(shù)的精確性很難做到?？紫端畨毫o力觸探在海上地質(zhì)勘察中可以彌補(bǔ)鉆孔取樣的不足，不需要取樣，而且周期短。目前國家的發(fā)展戰(zhàn)略是向深海進(jìn)軍，水深的增加會加大取樣難度，甚至取不到土樣。本文就針對海上某井位隙水壓力靜力觸探（CPTU）資料作了劃分土層的分析和總結(jié)，為以后海上CPTU技術(shù)應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）的理論基礎(chǔ)

把探頭借助機(jī)械力量壓入土中時，終端記錄錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs，以及土的孔隙水壓力u隨深度的變化曲線，具有具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)和連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。由于不同的土質(zhì)，反映到qc-h，fs-h，u-h曲線上，會呈現(xiàn)出成層的分布規(guī)律，利用這個規(guī)律可以對海底地質(zhì)進(jìn)行分層。文獻(xiàn)[4]對目前基于CPTU的土質(zhì)分類經(jīng)驗圖表進(jìn)行了很好的總結(jié)。在正常貫入速率下（2cm/s）測得的u-h曲線上，能夠反映出2cm薄層的變化。因此，利用孔隙水壓力隨深度變化曲線判別土層能夠提高判別的準(zhǔn)確性和精度。

2 海上某井位孔隙水壓力靜力觸探試驗

通常在鉆井船插樁區(qū)域或預(yù)建立平臺位置既有鉆孔取樣和孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）試驗，目的是為了進(jìn)行分層對比，縮短周期，節(jié)約成本，提供精確的設(shè)計參數(shù)。在這里，我們主要對海上某井位的孔隙水壓力靜力觸探資料進(jìn)行分層，然后再與鉆孔資料對比，指出孔隙水壓力靜力觸探技術(shù)的優(yōu)越性、可靠性、精確性。

2.1 孔隙水壓力靜力觸探試驗程序

本次在海上某井位一個孔進(jìn)行了試驗。試驗是在中海油田服務(wù)股份有限公司建造的工程勘察船上進(jìn)行的，設(shè)備是荷蘭進(jìn)口的，以20mm/s的速率進(jìn)行貫入試驗，貫入采用液壓貫入裝置，同時記錄錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力、孔隙水壓力，記錄頻率為2Hz；采用每3m為一個回次，達(dá)到預(yù)定深度后，終止作業(yè)。

2.2 海上某井位試驗資料分析

根據(jù)孔壓靜力觸探特征曲線劃分土層的原則是：錐尖阻力小、摩阻比較大、曲線平緩、無突變的曲線段所代表的土層為淤泥、淤泥質(zhì)土；錐尖阻力較小、摩阻比較大、曲線變化小的曲線段所代表的土層多為粘土；錐尖阻力大、摩阻比較小、曲線呈急劇變化的鋸齒狀的曲線段所代表的土層則為砂土。同時，依據(jù)鐵道部《靜力觸探技術(shù)規(guī)則》進(jìn)行土的分類（見圖1）：不同的土層有不同的Rf，砂類土的Rf，通常小于或等于1%；而黏性土通常大于2%；qc值的變化范圍很大，主要與土類及成因等因素有關(guān)，但在土的時代成因相同時，砂類土的qc遠(yuǎn)比黏性土的大。

摩阻比Rf是錐尖阻力qc與側(cè)壁摩擦力fs的比值的百分比。低靈敏的粘土和粘質(zhì)粉土的摩阻比值，一般大于4%；粉土的摩阻比值在1%左右；然而，在軟的靈敏到流粘土，摩阻比可能會相當(dāng)?shù)?，許多情況接近于0；粉質(zhì)粘土介于兩者之間。由于摩阻比隨深度變化的曲線能直觀地反映出不同土層的特性，因此可以依據(jù)摩阻比的曲線特征來劃分土層。

圖1 錐尖阻力與摩阻比關(guān)系圖

圖2 孔壓靜力觸探（CPTU）試驗曲線

圖2為該井位孔壓靜力觸探四條特征曲線，即qc-h、Rf-h、u-h和Rf-h曲線，這里的qc和Rf是根據(jù)孔隙水壓力的影響而修正后的錐尖阻力和摩阻比。采用的修正公式如下：

qc=qc'+u（1-a） （1）

Rf=fs/qc （2）

式中：qc為修正后的錐尖阻力（kPa）；qc'為量測的錐尖阻力（kPa）；u為錐尖位置量測的孔隙水壓力（kPa）；a為有效面積比，本文取0.75；fs為靜力觸探測得的側(cè)壁摩擦力（kPa）。

實際地質(zhì)鉆孔分層見表1：

表1 鉆孔取樣地質(zhì)分層

層號 層頂 層底 基本土性描述

1 79.7 93.0 非常硬的褐灰色粉質(zhì)粘土含粉土包和微細(xì)層，87m以下含砂包、微細(xì)層和細(xì)層，87.15～87.2m為砂質(zhì)粉土混含貝殼碎屑

2 93.0 106.3 非常密實的淺灰色細(xì)砂，93～93.4m含粘土包和砂巖塊，99m以下含少量中到粗砂粒

3 106.3 112.3 非常硬的褐灰色粉質(zhì)粘土含粉土包、微細(xì)層和細(xì)層，108.5～108.6m為一褐灰色粉土薄層

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細(xì)到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質(zhì)細(xì)砂

綜合分析，根據(jù)鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術(shù)的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準(zhǔn)確的分層。

3 結(jié)論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術(shù)具有較高的分辨率，能夠更快速、準(zhǔn)確地確定地層信息，并可得出更為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)勘察結(jié)果，縮短勘察周期，其研究結(jié)果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設(shè)進(jìn)一步設(shè)計提供可靠的地質(zhì)資料。

第二，與室內(nèi)試驗相比，利用CPTU測試成果具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。由于探頭連續(xù)貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質(zhì)性，尤其適用于多層地基和土性較復(fù)雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術(shù)支持，解決取樣困難的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸鳳慈，曲延大，廖明輝.海上靜力觸探（CPT）測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].海洋技術(shù)，2004，23（4）.

[2] 陳培雄，潘國富，陳小玲.海底淺表層不同土類靜力觸探參數(shù)與物理力學(xué)性質(zhì)對比研究[J].海洋通報，2009，28（6）.

[3] 劉松玉，吳燕開.論我國靜力觸探技術(shù)（CPT）現(xiàn)狀與發(fā)展[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（4）.

[4] LUNNE T，ROBERTSON P K，POWELL J J M.Cone penetration testing in geotechnical practice[M].UK：Blackie Academic& Professiona1.1997.

[5] 魯少宏，姜珂.用孔隙水壓力靜力觸探劃分地基土的土層及土類[J].公路，2000，（6）.

[6] 萬廣臣.靜力觸探技術(shù)成果在工程中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2011，（1）.

[7] 靜力觸探技術(shù)規(guī)則（TBI0018-2003）[S].

[8] 張繼紅.雙橋靜力觸探法判別上海薄夾層黏土地基液化研究[J].巖土力學(xué)，2005，（10）.

[9] 于明明，賈志獻(xiàn)，滕偉福.孔壓靜力觸探在海底勘察中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2012，19（6）.

[10] Robertson，P.K.Soil classification using the cone penetrationtest[J].CanadianGeotec·hnical Journal，1990，（27）.

作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務(wù)股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質(zhì)調(diào)查。

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細(xì)到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質(zhì)細(xì)砂

綜合分析，根據(jù)鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術(shù)的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準(zhǔn)確的分層。

3 結(jié)論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術(shù)具有較高的分辨率，能夠更快速、準(zhǔn)確地確定地層信息，并可得出更為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)勘察結(jié)果，縮短勘察周期，其研究結(jié)果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設(shè)進(jìn)一步設(shè)計提供可靠的地質(zhì)資料。

第二，與室內(nèi)試驗相比，利用CPTU測試成果具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。由于探頭連續(xù)貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質(zhì)性，尤其適用于多層地基和土性較復(fù)雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術(shù)支持，解決取樣困難的問題。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務(wù)股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質(zhì)調(diào)查。

4 112.3 124.0 非常密實的褐灰色細(xì)到中砂，112.3～112.55m為非常密實的褐灰色粉

質(zhì)細(xì)砂

綜合分析，根據(jù)鉆孔取樣和CPTU資料可以看出，兩者分層比較吻合，從而判斷出CPTU技術(shù)的可靠性與實用性，能夠精確地反映地層信息，準(zhǔn)確的分層。

3 結(jié)論

第一，在劃分土層方面，CPTU技術(shù)具有較高的分辨率，能夠更快速、準(zhǔn)確地確定地層信息，并可得出更為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)勘察結(jié)果，縮短勘察周期，其研究結(jié)果可為海上鉆井船插樁和鉆井平臺建設(shè)進(jìn)一步設(shè)計提供可靠的地質(zhì)資料。

第二，與室內(nèi)試驗相比，利用CPTU測試成果具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。由于探頭連續(xù)貫入和分析，能夠真實反映地海底土層在深度方向上的不均質(zhì)性，尤其適用于多層地基和土性較復(fù)雜的條件。

第三，為以后走向深水勘察提供了技術(shù)支持，解決取樣困難的問題。

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作者簡介：陳磊（1986-），男，中海油田服務(wù)股份有限公司工程師，研究方向：海洋工程地質(zhì)調(diào)查。