談海上風(fēng)電項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)的修正方法

張 長(zhǎng) 飛

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003)

1 概述

近年來(lái)，海上風(fēng)電成為風(fēng)電開發(fā)的熱點(diǎn)，海上風(fēng)電開發(fā)具有風(fēng)力資源豐富、不占用陸地、發(fā)電利用時(shí)間長(zhǎng)、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點(diǎn)。海上風(fēng)電潛力巨大，在國(guó)家政策引導(dǎo)下，海上風(fēng)力發(fā)電得到了長(zhǎng)足發(fā)展。海上風(fēng)電勘察作為項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，顯得尤為重要。

海上風(fēng)電勘察是通過勘探、測(cè)試、分析等手段為風(fēng)電建設(shè)提供必要可靠的海底巖土及環(huán)境特征，查明海上結(jié)構(gòu)物影響范圍內(nèi)的巖土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)，為風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、海上施工、安裝提供科學(xué)依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作為一種原位測(cè)試手段，應(yīng)用極為廣泛，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)可確定：黏性土的狀態(tài)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；砂土的密實(shí)度和內(nèi)摩擦角；各類土的容許承載力；全風(fēng)化巖與強(qiáng)風(fēng)化巖的判別；判別砂土的液化；預(yù)制樁的可打性分析等。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在海上風(fēng)電勘察項(xiàng)目中也有很多應(yīng)用，海上施工區(qū)域風(fēng)浪較大，水深一般在幾米到幾十米，這種環(huán)境導(dǎo)致海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相較于陸上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，可靠性降低。本文將依托于工程實(shí)例，對(duì)試驗(yàn)N值的影響因素及修正方法進(jìn)行分析，以期對(duì)提升海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的可靠性有所幫助。

2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值影響因素及修正

2.1 風(fēng)浪影響

海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境較為復(fù)雜，受風(fēng)浪影響較大，風(fēng)浪作用會(huì)使得施工船體不穩(wěn)，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中出現(xiàn)落錘距離變化以及試驗(yàn)探桿傾斜，落錘與探桿之間產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性[1]。根據(jù)多年的海上工作經(jīng)驗(yàn)，采用1 000 t以上的勘探船，在風(fēng)力在5級(jí)以下，浪高1.5 m以下環(huán)境作業(yè)時(shí)，勘探平臺(tái)受到的風(fēng)浪擾動(dòng)相對(duì)較小，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)受風(fēng)浪的影響相對(duì)較小；根據(jù)最新的海上勘察技術(shù)手段顯示，采用自升式勘探平臺(tái)也是降低風(fēng)浪影響的有效辦法，這種工況下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可有效降低風(fēng)浪對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，較大的提高標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的可靠性。

2.2 探桿長(zhǎng)度的影響

海上施工區(qū)域水深的影響導(dǎo)致試驗(yàn)桿長(zhǎng)增大，且風(fēng)電勘探孔較深，一般為幾十米，特殊情況時(shí)桿長(zhǎng)近百米，探桿長(zhǎng)度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果的影響不可忽視。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)桿長(zhǎng)修正，長(zhǎng)期以來(lái)存在兩種理論，即牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動(dòng)理論[2,3]。兩種理論均采用N′=αL·N(其中，N′為經(jīng)桿長(zhǎng)修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)；αL為桿長(zhǎng)修正系數(shù))作為桿長(zhǎng)修正公式，只是不同的修正方法對(duì)應(yīng)的桿長(zhǎng)修正系數(shù)不同。

GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009版)[4]規(guī)定應(yīng)用N值是否修正和如何修正，應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系的具體情況確定。

福建省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 13—84—2006巖土工程勘察規(guī)范[5]規(guī)定，考慮到過去的許多工程特性指標(biāo)是與經(jīng)桿長(zhǎng)修正的N值建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；當(dāng)桿長(zhǎng)大于21 m時(shí)的校正系數(shù)計(jì)算公式是來(lái)自于《水工建筑勘察》，它是以GBJ 7—89地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]中的α值為依據(jù)，用多項(xiàng)式擬合曲線，分別得到桿長(zhǎng)小于21 m和大于21 m的校正系數(shù)。DBJ 13—84—2006提出N′=α×N(α為觸探桿長(zhǎng)度校正系數(shù)，可按表1確定)。

表1 觸探桿長(zhǎng)度修正系數(shù)

通過對(duì)比不同的桿長(zhǎng)修正方法，并結(jié)合以往的工作實(shí)踐情況，本文建議桿長(zhǎng)修正系數(shù)采用αL=1-0.005L，其中,L為探桿長(zhǎng)度，這種修正方法見于日本《橋梁下部構(gòu)造設(shè)計(jì)施工基準(zhǔn)》中“樁基設(shè)計(jì)篇”(以下簡(jiǎn)稱樁基公式)，該方法打破了牛頓彈性碰撞理論適用的界限(20 m)，適用于海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的桿長(zhǎng)修正。

2.3 土的自重壓力的影響

Gibbs和Holtz(1957)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，得出砂土自重壓力(上覆壓力)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果有很大影響。目前國(guó)際上采用較多的為L(zhǎng)iao和Whitman(1986)提出的上覆土壓力修正公式：N′=CN·N，其中,CN=2.2/(1.2+σv/Pa);σv為有效上覆土壓力;Pa為大氣壓強(qiáng)(100 kPa)。

2.4 地下水位的影響

Terzaghi & Peck(1953)提出對(duì)于有效粒徑在0.1 mm～0.05 mm內(nèi)的飽和粉、細(xì)砂，當(dāng)其密度大于某一臨界值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，其準(zhǔn)入阻力將會(huì)偏大，相應(yīng)于此臨界密度的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為15。因此，在砂類土中當(dāng)N值大于15時(shí)，按照N′=15+1/2(N-15)進(jìn)行修正。這種修正的意義在于區(qū)別砂土不同的濕度狀態(tài)，對(duì)于海洋地質(zhì)勘察，砂土層都處于飽和狀態(tài)，海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作這種修正的意義不大，故在工程實(shí)踐中無(wú)需進(jìn)行該類地下水位修正計(jì)算。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

對(duì)于海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)而言，獲得合理可靠的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。而桿長(zhǎng)修正對(duì)試驗(yàn)值的修正尤為重要，本文僅對(duì)桿長(zhǎng)修正方法進(jìn)行論證。桿長(zhǎng)修正系數(shù)采用日本樁基公式中建議的方法：αL=1-0.005L。

研究中發(fā)現(xiàn)黏性土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系，且與黏性土的稠度指標(biāo)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)修正方法，黏性土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果主要受到桿長(zhǎng)的影響。該層土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，桿長(zhǎng)達(dá)到80 m以上，按照2.2節(jié)的修正方法對(duì)⑦層黏土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行修正(見表2)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正擊數(shù)N′與對(duì)應(yīng)土層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu存在較為穩(wěn)定的線型比例關(guān)系(見圖1)，證明采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別地基土性質(zhì)是合理的。

表2 N，N′與qu的關(guān)系

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表3)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)實(shí)測(cè)值介于35.00擊～50.00擊，平均值為42.29擊，根據(jù)DB 42/242—2014建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[7]中關(guān)于黏性土稠度狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)判定(見表4)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為堅(jiān)硬；根據(jù)Terzaghi和Peck提出的N與qu的關(guān)系(見表5)[8]，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)值超過400 kPa。這與試驗(yàn)數(shù)據(jù)287 kPa(平均值)相差甚大，與實(shí)際情況不符。

而采用2.2節(jié)的修正方法得到的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)實(shí)測(cè)值介于23.90擊～28.30擊，平均值為23.90擊，根據(jù)DB 42/242—2014建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范中關(guān)于黏性土稠度狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)判定(見表3)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為硬塑；根據(jù)Terzaghi和Peck提出的N與qu的關(guān)系(見表4)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)值為200 kPa～400 kPa。這與試驗(yàn)數(shù)據(jù)287 kPa(平均值)是一致的。

表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

表4 黏性土狀態(tài)按N分類

表5 N與稠度狀態(tài)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系表

通過以上對(duì)比分析，證明采用2.2節(jié)的桿長(zhǎng)修正方法是比較合理的，能有效的修正標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果的可靠性主要受風(fēng)浪、探桿長(zhǎng)度、土的自重壓力、地下水等因素的影響，本文通過搜集對(duì)比前人的試驗(yàn)資料，提出較為合理的海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正的方法，依托福建某海上風(fēng)電工程，以室內(nèi)試驗(yàn)和標(biāo)貫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析，佐證修正方法的合理性。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是一種經(jīng)驗(yàn)性的原位測(cè)試方法，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的修正方法是基于理論方法獲得的，但是能否與實(shí)際完美契合，要通過大量的實(shí)踐去證明，本文僅通過作者的實(shí)踐過程佐證了文章中所提出的修正方法的合理性，具有一定局限性，在今后的工作中，需要更多的工程數(shù)據(jù)對(duì)修正方法進(jìn)行不斷論證，以期獲得更加可靠的修正方法。