海上風電勘察中確定土體抗剪強度的實用方法

李忠信，孫梟雄，劉東華，賈鈜崴，孫偉

（1.南方海上風電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東珠海 519080；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；3.輝固勘探（深圳）有限公司，廣東深圳 518042）

隨著海上風電發(fā)展加速，作為海上風電開發(fā)建設的關鍵工作之一，海上巖土勘察也愈顯重要。海洋巖土勘察與陸地土建工程勘察有很大不同。海洋巖土勘察成本較陸地更高，需要動用專業(yè)的勘察船舶，成本極高。在海上取得的每一個不擾動樣品其花費不菲。鑒于目前國內專業(yè)勘察船數(shù)量限制，大部分取得的土樣擾動程度較高，砂土也極難取得原狀樣品。因此CPT等原位測試手段在海洋巖土勘察中得到了廣泛的應用。陸地傳統(tǒng)的標貫測試由于應用經(jīng)驗豐富，設備簡單，也在目前的海洋巖土勘察中有著廣泛的應用。

由于取得原狀土樣的成本極高，如何根據(jù)目前常用的CPT和標貫方法取得可靠的勘察參數(shù)有十分重要的應用價值。

1 項目背景介紹

擬建某風電工程位于廣東海域珠江下游入?？趦汝懠軆?，場址規(guī)劃用海面積10.43 km，水深值介于4.3～13.2 m。巖土勘察工作包括在每個機位進行鉆孔取樣、標貫測試。除此外，還選擇35號機位和43號機位兩處，每個機位進行兩個CPT測試，共完成4個CPT測試。

2 CPT快速劃分地層

在實際項目實施過程中，不同生產(chǎn)商制造的CPT設備會記錄不同的數(shù)據(jù)格式，通常需要相匹配的軟件才能做進一步數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋，比如完成土的分類等工作。本文不再深究該如何使用CPT數(shù)據(jù)進行細致的巖土分層和分類，目前分類方法已經(jīng)相當成熟，可詳見ROBERSON 1990、ROBERSON 2009、ROBERSON 2010。本文著重介紹根據(jù)CPT最基本的數(shù)據(jù)錐尖阻力，側壁摩擦力，孔隙水壓力和摩阻比來進行快速地土層劃分。

根據(jù)上述四類基本數(shù)據(jù)進行快速土層劃分，可以根據(jù)以下幾個原則進行：

1）突然變化的位置為土的分層位置。

2）發(fā)生較大變化的位置為土的分層位置。

3）＜1可判斷為砂性土，＞2可判斷為粘性土，位于兩者之間的時候，可能為粉土或者粉砂或沙土粘土混合，具體情況需根據(jù)大小判定。

4）砂土的較高，在本項目中為10 MPa或者更高。

5）發(fā)生劇烈變化的時候，可能是土層發(fā)生變化或某一層土中的成分、密實程度發(fā)生了突然變化。

需注意的是，根據(jù)以上幾個原則劃分的土層，并不代表該層土的設計參數(shù)需相同。比如同一層粘土中，可能出現(xiàn)強度分別為20 kPa和50 kPa，但是在上述四個指標參數(shù)中，無法得到明顯區(qū)分。

3 粘性土不排水抗剪強度

3.1 CPT數(shù)據(jù)計算粘土不排水抗剪強度

已經(jīng)有許多學者提出采用CPT計算粘土不排水抗剪強度的方法。

CPT采用下式計算粘土的不排水抗剪強度。

式中：

——修正CPT錐尖阻力（kPa），通?？芍苯訌腃PT設備中導出此數(shù)據(jù)；

——上覆壓力（kPa）；

——經(jīng)驗系數(shù)。

如果CPT設備操作系統(tǒng)無法自動導出數(shù)據(jù)，可以用下式來計算：

式中：

——CPT錐尖阻力（kPa）；

——探頭水壓力（kPa）；

——探頭面積比，是探頭出廠設計參數(shù)，對于某一型號探頭為固定值，通常處在0.6～0.8。

的取值并不固定，在不同的場地，場地中不同的地層中取值也會不同。因此的最終取值需配合其他的測試手段來確定，包括高質量的強度試驗、現(xiàn)場十字板剪切試驗等方法。不同的粘土通常會表現(xiàn)出不同的值。LOW et al.（2010）通過研究3個陸地和11個海上場地的CPT粘土，通過與三軸試驗結果對比后，提出取值在8.6～15.3，平均值為11.9。如果與三軸試驗、單剪試驗和三軸拉伸實驗得到的強度平均值對比后，取值在10.6～17.4，這個范圍相對更接近單剪試驗的結果。如果與現(xiàn)場的十字板剪切試驗結果做對比，取值在10.8～19.9，平均值為13.3。MAYNE et al.2015在研究了17種不同強度的粘土后，得到的平均值為13.6。

KARLSRUD et al.（2005）測試了靈敏的挪威粘土，三軸試驗結果對比顯示取值范圍相對更低，取值在7.5～11.5。WANG et al（2015）測試了魁北克地區(qū)的十字板強度，結果對比顯示取值為10.5。

對于超固結的結構性粘土，POWELL&QUARTERMAN（1988）提出取值在20至30之間的時候，才能與室內的三軸試驗和現(xiàn)場平板結果取得較好的對照。

MAYNE&PEUCHEN（2018）對比407個粘土樣品的三軸試驗強度與CPT數(shù)據(jù)后，提出了一種通過CPT指標計算的方式。他們通過研究最終的取值和CPT孔壓系數(shù)的關系可以近似表示為：

基于上式可以得到35號機位和43號機位的取值如圖1、圖2所示。

圖1 GSK35號機位的N kt的取值Fig.1 The value of N kt for GSK35 position

圖2 GSK43號機位的N kt的取值Fig.2 The value of N kt for GSK43 position

從圖1、圖2可以看到，CPT 35-1的取值大多落在15～20，20 m以下的部分粘土層混砂較多，取值波動范圍較大，23～25 m范圍內為10左右，27～29 m范圍內取值為20～25，但代表性相對較差。CPT 35-2表層2 m范圍內取值變化較大。2～5 m范圍內取值為15～25，5～17 m范圍內大段粘土的取值為10～15，23～25 m范圍內為15～20，27～29 m范圍內取值為15～25，但代表性相對較差。CPT 43-1粘土層取值基本落在12～16，除35～38 m范圍內取值為15～20。CPT 43-2粘土層取值基本在15～20，局部深度降至25左右但很快升高至15～20的范圍。

根據(jù)以上方法計算得到可以得到35機位和43機位的粘土不排水強度剖面如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看到，對于35號機位，UU和CU試驗結果相對CPT結果對照較好，UU結果偏向CPT的較低取值，CU結果偏向CPT的較高取值，整體對照情況較好。對于43號機位，CPT結果相比UU試驗和CU試驗結果更高，局部深度CPT結果高過CU實驗結果。

圖3 GSK35號機位的粘土不排水強度剖面Fig.3 Undrained strength profile of clay at the GSK35 position

圖4 GSK43號機位的粘土不排水強度剖面Fig.4 Undrained strength profile of clay at the GSK43 position

3.2 CPT計算粘土不排水抗剪強度的特點

通過以上對比我們可以看出：

1）本項目粘土的不排水強度應該是隨深度增長，目前勘察結果中對一段較厚的粘土層只提出一個統(tǒng)一的強度指標是相對粗糙的。

2）的取值需通過與高質量的室內試驗對比來確定。

3）本項目粘土的取值范圍在15～20是相對合理的，這也與前期研究成果相吻合。

4 砂土的內摩擦角

CPT確定砂土內摩擦角的手段相對單一，應用成果相比CPT在粘土中的應用也較少。目前常見的根據(jù)CPT計算砂土有效摩擦角的常用公式是MAYNE（2014）提出的：

這里是大氣壓，可取100 kPa。該式最初是根據(jù)CPT標定箱數(shù)據(jù)得到的，使用的是標準石英砂。MAYNE（2006，2009）用17個場地取得不擾動（冰凍）砂樣進行三軸試驗，測得了砂土樣的摩擦角。試驗結果顯示上式也能夠得到非常好的擬合效果。

目前的海上勘察中，標準貫入試驗也應用非常普遍，但是目前標貫在海上勘察中的應用適用性有非常大的爭議，由于CPT在國內發(fā)展時間較短，設備數(shù)量較少，無法保證每個機位都有CPT，標貫依舊是現(xiàn)場測試最主要的手段。

標貫在海上巖土工程勘察中應用的特點包括：

1）標貫的應用非常普遍，也有非常豐富的地區(qū)經(jīng)驗把標貫結果和設計指標建立經(jīng)驗關系，但這些經(jīng)驗主要集中于陸地。由于標貫探桿自由段過長，因此陸地上已經(jīng)成熟的經(jīng)驗能否移植到海洋巖土的勘察工作中，是一個需要更多研究和工程實踐的問題。

2）標貫設備本身成本低，市場供應大，而CPT本身設備成本相對標貫更高，特別是專門的孔下CPT（downhole CPT）成本更高，同時相對來講，CPT的數(shù)據(jù)處理和解釋需要更專業(yè)的巖土技術人員來進行。

對于標貫試驗數(shù)據(jù)，這里建議采用SCHMERTMANN方法推算砂土的內摩擦角，如圖5所示。

圖5 標貫捶擊數(shù)與砂土摩擦角的經(jīng)驗關系Fig.5 Empiricalmethod for estimatingφ’of a sand from standard penetration test‘N’values

根據(jù)上式，我們得到了35機位和43機位的摩擦角剖面圖。

從圖6、圖7可以看到，基于標貫結果使用SCHMERTMANN方法與CPT經(jīng)驗公式計算得到的結果基本吻合，SCHMERTMANN方法的結果基本是CPT結果的上包絡線。同時，在對比中，還可以發(fā)現(xiàn)：

圖6 GSK35機位的摩擦角剖面圖Fig.6 Friction angle profile of GSK35 position

圖7 GSK43機位的摩擦角剖面圖Fig.7 Friction angle profile of GSK43 position

1）無論CPT還是標貫計算砂土的有效內摩擦角時，都需考慮有效上覆壓力的影響。

2）標貫能夠反映砂層的密實度變化的趨勢，但標貫數(shù)據(jù)不連續(xù)，不夠豐富。

3）SCHMERTMANN方法在標貫超過60錘或有效上覆壓力超過300 kPa后對砂土摩擦角的準確程度無法保證，原因是當埋深超過一定深度，桿長自由段過長的時候，對于標貫錘擊能量的修正無法準確估計，這也是標貫在海洋巖土勘察應用中備受爭議的因素。

5 結 論

通過以上列舉的方法所得到的結果，可以總結出下列結論：

1）目前國內海上風電勘察手段有限而且勘察裝備供應緊張。在此大背景下，本文提供了一種在海上勘察較難取得不擾動樣品且經(jīng)常僅有CPT和標貫數(shù)據(jù)可用的情況下，推算土的抗剪強度的可靠方法。

2）高質量的土工試驗是保證海上勘察巖土參數(shù)準確的基礎，但由于目前客觀條件的限制，取樣擾動較大的因素仍然無可避免，因此根據(jù)現(xiàn)場CPT測試和標貫測試的結果推算巖土參數(shù)有很大的應用價值。

3）CPT方法在確定粘土的不排水抗剪強度的時候有較大的優(yōu)勢，CPT測試精度高，屬于原位測試，沒有土樣擾動的問題，方便繪制粘土不排水抗剪強度隨深度變化的剖面。

4）粘土強度通常隨深度增長，粘土層提出單一強度參數(shù)相對粗糙。

5）勘察現(xiàn)場極難取得砂土原狀樣，因此采用CPT和標貫經(jīng)驗方法，綜合判斷，確定合適的砂土有效內摩擦角是一種非常實用且有應用價值的方法。