水下靜力觸探(CPT)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

宋友建，邱敏

(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022； 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心、交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 引 言

靜力觸探試驗(yàn)(CPT)是利用壓力裝置將探頭在豎直方向上按一定的速率壓入土中，利用安裝在探頭上的傳感器測(cè)量貫入過程中各種數(shù)據(jù)的一種原位測(cè)試技術(shù)。它具有測(cè)試連續(xù)、快速、再現(xiàn)性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，測(cè)量成果的計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化程度較好，真實(shí)性與可靠性較高?？梢愿鶕?jù)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)地層進(jìn)行評(píng)價(jià)，如劃分土層、辨別土類，確定地基土的承載力和變形指標(biāo)，估算單樁承載力和判別砂土液化等。CPT是目前應(yīng)用最廣泛的一種原位測(cè)試技術(shù)。

CPT測(cè)試技術(shù)最初主要用于陸地巖土工程勘察。近些年來，隨著各類跨江、河、湖、海工程的大規(guī)模投入，獲取高質(zhì)量的水下巖土體物理力學(xué)參數(shù)顯得尤為重要。由于河湖、海洋工程地質(zhì)的特殊性，尤其是在深水區(qū)域中，現(xiàn)場(chǎng)取樣并保持原狀土的應(yīng)力狀態(tài)難度大、成本高，而CPT可以最大限度地免除鉆探、取樣、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)流程對(duì)巖土體原生結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和原位應(yīng)力的釋放，所以CPT技術(shù)越來越多地應(yīng)用到水上工程項(xiàng)目地質(zhì)勘查中。目前，用于水下作業(yè)的CPT測(cè)試技術(shù)在國(guó)外已非常成熟，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河湖、海洋工程領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)也在資源開發(fā)、橋隧交通工程、管線光纜鋪設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等項(xiàng)目中開始嘗試使用CPT。國(guó)家海洋局第一海洋研究所引入了一套輕型底座式水下CPT設(shè)備，在黃河水下三角洲埕島油田海域進(jìn)行了首次應(yīng)用[1]。利用10個(gè)CPT試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在海底土層結(jié)構(gòu)劃分、地基土承載力計(jì)算和土體液化判別等方面進(jìn)行了應(yīng)用。國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在國(guó)家地質(zhì)隊(duì)伍“野戰(zhàn)軍”裝備計(jì)劃中從荷蘭APvandenBerg公司引進(jìn)了一套R(shí)oson-40kN型海床式CPT設(shè)備[2]，在2010年至2012年間，該設(shè)備搭載廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局所屬“海洋六號(hào)”天然氣水合物綜合調(diào)查船，在南海近岸海域開展了多個(gè)孔位的CPT試驗(yàn)，獲得了較為滿意的測(cè)試結(jié)果。陳培雄等[3]利用荷蘭Fugro公司研發(fā)的Seascout輕裝CPT系統(tǒng)，結(jié)合海底管道路由勘測(cè)等海洋調(diào)查項(xiàng)目，在東海海域采集了34個(gè)孔位的海底淺表層土CPT數(shù)據(jù)資料。建立了該區(qū)域內(nèi)土體CPT參數(shù)與含水量、密度、孔隙比、液性指數(shù)、壓縮指標(biāo)之間的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過CPT推算海底土體物理力學(xué)指標(biāo)的目的。梁文成等[4]利用Fugro公司的Seacalf系統(tǒng)和APvandenBerg公司的ROSON系統(tǒng)，在位于珠江口伶仃洋水域的港珠澳大橋島隧工程沿島隧軸線布置了大量的孔壓CPTU試驗(yàn)孔，并輔以部分標(biāo)貫試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)及波速試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，取得了良好的效果。

國(guó)外的水下CPT測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)趨近成熟，形成了良好市場(chǎng)應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)水下地質(zhì)勘察項(xiàng)目中使用的CPT系統(tǒng)基本上都由國(guó)外引進(jìn)，國(guó)內(nèi)對(duì)水下CPT及其設(shè)備的研究較少，且大多停留在研究和試驗(yàn)階段。因此，了解國(guó)外水下CPT設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用動(dòng)態(tài)，理解CPT技術(shù)在應(yīng)用和成果解釋中存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)CPT技術(shù)在中國(guó)水上工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大。

2 水下CPT測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展歷程

國(guó)外主要又兩個(gè)類型的水下作業(yè)的CPT測(cè)試系統(tǒng)，即海床CPT(Seabed CPT)測(cè)試系統(tǒng)和井下CPT(Downhole CPT)測(cè)試系統(tǒng)，基于作業(yè)模式的區(qū)別兩種測(cè)試系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)。

2.1 海床CPT測(cè)試系統(tǒng)

海床CPT測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用探桿將探頭從海底面貫入到土體中，海床CPT能夠免除波浪、潮汐等因素的影響，靠系統(tǒng)自重提供貫入時(shí)的支反力。在很多工程實(shí)例中，海床CPT是最有效的測(cè)試方法并且能夠獲得最高質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果。條件較好時(shí)，貫入深度可達(dá)到海床以下 40 m～50 m，在某些勘察領(lǐng)域使用比例已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的鉆探[5]。海床CPT系統(tǒng)主要分為以下幾種類型。

(1)液壓式非連續(xù)貫入CPT系統(tǒng)

1966年，荷蘭Fugro公司最先設(shè)計(jì)出Seabull系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作煩瑣，其應(yīng)用局限于河口和淺海。為了克服以上缺陷，F(xiàn)ugro公司于1972研發(fā)一個(gè)名為Seacalf的更便捷、強(qiáng)大的CPT系統(tǒng)[6，7]，如圖1所示。至1974年年中，該公司運(yùn)用Seacalf在北海北部展開了500多次試驗(yàn)[8]。幾乎在Seacalf進(jìn)行第一次試驗(yàn)的同時(shí)，挪威巖土工程研究所(NGI)聯(lián)合美國(guó)McClelland公司在北海第一重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)勘察任務(wù)中進(jìn)行了海床CPT試驗(yàn)[9]。該設(shè)備比Seacalf操作更為便捷，在Ekofisk密實(shí)砂中，最大貫入深度為 4 m。

圖1 Seacalf的原理圖和實(shí)物圖

20世紀(jì)70年代中葉，McClelland公司推出了Stingray系統(tǒng)[10]并逐漸市場(chǎng)化，該系統(tǒng)的貫入方法不同于普通的液壓式推進(jìn)方法，而是直接將推力作用于探桿上，如圖2所示。在20世紀(jì)70年代，Delft土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(現(xiàn)在的Deltares)發(fā)明了一種可作為鉆探和CPT海底平臺(tái)的鐘型潛水器[11](Diving bell)。其設(shè)計(jì)水深為 200 m，能提供 600 kN的反作用力。在東部斯格爾迪特邊界的土體勘察中，海底貫入深度超過 60 m(水深 60 m)，鐘型潛水器也在貝爾島海峽，紐芬蘭和加拿大使用過。

圖2 Stingray系統(tǒng)運(yùn)行步驟

2010年，俄勒岡大學(xué)海洋環(huán)境科學(xué)中心(MARUM)一組工程師研發(fā)了一套既能應(yīng)用于陸地也能應(yīng)用于海洋環(huán)境的CPT測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。該設(shè)備名為巖土工程海底機(jī)床(GOST)[12]，搭載 5 cm2的錐形探頭，可以進(jìn)行靜態(tài)、震動(dòng)貫入，開展消散和重塑試驗(yàn)，該系統(tǒng)除了能測(cè)量錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力以外，還能測(cè)量三軸加速度和傾斜度。在陸地和海洋中分別需要3噸和9噸的起吊裝置配套使用，在海洋中最大適用水深為 4 000 m。

圖3 GOST原理圖和實(shí)物圖

(2)連續(xù)貫入CPT系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代初，水下探勘發(fā)展迅猛，新一代海床CPT系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)貫入，提高了工作效率和質(zhì)量。荷蘭制造商APvandenBerg首次研制出利用滾輪將探桿推入海底土體的CPT系統(tǒng)ROSON[13]。滾輪由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，滾輪與探桿之間的摩擦力推動(dòng)探桿向下貫入，如圖4所示。1983年，D′Appolonia公司在北海盧森伯格領(lǐng)域首次利用ROSON系統(tǒng)展開CPT試驗(yàn)。試驗(yàn)在密實(shí)砂中貫入深度 17 m。

圖4 ROSON原理圖和實(shí)物圖

1984年，F(xiàn)ugro公司開始使用他們生產(chǎn)的滾輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Seacalf，該驅(qū)動(dòng)原理與ROSON類似。1984年，McClelland將瑞典陸地上使用的四液壓缸20噸鉆機(jī)BORROS在水下使用，在北海巨魔場(chǎng)(約 350 m水深)土體勘察中實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入深度 43 m[14]。但是，F(xiàn)ugro and McClelland自1987年合并以后，新公司FugroMcClelland將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到滾輪驅(qū)動(dòng)式Seacalf上。為了提高運(yùn)營(yíng)效率，并使用成本更低的船只，F(xiàn)ugroMcClelland公司將美國(guó)陸地上使用了多年的螺旋鉆桿運(yùn)用到Seacalf上。

1991年，Geo，Denmark公司研發(fā)了一個(gè)可以進(jìn)行自行升降的CPT系統(tǒng)SCOPE[15]。2010年，美國(guó)格雷格鉆探與試驗(yàn)中心(Gregg Drilling &Testing)研發(fā)一種深層CPT系統(tǒng)[16]，可實(shí)現(xiàn)水下 3 000 m，200 kN反力的全尺寸探頭(10 cm2和 15 cm2)貫入。深層CPT系統(tǒng)采用吸力錨將該設(shè)備的浮重度最小化。

(3)CPT聯(lián)合鉆機(jī)系統(tǒng)

1997年，F(xiàn)ugro公司提出的Searobin系統(tǒng)[17]實(shí)現(xiàn)了CPT和鉆探取樣功能。該系統(tǒng)能夠做到 2 m一個(gè)回次的貫入和 1 m的取樣，特別適合淺層土體勘察。在2001年，丹麥的Geo，Denmark公司提出了Geoceptor系統(tǒng)[18]，能夠?qū)崿F(xiàn) 10 m一個(gè)回次的貫入和 6 m的取樣，如圖5所示。Forum Energy Technologies公司生產(chǎn)的Rovdrill系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工作深水為 3 000 m，最大取樣深度為海床下 200 m。MARUM公司生產(chǎn)的MeBo系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作深水為 2 000 m，最大取樣深度為海床下 50 m，未來可實(shí)現(xiàn)CPTU技術(shù)。

圖5 Geoceptor系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖

(4)微型CPT系統(tǒng)

微型CPT系統(tǒng)可以用更小、更便宜的船只作為水上平臺(tái)，且便于運(yùn)輸。1992年，F(xiàn)ugro公司生產(chǎn)的Seascout微型CPT系統(tǒng)[19]自重小于1噸，使用螺旋桿作為貫入探桿，探頭錐尖表面積 1 cm2。1999年Neptun3000[20]研發(fā)成功，該微型CPT系統(tǒng)由英國(guó)DATEM公司生產(chǎn)并已市場(chǎng)化，推桿直徑為 19 mm，有 5 cm2和 10 cm2的錐形探頭可供選擇。2000年第一次海上使用。目前已升級(jí)到Neptun5000，其最大貫入深度為 20 m，最大貫入反力為 35 kN，如圖6所示。1999年，美國(guó)格雷格鉆探與試驗(yàn)中心(Gregg Drilling &Testing)研發(fā)出配有螺旋推桿的微型CPT系統(tǒng)，并利用 2 cm2錐形探頭和15kN反力的微型CPT鉆機(jī)在 2 000 m深的海底進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖6 DATEM公司的Neptun3000系統(tǒng)

基于遠(yuǎn)程操作車(ROV)里的小型CPT鉆機(jī)也使用了很多年。1983年，F(xiàn)ugro公司研發(fā)的小型Wison系統(tǒng)[21]具有 1 m沖程，5 cm2探頭，由于ROV是漂浮的，所以其貫入能力有限，但其機(jī)動(dòng)性允許其在接近海床結(jié)構(gòu)或調(diào)查回填管道溝時(shí)進(jìn)行測(cè)試。像Geo，Denmark和Gardline公司一樣，其他土體勘察公司也在運(yùn)營(yíng)基于ROV的CPT。挪威工程師Bjarte Langeland提出了一種螺旋推桿的替代品，即Stinger技術(shù)，將CPT推桿縱向分裂兩個(gè)部分，配合ROV平臺(tái)利用吸力錨以增大反作用力。

2.2 井下CPT測(cè)試系統(tǒng)

井下CPT測(cè)試系統(tǒng)是一種同時(shí)結(jié)合鉆探和CPT測(cè)試的系統(tǒng)，試驗(yàn)通常在重力基礎(chǔ)平臺(tái)、浮體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行以克服波浪、潮汐和海風(fēng)等因素的影響。其最大優(yōu)勢(shì)是貫入深度更大，且能夠用鉆探的方式穿透堅(jiān)硬的巖層。其難點(diǎn)是在海面進(jìn)行鉆探時(shí)如何通過有效的補(bǔ)償機(jī)制控制鉆頭的擺動(dòng)以減小對(duì)土體的擾動(dòng)。

在研發(fā)Seacalf的同時(shí)，F(xiàn)ugro公司設(shè)計(jì)了一套能將CPT和鉆探聯(lián)合起來的鋼絲繩CPT系統(tǒng)[22]，該系統(tǒng)名為WISON，原機(jī)生產(chǎn)于1970年，如圖7所示。最初，鉆機(jī)沖程為 1.5 m，后來擴(kuò)大至 3 m。通過電纜傳輸即時(shí)數(shù)據(jù)，液壓驅(qū)動(dòng)，探管封閉于鉆柱中，由鉆機(jī)自重提供反力。

圖7 Wison系統(tǒng)原理圖 圖8 Dolphin系統(tǒng)原理圖

1973年，APvandenBerg公司研發(fā)了名為WISON-APB[23]的類似于WISON的系統(tǒng)。1974年McClellan提出Stingray系統(tǒng)[10]。WISON由液壓缸提供鉆柱內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力，而Stingray系統(tǒng)中，鉆頭懸掛于海床面之上，其貫入力是通過夾持在鉆柱外部的液壓缸提供的，通過往復(fù) 0.3 m～1 m的沖程，一個(gè)貫入回次可達(dá) 4.5 m。后來，McClellan又研發(fā)了類似于WISON的Swordfish系統(tǒng)[24]，液壓缸也裝在鉆柱內(nèi)部。在鉆頭以下，其貫入深度為每回次 3 m，主要用于墨西哥海灣。

上述系統(tǒng)適用水深為600 m～700 m(水深加鉆孔深度)，為了適應(yīng)更大深度的實(shí)驗(yàn)要求，McClelland在1984年開發(fā)了Dolphin系統(tǒng)[25]。它是一個(gè)不需要液壓紐帶的遠(yuǎn)程操控工具。取樣或原位工具可以自由落入鉆柱內(nèi)，并且在測(cè)試后使用鋼絲繩打撈器取回。這些工具鎖存在鉆孔底部，并在開放式的中心鉆頭上部完成及時(shí)組裝。鉆柱的頂部是密封的，用泥漿壓力推動(dòng)原位工具貫入到鉆頭下面的土體中?？刂葡到y(tǒng)確保探頭以 2 cm/s的速率連續(xù)貫入。每回次貫入深度為 3 m，采集到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一個(gè)單元里，試驗(yàn)完成以后可以拷貝到計(jì)算機(jī)里。其最大反力為 110 kN，如圖8所示。

90年代初，F(xiàn)ugro公司研發(fā)了一個(gè)類似的系統(tǒng)，名為WISON-XP[19]。一個(gè)回次的貫入深度為 1.5 m。Dolphin和XP的缺陷是采集到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸和利用。2007年，F(xiàn)ugro公司生產(chǎn)的WISON-EP系統(tǒng)[26]可以利用泥漿脈沖實(shí)現(xiàn)及時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)初始回次貫入深度為 4.5 m，目前回次貫入深度為 3 m。

澳大利亞Benthic公司生產(chǎn)的PROD系統(tǒng)[27]是一種遠(yuǎn)程操控的海底鉆探，測(cè)試和取樣鉆機(jī)。由于是利用鉆桿將探頭推入土體中，所以貫入深度比前面描述的WISON類型的鉆機(jī)更大，探頭可以貫入到預(yù)定深度直至無法再貫入為止。在良好的土體環(huán)境中，其首次貫入深度可達(dá) 20 m～30 m，然后鉆進(jìn)至先前沖程的深度，在第二次鉆進(jìn)之前又可以貫入 15 m～20 m。在深海中，因其便捷的鉆柱操作系統(tǒng)，PROD工作效率比海上鉆探系統(tǒng)高得多。RPOD系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，圓錐上的傳感器調(diào)零可在海底某個(gè)固定的深度準(zhǔn)進(jìn)行。相比于需要在甲板上或鉆孔底部調(diào)零的WISON系統(tǒng)，RPOD系統(tǒng)減少了偶然性。

意大利SPG公司和瑞典ENVI公司聯(lián)合研發(fā)了另一種名為CPTWD的井下CPT測(cè)試系統(tǒng)，如圖15所示。鉆進(jìn)時(shí)，錐形探頭猶如巖心管一樣伸出于鉆頭底部。如果遇到硬巖，CPT單元能夠被推入鉆頭內(nèi)受保護(hù)。采集到的CPT數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)參數(shù)(鉆頭荷載、扭矩、貫入速率和流體壓力)儲(chǔ)存在一個(gè)記憶單元里，隨后這個(gè)記憶單元可以連同巖心管一并被取回。該設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)利用CPT參數(shù)和鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)巖土體進(jìn)行解釋，尤其是對(duì)于CPT不能貫入的硬巖層，鉆進(jìn)參數(shù)顯得尤為重要。目前CPTWD只在淺水區(qū)的固定水上平臺(tái)上使用過，在深水區(qū)使用前還需要投入更多的研究，但是該方法非常有前景[28]。

圖9 PROD系統(tǒng)實(shí)物圖

圖10 隨鉆CPT(CPTWD)原理圖和實(shí)物圖

3 多功能CPT探頭在水下的應(yīng)用

隨著對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)要求的提高和勘察范圍的擴(kuò)大，在CPT探頭上配備的傳感器也越來越多樣化。1981年，F(xiàn)ugro公司首次在海上使用CPTU探頭[29]，即通過安裝在錐尖或錐肩上的孔隙水壓力傳感器測(cè)量貫入過程中探頭周圍土體中孔隙水壓力的變化。對(duì)于海床CPT，自1970年開始探頭增加了測(cè)量孔斜的裝置。

側(cè)壓力CPT探頭可以利用安裝在摩擦筒上的傳感器測(cè)量土體的側(cè)壓力。該裝置曾在Beaufort海上勘查中使用過，但是獲得的數(shù)據(jù)并不可靠，所以使用次數(shù)很少[30]。旁壓CPT探頭也可以用來測(cè)量側(cè)壓力和變形模量，但是因?yàn)殄F體貫入時(shí)對(duì)土體造成了擾動(dòng)，其理論解釋難度更大，所以目前在海上應(yīng)用很少。

1981年，荷蘭提出了電阻率CPT探頭以測(cè)量土體的電阻率[31]。該裝置不僅能測(cè)量土體的電阻率，還能測(cè)量孔隙水的電阻率。利用該裝置可以對(duì)海上工程的水體污染進(jìn)行評(píng)估。

1985年，荷蘭的Deltares公司研發(fā)了一種核子密度CPT探頭[32]。放射源安裝在錐尖面積為 15 cm2的探頭上的。通過測(cè)量放射源穿過土體前后能級(jí)變化測(cè)量土體體積密度。在北海工程勘察中，該裝置在中砂或砂質(zhì)粉土等具有高壓縮性的土體中應(yīng)用效果很好。

1986年，英屬哥倫比亞大學(xué)研發(fā)了現(xiàn)代版的地震波探頭并應(yīng)用于海上勘查中[33]。該裝置既可應(yīng)用于海床CPT又可應(yīng)用于井下CPT。當(dāng)土體條件較好時(shí)，貫入深度可達(dá) 90 m～100 m。利用測(cè)量的平均剪切波速，可以計(jì)算出土體的小應(yīng)變剪切模量。

除了上述提到的探頭外，最近研究較多的是全流量貫入儀，具有代表性的是T形探頭(平面應(yīng)變流)和球形探頭(軸對(duì)稱應(yīng)變流)[34～36]。探頭在穿過軟土?xí)r，可獲得軟土的不排水抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，全流量貫入儀還包括以下優(yōu)點(diǎn)：①極軟土中精確性明顯改善；②極大的降低對(duì)上覆應(yīng)力的修正；③貫入阻力受到外界環(huán)境因素的影響較少；④破壞機(jī)理易于明確表示；⑤可以快速而精確地測(cè)定重塑后強(qiáng)度。通常，在海床CPT中相對(duì)容易接入T形或球形探頭，而在井下CPT中，由于鉆柱尺寸原因，一般不能直接使用全尺寸的球形或T形探頭，而是減小其半徑以便使用。

4 水下CPT存在的問題

在過去的40年里，盡管水下CPT測(cè)試系統(tǒng)和多功能CPT探頭取得了很大的發(fā)展，很多設(shè)備也早就實(shí)現(xiàn)了商品化，但CPT在海洋中的應(yīng)用還存在一些問題，主要表現(xiàn)如下。

水下CPT系統(tǒng)多應(yīng)用于淺水作業(yè)，鮮見在深水中(尤其是 3 000 m以下)的應(yīng)用報(bào)道。究其原因，在深水中，CPT探頭上的傳感器承受了很大的靜水壓力，例如在 2 000 m水下，孔壓傳感器將承受 20 MPa的壓力，錐尖阻力達(dá) 15 MPa。對(duì)于非常軟的土體，海底 10 m以下錐尖阻力會(huì)達(dá)到 350 kPa，期望的測(cè)量精度為 ±35 kPa，即土體實(shí)際錐尖阻力相對(duì)于初始值太小了。這些年來，人們?cè)噲D研發(fā)一種能夠測(cè)量壓差和孔隙水壓力的CPT探頭以提高測(cè)試精度，但是從來沒有成功過。法國(guó)的IFREMER公司研發(fā)了一個(gè)能測(cè)量壓差和孔隙水壓力的CPT探頭，美國(guó)格雷格鉆井和測(cè)試研究院也設(shè)計(jì)相同功能的靜水壓力補(bǔ)償探頭并申請(qǐng)了專利。荷蘭制造商APvandenBerg也研發(fā)了一個(gè)類似的補(bǔ)償探頭，但都停留在試驗(yàn)階段。

大量水下CPT測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于不同尺寸的CPT探頭，只要孔壓探頭經(jīng)過正確地飽和，修正后的錐尖阻力和孔隙水壓力并不會(huì)有很大的出入，但是側(cè)壁摩阻力差異很大。有學(xué)者認(rèn)為，造成這一差異的主要原因是探頭端面積不同，使得孔隙水在摩擦筒底部和頂部作用機(jī)理不同。但是，使用具有相同端面積的摩擦筒，軟黏土中有效，在砂土中，側(cè)壁摩阻力仍然出現(xiàn)巨大的差異。為此，一方面，需要規(guī)范CPT探頭的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以獲取更為一致的側(cè)壁摩阻力讀數(shù)，另一方面，要從科學(xué)的角度去探尋和理解形成摩阻力巨大差異的原因，并減小側(cè)壁摩阻力讀數(shù)的差異。

在水下地質(zhì)勘察行業(yè)里，一直存在著試驗(yàn)解釋方法落后于設(shè)備發(fā)展這一問題。對(duì)于水下CPT，其解釋方法與陸地上CPT類似，有承載力理論、孔穴擴(kuò)張理論、應(yīng)變路徑法等理論基礎(chǔ)，一方面這些理論基礎(chǔ)研究深度不夠，另一方面其應(yīng)用范圍受到了土體類別、邊界條件和排水條件的制約，導(dǎo)致這些解釋方法在工程實(shí)踐中運(yùn)用的并不多，取而代之的是大量的經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式。這就加大了試驗(yàn)的工作量和難度，無法保證試驗(yàn)參數(shù)的可靠度。對(duì)于上述多功能CPT探頭，尤其是旁壓CPT探頭和全流量貫入儀，其貫入機(jī)理更加復(fù)雜。這就要求學(xué)者們對(duì)上述理論作更加深入的探索，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的排水條件、探頭尺寸效應(yīng)利用數(shù)值方法進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，以推動(dòng)水下CPT的應(yīng)用。

5 結(jié)論與建議

本文總結(jié)了水下CPT測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用情況，指出了水下CPT測(cè)試技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的問題及面臨的挑戰(zhàn)。為此，對(duì)水下CPT測(cè)試系統(tǒng)未來的發(fā)展和應(yīng)用提出以下建議。

(1)加大水下CPT測(cè)試系統(tǒng)的投入和研究，使其能夠滿足深水勘查作業(yè)的要求。

(2)對(duì)于重要的工程，增加地震波CPT探頭的使用。

(3)在粉質(zhì)砂土或砂土中使用核子密度CPT探頭。

(4)在深水勘查作業(yè)中應(yīng)用靜水壓力補(bǔ)償探頭，減小讀數(shù)誤差。

(5)規(guī)范CPT探頭的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以獲取更為一致的側(cè)壁摩阻力讀數(shù)。

(6)深入CPT理論基礎(chǔ)的研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的排水條件、探頭尺寸效應(yīng)利用數(shù)值方法進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。