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歐美大地 海洋工程
海洋工程
水下靜力觸探(CPT)測試技術應用
發布時間:2023-04-20 瀏覽次數:25928 來源:歐美大地
#1 靜力觸探試驗
靜力觸探試驗(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量貫入過程中各種數據的一種原位測試技術。它具有測試連續、快速、再現性好、操作簡單等優點。除此之外,測量成果的計算機化和自動化程度較好,真實性與可靠性較高??梢愿鶕杉臄祿Φ貙舆M行評價,如劃分土層、辨別土類,確定地基土的承載力和變形指標,估算單樁承載力和判別砂土液化等。CPT是目前應用最廣泛的一種原位測試技術。
CPT測試技術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、海工程的大規模投入,獲取高質量的水下巖土體物理力學參數顯得尤為重要。由于河湖、海洋工程地質的特殊性,尤其是在深水區域中,現場取樣并保持原狀土的應力狀態難度大、成本高,而CPT可以最大限度地免除鉆探、取樣、運輸等作業流程對巖土體原生結構的擾動和原位應力的釋放,所以CPT技術越來越多地應用到水上工程項目地質勘查中。目前,用于水下作業的CPT測試技術在國外已非常成熟,并已經廣泛應用于河湖、海洋工程領域。國內也在資源開發、橋隧交通工程、管線光纜鋪設和地質災害評估等項目中開始嘗試使用CPT。

#2 我國CPT應用
國家海洋局第一海洋研究所引入了一套輕型底座式水下CPT設備,在黃河水下三角洲埕島油田海域進行了首次應用[1]。利用10個CPT試驗點測試數據,在海底土層結構劃分、地基土承載力計算和土體液化判別等方面進行了應用。國土資源部廣州海洋地質調查局在國家地質隊伍“野戰軍”裝備計劃中引進了一套海床式CPT設備[2],在2010年至2012年間,該設備搭載廣州海洋地質調查局所屬“海洋六號”天然氣水合物綜合調查船,在南海近岸海域開展了多個孔位的CPT試驗,獲得了較為滿意的測試結果。陳培雄等[3]利用輕裝CPT系統,結合海底管道路由勘測等海洋調查項目,在東海海域采集了34個孔位的海底淺表層土CPT數據資料。建立了該區域內土體CPT參數與含水量、密度、孔隙比、液性指數、壓縮指標之間的冪函數相關關系,實現了通過CPT推算海底土體物理力學指標的目的。梁文成等[4]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試驗孔,并輔以部分標貫試驗、十字板剪切試驗、室內試驗及波速試驗驗證對比,取得了良好的效果。
國外的水下CPT測試系統技術趨近成熟,形成了良好市場應用。而國內水下地質勘察項目中使用的CPT系統基本上都由國外引進,國內對水下CPT及其設備的研究較少,且大多停留在研究和試驗階段。因此,了解國外水下CPT設備發展和應用動態,理解CPT技術在應用和成果解釋中存在的問題和面臨的挑戰,對CPT技術在中國水上工程建設領域的應用意義重大。

#3 水下CPT測試系統
國外主要有兩個類型的水下作業的CPT測試系統,即海床CPT(Seabed CPT) 測試系統和井下CPT(Downhole CPT) 測試系統,基于作業模式的區別兩種測試系統具有不同的特點。
海床式CPT測試系統
海床CPT測試系統的特點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,靠系統自重提供貫入時的支反力。在很多工程實例中,海床CPT是最有效的測試方法并且能夠獲得最高質量的測試結果。條件較好時,貫入深度可達到海床以下40m~50m,在某些勘察領域使用比例已經超過了傳統的鉆探。海床CPT系統主要分為以下幾種類型。
  • 液壓式非連續貫入CPT系統
  • 連續貫入CPT系統
  • CPT聯合鉆機系統
  • 微型CPT系統

Manta-200海床式靜力觸探設備


井下式CPT測試系統
井下CPT測試系統是一種同時結合鉆探和CPT測試的系統,試驗通常在重力基礎平臺、浮體結構上進行以克服波浪、潮汐和海風等因素的影響。其最大優勢是貫入深度更大,且能夠用鉆探的方式穿透堅硬的巖層。其難點是在海面進行鉆探時如何通過有效的補償機制控制鉆頭的擺動以減小對土體的擾動。
Orca_125井下式靜力觸探和土壤取樣設備

Orca DW深水型井下式靜力觸探和土壤取樣設備


多功能CPT探頭在水下的應用
隨著對測量數據要求的提高和勘察范圍的擴大,在CPT探頭上配備的傳感器也越來越多樣化。
CPTU探頭:通過安裝在錐尖或錐肩上的孔隙水壓力傳感器測量貫入過程中探頭周圍土體中孔隙水壓力的變化。
側壓力CPT探頭:利用安裝在摩擦筒上的傳感器測量土體的側壓力。因數據并不可靠,所以使用次數很少。
旁壓CPT探頭:也可以用來測量側壓力和變形模量,但是因為錐體貫入時對土體造成了擾動,其理論解釋難度更大,所以目前在海上應用很少。
電阻率CPT探頭:不僅能測量土體的電阻率,還能測量孔隙水的電阻率。利用該裝置可以對海上工程的水體污染進行評估。
核子密度CPT探頭:放射源安裝在錐尖面積為15cm2的探頭上的。通過測量放射源穿過土體前后能級變化測量土體體積密度。在北海工程勘察中,該裝置在中砂或砂質粉土等具有高壓縮性的土體中應用效果很好。
地震波探頭:既可應用于海床CPT又可應用于井下CPT。當土體條件較好時,貫入深度可達90m~100m。利用測量的平均剪切波速,可以計算出土體的小應變剪切模量。
除了上述提到的探頭外,最近研究較多的是全流貫入儀,具有代表性的是T形探頭(平面應變流) 和球形探頭(軸對稱應變流)。
T形全流觸探探頭 

球形全流觸探探頭

探頭在穿過軟土時,可獲得軟土的不排水抗剪強度。同時,全流量貫入儀還包括以下優點:
  1. 極軟土中精確性明顯改善;
  2. 極大的降低對上覆應力的修正;
  3. 貫入阻力受到外界環境因素的影響較少;
  4. 破壞機理易于明確表示;
  5. 可以快速而精確地測定重塑后強度。
通常,在海床CPT中相對容易接入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。

Geomil靜力觸探系統


盡管水下靜力觸探仍然存在深水應用較少,側壁摩阻力差異較大、試驗解釋方法落后于設備發展等問題,但水下CPT仍是成熟的獲取高質量的水下巖土體物理力學參數的重要方法。


本文來源:宋友建,邱敏. 水下靜力觸探(CPT) 測試技術的發展及應用[J]. 城市勘測,2022(4) : 199-204.

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