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水下静力触探(CPT)测试技术应用
发布时间:2023-04-20 浏览次数:21798 来源:欧美大地
#1 静力触探试验
静力触探试验(CPT) 是利用压力装置将探头在竖直方向上按一定的速率压入土中,利用安装在探头上的传感器测量贯入过程中各种数据的一种原位测试技术。它具有测试连续、快速、再现性好、操作简单等优点。除此之外,测量成果的计算机化和自动化程度较好,真实性与可靠性较高。可以根据所采集的数据对地层进行评价,如划分土层、辨别土类,确定地基土的承载力和变形指标,估算单桩承载力和判别砂土液化等。CPT是目前应用最广泛的一种原位测试技术。
CPT测试技术最初主要用于陆地岩土工程勘察。近些年来,随着各类跨江、河、湖、海工程的大规模投入,获取高质量的水下岩土体物理力学参数显得尤为重要。由于河湖、海洋工程地质的特殊性,尤其是在深水区域中,现场取样并保持原状土的应力状态难度大、成本高,而CPT可以最大限度地免除钻探、取样、运输等作业流程对岩土体原生结构的扰动和原位应力的释放,所以CPT技术越来越多地应用到水上工程项目地质勘查中。目前,用于水下作业的CPT测试技术在国外已非常成熟,并已经广泛应用于河湖、海洋工程领域。国内也在资源开发、桥隧交通工程、管线光缆铺设和地质灾害评估等项目中开始尝试使用CPT。

#2 我国CPT应用
国家海洋局第一海洋研究所引入了一套轻型底座式水下CPT设备,在黄河水下三角洲埕岛油田海域进行了首次应用[1]。利用10个CPT试验点测试数据,在海底土层结构划分、地基土承载力计算和土体液化判别等方面进行了应用。国土资源部广州海洋地质调查局在国家地质队伍“野战军”装备计划中引进了一套海床式CPT设备[2],在2010年至2012年间,该设备搭载广州海洋地质调查局所属“海洋六号”天然气水合物综合调查船,在南海近岸海域开展了多个孔位的CPT试验,获得了较为满意的测试结果。陈培雄等[3]利用轻装CPT系统,结合海底管道路由勘测等海洋调查项目,在东海海域采集了34个孔位的海底浅表层土CPT数据资料。建立了该区域内土体CPT参数与含水量、密度、孔隙比、液性指数、压缩指标之间的幂函数相关关系,实现了通过CPT推算海底土体物理力学指标的目的。梁文成等[4]在位于珠江口伶仃洋水域的港珠澳大桥岛隧工程沿岛隧轴线布置了大量的孔压CPTU试验孔,并辅以部分标贯试验、十字板剪切试验、室内试验及波速试验验证对比,取得了良好的效果。
国外的水下CPT测试系统技术趋近成熟,形成了良好市场应用。而国内水下地质勘察项目中使用的CPT系统基本上都由国外引进,国内对水下CPT及其设备的研究较少,且大多停留在研究和试验阶段。因此,了解国外水下CPT设备发展和应用动态,理解CPT技术在应用和成果解释中存在的问题和面临的挑战,对CPT技术在中国水上工程建设领域的应用意义重大。

#3 水下CPT测试系统
国外主要有两个类型的水下作业的CPT测试系统,即海床CPT(Seabed CPT) 测试系统和井下CPT(Downhole CPT) 测试系统,基于作业模式的区别两种测试系统具有不同的特点。
海床式CPT测试系统
海床CPT测试系统的特点是利用探杆将探头从海底面贯入到土体中,海床CPT能够免除波浪、潮汐等因素的影响,靠系统自重提供贯入时的支反力。在很多工程实例中,海床CPT是最有效的测试方法并且能够获得最高质量的测试结果。条件较好时,贯入深度可达到海床以下40m~50m,在某些勘察领域使用比例已经超过了传统的钻探。海床CPT系统主要分为以下几种类型。
  • 液压式非连续贯入CPT系统
  • 连续贯入CPT系统
  • CPT联合钻机系统
  • 微型CPT系统

Manta-200海床式静力触探设备


井下式CPT测试系统
井下CPT测试系统是一种同时结合钻探和CPT测试的系统,试验通常在重力基础平台、浮体结构上进行以克服波浪、潮汐和海风等因素的影响。其最大优势是贯入深度更大,且能够用钻探的方式穿透坚硬的岩层。其难点是在海面进行钻探时如何通过有效的补偿机制控制钻头的摆动以减小对土体的扰动。
Orca_125井下式静力触探和土壤取样设备

Orca DW深水型井下式静力触探和土壤取样设备


多功能CPT探头在水下的应用
随着对测量数据要求的提高和勘察范围的扩大,在CPT探头上配备的传感器也越来越多样化。
CPTU探头:通过安装在锥尖或锥肩上的孔隙水压力传感器测量贯入过程中探头周围土体中孔隙水压力的变化。
侧压力CPT探头:利用安装在摩擦筒上的传感器测量土体的侧压力。因数据并不可靠,所以使用次数很少。
旁压CPT探头:也可以用来测量侧压力和变形模量,但是因为锥体贯入时对土体造成了扰动,其理论解释难度更大,所以目前在海上应用很少。
电阻率CPT探头:不仅能测量土体的电阻率,还能测量孔隙水的电阻率。利用该装置可以对海上工程的水体污染进行评估。
核子密度CPT探头:放射源安装在锥尖面积为15cm2的探头上的。通过测量放射源穿过土体前后能级变化测量土体体积密度。在北海工程勘察中,该装置在中砂或砂质粉土等具有高压缩性的土体中应用效果很好。
地震波探头:既可应用于海床CPT又可应用于井下CPT。当土体条件较好时,贯入深度可达90m~100m。利用测量的平均剪切波速,可以计算出土体的小应变剪切模量。
除了上述提到的探头外,最近研究较多的是全流贯入仪,具有代表性的是T形探头(平面应变流) 和球形探头(轴对称应变流)。
T形全流触探探头 

球形全流触探探头

探头在穿过软土时,可获得软土的不排水抗剪强度。同时,全流量贯入仪还包括以下优点:
  1. 极软土中精确性明显改善;
  2. 极大的降低对上覆应力的修正;
  3. 贯入阻力受到外界环境因素的影响较少;
  4. 破坏机理易于明确表示;
  5. 可以快速而精确地测定重塑后强度。
通常,在海床CPT中相对容易接入T形或球形探头,而在井下CPT中,由于钻柱尺寸原因,一般不能直接使用全尺寸的球形或T形探头,而是减小其半径以便使用。

Geomil静力触探系统


尽管水下静力触探仍然存在深水应用较少,侧壁摩阻力差异较大、试验解释方法落后于设备发展等问题,但水下CPT仍是成熟的获取高质量的水下岩土体物理力学参数的重要方法。


本文来源:宋友建,邱敏. 水下静力触探(CPT) 测试技术的发展及应用[J]. 城市勘测,2022(4) : 199-204.

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