孔壓靜力觸探在確定砂土內(nèi)摩擦角中的應(yīng)用

王虎剛,賈 巍

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300459)

在國內(nèi)海洋勘察工程中,內(nèi)摩擦角是砂土的重要力學(xué)指標,是工程設(shè)計計算中最重要的參數(shù)之一。內(nèi)摩擦角取值過高或者過低都會對工程設(shè)計、施工造成巨大的危害或者經(jīng)濟損失[1]。

目前,海洋工程勘察過程中砂土內(nèi)摩擦角的取值主要來源于室內(nèi)土工試驗,如三軸壓縮試驗、直接剪切試驗、顆粒粒徑、級配和密實度等。由于受海上作業(yè)環(huán)境的限制,砂土鉆探取樣過程易造成樣品擾動而導(dǎo)致難以獲得原狀樣品[2],使得通過室內(nèi)試驗確定砂土內(nèi)摩擦角難度加大,特別對于薄砂層內(nèi)摩擦角的確定,顯得尤為困難?？讐红o力觸探是20世紀70年代在國際上興起的新型原位測試技術(shù),近年來,隨著孔壓靜力觸探(Piezocone Penetration Test,PCPT)在海洋工程勘察中廣泛開展,利用孔壓靜力觸探測試的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)確定砂土內(nèi)摩擦角具有無需取樣、速度快、擾動小和再現(xiàn)性好等優(yōu)點[3-4],在樁基礎(chǔ)、管線路由和水下基礎(chǔ)等海洋工程勘察中具有重要的意義[5]。

早在20世紀70年代就有多位國外學(xué)者提出了利用PCPT測試資料確定砂土內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗方法,如Dur gunogl u和Mitchell提出的圖表法[6]、Mayne提出的適用于非膠結(jié)石英砂的內(nèi)摩擦角評估經(jīng)驗公式[7]和Senneset等根據(jù)孔穴擴張理論提出的計算砂土內(nèi)摩擦角經(jīng)驗公式[8]等。然而,在我國利用PCPT測試資料確定砂土內(nèi)摩擦角尚無可靠的經(jīng)驗公式,主要依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》中的查表法[9]。這些經(jīng)驗公式和查表法雖然在實際工程中都具有一定的應(yīng)用性,但大都只應(yīng)用于陸地或港口工程勘察,實際應(yīng)用于海洋工程地質(zhì)勘察中的卻寥寥無幾。

伴隨著我國廣東沿海風(fēng)電場項目的蓬勃發(fā)展,為探明風(fēng)機位海底地層特性,采用孔壓靜力觸探和液壓薄壁鉆孔取樣對重點區(qū)域進行了工程地質(zhì)場地勘察?；?種利用PCPT資料確定砂土內(nèi)摩擦角的方法即Mayne提出的內(nèi)摩擦角評估經(jīng)驗公式、砂土最大最小經(jīng)驗公式和Senneset等提出的計算砂土內(nèi)摩擦角經(jīng)驗公式,結(jié)合廣東沿海某風(fēng)電場3個鉆孔實例,將3種方法的結(jié)果進行比對,以期在對該海域砂土的特性深入認識后,充分說明用PCPT資料確定砂土內(nèi)摩擦角具有一定的可靠性與適用性。

1 理論方法

由于PCPT探頭貫入是個復(fù)雜的過程,所有的理論方法都針對土的性質(zhì)、破壞機理和邊界條件做了假定,這些理論解不僅需要根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)進行驗證,而且在模擬不同應(yīng)力歷史、非均質(zhì)特征和靈敏度等條件下,真實土體的性能具有局限性。正因如此,實際應(yīng)用中較多采用經(jīng)驗公式[10]。目前,在國內(nèi)外海洋工程勘察中,根據(jù)孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)確定砂土內(nèi)摩擦角應(yīng)用比較廣泛的經(jīng)驗方法有3種。

方法1:Mayne提出適用于磨圓度好的非膠結(jié)石英砂內(nèi)摩擦角(φ)評估經(jīng)驗公式[7]:

式中,qt為校正后錐端阻力(k Pa),σ′vo為有效上覆壓力(k Pa)。該式在計算混有細粒質(zhì)土砂土?xí)r應(yīng)根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗進行折減。

方法2:根據(jù)砂土相對密實度和上覆壓力計算砂土內(nèi)摩擦角的最小值(φmin)和最大值(φmax),其經(jīng)驗公式[11]為

式中,Dr為砂土相對密實度(%)。

方法3:考慮探頭貫入過程中周圍土的彈塑性變形及初始應(yīng)力狀態(tài)對探頭貫入過程的影響,根據(jù)孔穴擴張理論和臨界土力學(xué)理論,Senneset等提出計算砂土內(nèi)摩擦角的公式[8]:

式中:Nq,Nu為無量綱承載力系數(shù),均由砂土內(nèi)摩擦角φ確定；σvo為總上覆壓力(k Pa)；Δu為超孔隙水壓力(k Pa)；α′為經(jīng)驗系數(shù),根據(jù)土質(zhì)類型和區(qū)域經(jīng)驗確定,典型值可參考表1。

表1 α′典型值Table 1 Typicalα′values

2 應(yīng)用實例

某風(fēng)電場位于廣東省南側(cè)內(nèi)陸架海域(圖1),北靠亞洲大陸,南臨熱帶海洋,氣候溫暖潮濕,屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫22.8℃,海底地形較平坦,水深為23～27 m,整體上從西北向東南方向水深逐漸加深。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of the study area

風(fēng)電場所在區(qū)域?qū)儆谌A南地層區(qū),勘探深度內(nèi)上部地層為第四紀全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)松散堆積物,成因以海積、沖海積和殘積相為主,下伏基巖為寒武系八寸群片巖,局部為燕山期入侵花崗巖。本文選取廣東沿海某海上風(fēng)電場3個(分別為A,B和C)孔上部地層的PCPT數(shù)據(jù),利用3種方法解釋砂土層內(nèi)摩擦角,結(jié)果如圖2所示,其中,直剪/三軸壓縮試驗結(jié)果依據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》[12]中規(guī)定的試驗方法確定。

研究海域目標層為沖海積和殘積相土層,結(jié)合勘探狀況取樣發(fā)現(xiàn),樣品以稍密到中密的砂質(zhì)粉土和中砂為主,成分主要為石英和長石。砂土層的含水率為15%～30%,容重變化范圍為19～20 k N/m3,黏粒(粒徑小于0.005 mm的顆粒)質(zhì)量占樣品總質(zhì)量的3%～16%。

對于風(fēng)電場海域沖海積和殘積相砂土層,利用方法1分析所得的砂土內(nèi)摩擦角全部大于試驗結(jié)果(圖2),很大程度上高估了砂土內(nèi)摩擦角,所以,方法1適用于顆粒較粗、磨圓度好的非膠結(jié)石英砂層。本研究海域砂土層中普遍存在不同含量的黏粒和粉粒,因此使得計算結(jié)果高于試驗結(jié)果。

方法2考慮了土層上覆壓力和密實度的影響,確定了內(nèi)摩擦角的下限與上限值。方法3將孔穴擴張理論和臨界土力學(xué)理論應(yīng)用到實際分析中,充分考慮了土顆粒的微觀效應(yīng)和土體的宏觀影響,其分析結(jié)果更能反映土層真實情況。直剪/三軸壓縮試驗基于液壓薄壁鉆孔取樣所獲得的樣品進行,樣品擾動小、質(zhì)量高,能準確反映砂土層的工程特性。結(jié)合圖2,分析結(jié)果表明,利用方法2和方法3分析所得的砂土內(nèi)摩擦角與試驗結(jié)果吻合度較高,能真實反映砂土的內(nèi)摩擦角,可為設(shè)計取值提供可靠依據(jù)。

盡管需要更多的試驗和數(shù)據(jù)去驗證文中方法在其他地方的可靠性,但通過分析證明在本文中海上風(fēng)電場海域,對于淺表砂土層,文中方法2和方法3能很好地反映砂性土的內(nèi)摩擦角,可為樁基礎(chǔ)設(shè)計、管線路由和水下基礎(chǔ)等海上工程提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)。

圖2 A,B,C孔部分土層內(nèi)摩擦角(利用PCPT解釋)Fig.2 Inter nal friction angles of partial soil layers in borehole A,B and C(by using PCPT data)

3 結(jié) 論

基于文中介紹的3種方法,通過對廣東海上某風(fēng)電場海域砂土層的土質(zhì)特性和內(nèi)摩擦角進行對比研究,主要得出結(jié)論:

1)直剪/三軸壓縮試驗是目前國內(nèi)海洋工程勘察中砂土內(nèi)摩擦角確定的主要方法,但該方法對所取砂土樣品的質(zhì)量要求高,所需土樣多,試驗結(jié)果也易受各種因素影響。

2)在熟練掌握PCPT測試方法、資料采集、數(shù)據(jù)處理和成果解釋的基礎(chǔ)上,對比分析可知,利用方法2和方法3確定砂土內(nèi)摩擦角方法可在當?shù)毓こ探?jīng)驗的基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用。

3)由于PCPT能夠測得土的錐尖阻力等指標隨深度變化的連續(xù)曲線,更精確地反映土的類型、強度和排水屬性等工程性質(zhì)隨深度的變化,對砂土內(nèi)摩擦角分析更加方便快捷、結(jié)果可靠。

4)利用PCPT資料確定砂土內(nèi)摩擦角時,大多數(shù)是基于經(jīng)驗公式,不存在適用各種砂土的唯一公式,僅僅針對某一區(qū)域的相關(guān)關(guān)系是可靠的,在沒有當?shù)亟?jīng)驗時,可做粗略估計；如果有當?shù)氐脑囼灁?shù)據(jù),應(yīng)當根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗關(guān)系對公式進行修正。

5)在海洋工程勘察中,砂土的內(nèi)摩擦角對后期工程的影響是不容忽視的,應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的規(guī)模、重要性、地基的復(fù)雜程度等綜合多種方法確定。