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歐美大地 工程物探
工程物探
對(duì)比：哪種地質(zhì)調(diào)查方法更優(yōu)秀？
發(fā)布時(shí)間：2022-04-28 瀏覽次數(shù)：105299 來(lái)源：歐美大地
隨著工程對(duì)地層硬度也就是場(chǎng)地等級(jí)要求的不斷提升，在地質(zhì)調(diào)查，尤其是在海上風(fēng)電場(chǎng)（OWF）開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地層硬度測(cè)試成為了非常重要的一部分。地層硬度測(cè)試通常采用以下三種方法：PS懸掛測(cè)井（PS Logger®）、地震波靜力觸探測(cè)試（Seismic CPT，簡(jiǎn)稱SCPT）和靜力觸探測(cè)試（CPT）。
CPT是目前使用廣泛的測(cè)試方法，通過(guò)一根探桿將一個(gè)測(cè)量錐推入地層，可以提供超出線彈性極限的參數(shù)，而SCPT和PS懸掛測(cè)井則為互補(bǔ)技術(shù)，可提供與地層線彈性響應(yīng)相關(guān)的額外參數(shù)。當(dāng)CPT探頭無(wú)法穿透地層（巖石、卵石、礫石等）提供連續(xù)的彈性模量曲線剖面時(shí)，PS懸掛測(cè)井方法就成為了優(yōu)選擇。也就是說(shuō)，三種測(cè)試方法既可獨(dú)立測(cè)試，又相互補(bǔ)充完善調(diào)查結(jié)果。尤其是在復(fù)雜且地質(zhì)條件多變的情況中，如在海上風(fēng)電場(chǎng)（OWF）開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了得到更準(zhǔn)確的土壤參數(shù)負(fù)載響應(yīng)建模，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)進(jìn)而有效降低成本，會(huì)采用CPT、SCPT和PS測(cè)井相結(jié)合的方式來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)地層硬度。

為了大家更好的了解三種方法的差異性和互補(bǔ)性，本文將從測(cè)試原理、測(cè)試方法，并以海上風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)試結(jié)果為例，進(jìn)行對(duì)比介紹，方便大家在工程應(yīng)用中選出更適合的測(cè)試方法。


原理及應(yīng)用


靜力觸探（CPT）原理
靜力觸探（CPT）方法使用一根頂部為圓錐體的探桿，該圓錐體以固定速度被垂直推入地面。圓錐體中的傳感器在整個(gè)過(guò)程中以厘米為單位提供數(shù)據(jù)。當(dāng)錐體穿透時(shí)，它會(huì)迫使土壤在尖端前方約40cm處發(fā)生破壞。錐尖阻力由錐體后面的力學(xué)傳感器測(cè)量，理論上與飽和粘性材料的不排水剪切強(qiáng)度有關(guān)。通過(guò)應(yīng)變計(jì)測(cè)量，側(cè)壁摩阻力理論上與被穿透地層的摩擦力有關(guān)。CPT探頭則使用多孔塑料透水石測(cè)量孔隙壓力，透水石位于親水性聚丙烯制成的錐形頭后面。在致密地層（如砂巖）中，孔隙壓力可能會(huì)下降，而在粘性材料中，錐頭的貫入可能會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力升高。如果測(cè)量的孔隙壓力瞬間增大，則需停止繼續(xù)貫入，以使壓力達(dá)到平衡。CPT的數(shù)據(jù)可直接用于土壤分類，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的理論分析計(jì)算得到工程參數(shù)。

  

地震波靜力觸探測(cè)試（SCPT）原理
SCPT在探頭中的單個(gè)或兩個(gè)接收器鏈上檢測(cè)與地層發(fā)生強(qiáng)耦合的波形，其震源是一個(gè)位于海床上靠近鉆孔獨(dú)立激發(fā)裝置。按照正交方式安裝的檢波器分別讀取靜態(tài)讀數(shù)。然后處理來(lái)自優(yōu)方向（x或y）的數(shù)據(jù)，并確定走時(shí)。根據(jù)震源到接收器的距離和走時(shí)，可以計(jì)算波速和層速度。如果同時(shí)記錄了P波，再加上體積密度讀數(shù)，也可以計(jì)算小應(yīng)變模量。
PS懸掛測(cè)井原理
PS懸掛測(cè)井技術(shù)（Robertson Geo公司PS Logger®測(cè)井探頭采用此種技術(shù)），可在常規(guī)電纜測(cè)井系統(tǒng)中運(yùn)行，并由兩個(gè)高敏檢波器記錄兩個(gè)不同位置從一個(gè)強(qiáng)大的偶極子聲波震源激發(fā)的P波和S波。與其他聲波探頭不同，PS懸掛測(cè)井是靜態(tài)讀取讀數(shù)的，通常以0.5米或1.0米為間隔，在每個(gè)深度位置進(jìn)行3次激發(fā)，一次P波，兩次S波（正相位和負(fù)相位）。兩個(gè)檢波器之間的距離固定為1.0m，一旦確定了走時(shí)，就會(huì)自動(dòng)計(jì)算層速度、泊松比，再加上體積密度數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出小應(yīng)變模量。

PS Logger®測(cè)得波形



應(yīng)用對(duì)比
對(duì)于陸上調(diào)查，CPT通常采用專用特種車(chē)輛搭載，移動(dòng)更靈活；而PS測(cè)井則可測(cè)得更深層的數(shù)據(jù)，尤其是在硬地層的測(cè)試中更為合適。
CPT數(shù)據(jù)示例

在海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的海上巖土工程勘察中，需要在每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并按照一定比例進(jìn)行鉆孔取樣。早期的海上風(fēng)電場(chǎng)通?？拷０?，因此常用自升式平臺(tái)進(jìn)行施工。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)逐漸擴(kuò)展到更深的水域（20-50m），改為使用垂蕩補(bǔ)償鉆井船進(jìn)行鉆孔施工。近些年，飄浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)，這使得風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)可以擴(kuò)展到水深500米的區(qū)域，這就意味著需要更適合的工程設(shè)計(jì)和地質(zhì)調(diào)查方法。
在海上，CPT可使用鉆井模式，系統(tǒng)固定在由液壓軟管提供推力的孔底組件中。除此之外，還有安裝在海底的專用的CPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CPT框架自身重量提供反作用力使得推桿推動(dòng)探頭貫入海床面以下。類似于陸上CPT測(cè)試。
而SCPT，需要一個(gè)額外安裝在海底且靠近鉆孔的S波震源，或者可以組合在上述CPT框架中。在某些情況下，S波源也可以產(chǎn)生P波，但這通常出現(xiàn)在與CPT貫入系統(tǒng)位置不同的海底結(jié)構(gòu)上。
CPT探頭孔隙壓力傳感器（CPTu）拆解圖

PS測(cè)井需要預(yù)先鉆出比目標(biāo)深度多5m的鉆孔，然后開(kāi)始測(cè)試。鉆桿留在鉆孔中，分階段抽出，以露出一段裸眼部分。測(cè)試裸眼部分，然后向上提出探頭。再抽出更多的鉆桿，露出更大的裸眼部分。以重疊的方式進(jìn)行測(cè)試，并重復(fù)該過(guò)程，直到全部目標(biāo)層位測(cè)試完畢。



輸出數(shù)據(jù)對(duì)比

注：*表示通過(guò)計(jì)算得出的輸出，非直接測(cè)得


海上地質(zhì)調(diào)查結(jié)果對(duì)比

盡管PS懸掛測(cè)井和SCPT都可以測(cè)量地層速度，但測(cè)量方式完全不同。PS懸掛測(cè)井通過(guò)傳統(tǒng)的電纜進(jìn)行測(cè)試，而SCPT通常與標(biāo)準(zhǔn)CPT測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。為了更直觀的對(duì)PS懸掛測(cè)井和靜力觸探進(jìn)行比較，我們以海上風(fēng)電場(chǎng)的地質(zhì)調(diào)查為例，對(duì)PS懸掛測(cè)井和SCPT結(jié)果進(jìn)行比較分析，下表給出了這兩種方法之間的差異。PS懸掛測(cè)井采用了RG公司的PS Logger®測(cè)井探頭。



對(duì)比結(jié)論
一般來(lái)說(shuō)，由于SCPT需要放置單獨(dú)的海底震源，因此PS懸掛測(cè)井相較于SCPT更省時(shí)。同時(shí)檢測(cè)地震波時(shí)會(huì)對(duì)常規(guī)CPT測(cè)試產(chǎn)生影響。因此，SCPT通常用于測(cè)量近海床面地層參數(shù)，而PS懸掛測(cè)井用于更深的剖面（10m以上）。當(dāng)遇到CPT方法無(wú)法穿透的硬地層時(shí)，則只有PS懸掛測(cè)井可以提供所需的數(shù)據(jù)。
綜上， PS懸掛測(cè)井、SCPT和CPT可以視為互補(bǔ)技術(shù)，共同提供所有深度和地層的場(chǎng)地參數(shù)。當(dāng)然，對(duì)于前期已經(jīng)做了區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的板塊，在具體施工安裝時(shí)只使用PS懸掛測(cè)井完全可以為現(xiàn)場(chǎng)工程師提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在保證工程安全的基礎(chǔ)上更加的省時(shí)省力！

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