#1 靜力觸探試驗(yàn)
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(guò)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(lái)，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(lái)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(kāi)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(kāi)始嘗試使用CPT。
#2 我國(guó)CPT應(yīng)用
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)劃中引進(jìn)了一套海床式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(kāi)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(guò)CPT推算海底土體物理力學(xué)指標(biāo)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(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(wèn)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。
#3 水下CPT測(cè)試系統(tǒng)
國(guó)外主要有兩個(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)。
海床式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40m～50m，在某些勘察領(lǐng)域使用比例已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)的鉆探。海床CPT系統(tǒng)主要分為以下幾種類型。
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液壓式非連續(xù)貫入CPT系統(tǒng)
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連續(xù)貫入CPT系統(tǒng)
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CPT聯(lián)合鉆機(jī)系統(tǒng)
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微型CPT系統(tǒng)
Manta-200海床式靜力觸探設(shè)備
井下式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(guò)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)。
Orca_125井下式靜力觸探和土壤取樣設(shè)備
Orca DW深水型井下式靜力觸探和土壤取樣設(shè)備
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(lái)越多樣化。
CPTU探頭：通過(guò)安裝在錐尖或錐肩上的孔隙水壓力傳感器測(cè)量貫入過(guò)程中探頭周圍土體中孔隙水壓力的變化。
側(cè)壓力CPT探頭：利用安裝在摩擦筒上的傳感器測(cè)量土體的側(cè)壓力。因數(shù)據(jù)并不可靠，所以使用次數(shù)很少。
旁壓CPT探頭：也可以用來(lái)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。
電阻率CPT探頭：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。
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(guò)測(cè)量放射源穿過(guò)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。
地震波探頭：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)90m~100m。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)。
T形全流觸探探頭
球形全流觸探探頭
探頭在穿過(guò)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)：
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極軟土中精確性明顯改善；
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極大的降低對(duì)上覆應(yīng)力的修正；
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貫入阻力受到外界環(huán)境因素的影響較少；
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破壞機(jī)理易于明確表示；
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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。
Geomil靜力觸探系統(tǒng)
盡管水下靜力觸探仍然存在深水應(yīng)用較少，側(cè)壁摩阻力差異較大、試驗(yàn)解釋方法落后于設(shè)備發(fā)展等問(wèn)題，但水下CPT仍是成熟的獲取高質(zhì)量的水下巖土體物理力學(xué)參數(shù)的重要方法。
本文來(lái)源：宋友建，邱敏． 水下靜力觸探(CPT) 測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］． 城市勘測(cè)，2022(4) : 199－204．
