工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1603-1609   (1866 KB)    
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  • 收稿日期:2016-11-10
  • 收到修改稿日期:2017-05-17
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    球型全流触探仪的机理研究及工程应用综述
    杨岩①②, 刘松玉①②, 蔡国军①②, 彭鹏①②, 郑金伙, 江涛    
    ① 东南大学岩土工程研究所 南京 210096;
    ② 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室 南京 210096;
    ③ 福建省建筑设计研究院 福州 350100
    摘要:近年来,随着全球海洋开发战略的逐步开展,越来越多的工程建设和试验研究将在海洋中进行,为了掌握海底的土体环境,静力触探(CPT)技术在国内外海洋工程领域中的运用变得更加重要。本文根据国内外大量文献中相关海洋原位测试技术的报道,对海洋静力触探的国内外发展历程进行总结,重点阐述和研究了一种适用于海底淤泥质土的球型全流触探仪。分析结果表明,球型全流触探仪在海洋岩土工程勘察中具有很好的应用前景,且集测量数据精确可靠、试验方法多样化、理论解析丰富全面等优点于一身;利用球型全流触探仪能够有效避免较大的实测数据修正,贯入机理清晰严谨,开展循环贯入试验可以评价土的重塑特性,变速率贯入试验在评价应变速率和现场土体强度以及测试中土体固结状态之间的关系上具有优势;结合现场试验,对比分析传统CPT和球型全流触探仪的试验结果,并考虑海底软土的性质,摸索出一种可停靠球型探头新形式。
    关键词海洋岩土工程    球型探头    全流触探仪    贯入机理    
    REVIEW ON PENETRATION MECHANISM AND APPLICATION OF BALL PENETROMETER IN OFFSHORE ENGINEERING
    YANG Yan①②, LIU Songyu①②, CAI Guojun①②, PENG Peng①②, ZHENG Jinhuo, JIANG Tao    
    ① Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096;
    ② Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety(Southeast University), Nanjing 210096;
    ③ Fujian Institute of Architectural Design and Research, Fuzhou 350100
    Abstract: In recent years, with the development of global marine strategies, engineering construction and experimental studies have been increasingly carried out in both offshore and onshore. In order to evaluate the soil properties on the seabed, the cone penetration test(CPT)technology has become much more important in the domestic and international marine engineering. This paper summarizes the development of marine cone penetration test according to extensive literatures domestic and oversea. Besides, the relevant research contents of the ball penetrometer are summarized. The ball penetrometer is now used oversea for offshore site characterization in soft sediments as an alternative or supplement to conventional CPT tests. The analytical results show that the ball penetrometer is superior to the cone in quantifying the strength of soft clay, as well as evaluating the remoulded strength and the effect of penetration velocity by means of cyclic remoulding tests and variable rate penetrometer tests. Based on the full-flow mechanism, it is worthwhile to compare the in situ testing data between ball penetrometer and CPT.Furthermore given the nature of soft soil at seabed, this paper introduces a stoppable piezoprobe at shallow depths for offshore engineering.
    Key words: Offshore engineering    Ball penetrometer    Full-flow    Mechanism of penetration    

    0 引言

    在我国“一带一路”区域经济发展战略的带动下,工程建设的方向正在逐步转向我国长达1.8×104km的海岸线上,国内对于沿海甚至深海资源的利用还不及世界平均水平,海洋工程的建设迫在眉睫。海洋时代的来临不只体现在中国,在国外,海洋油气资源利用已经发展到3000m深处的水域,与此同时岩土工程设计越来越注重于海底上部30m左右的软土沉积物。由于从深水地区提取高质量土体样本的难度和成本过高,使得岩土工程设计参数的确定越来越依赖于现场原位测试技术,这其中以静力触探技术为原位测试的典型代表(Cai et al., 2009)。

    然而,普通静力触探试验在海底超软土中所测数据的精度可能随海水深度的增加而减少。这是由于:(1)在海底高围压应力环境下,仪器探头测压元件在贯入过程中,丧失了对于软弱土体测量的精确性;(2)无法正确定量化描述上覆土重的作用。随着CPT设备的不断改进和发展,测试的精度也在不断提升,上述问题通过使用全流触探仪(full flow penetrometer)得以解决,T型和球型探头等是具有较大投影面积的探头形式。T型探头的概念最早是由Stewart等在1994年提出的,并于1998年首次用于海洋工程实践中(Stewart et al., 1994Randolph et al., 1998)。球型探头则是Kelleher和Randolph首次提出设计并开展相关工程实践研究的(Kelleher et al., 1998)。全流触探仪现已广泛应用于国外许多近海及远海地区的现场勘查中,但在国内的研究应用则相对较少。

    本文结合国内外大量文献,对全流触探仪的发展历史和研究现状进行总结,从理论解析、数值模拟和试验研究等方面重点针对球型全流触探仪的贯入机理和实践应用展开分析。同时,在相关软土场地利用全流触探仪进行现场试验,并与传统静力触探结论进行对比。

    1 海洋静力触探
    1.1 发展历史

    国外海洋静力触探装置的发展已经开展了将近半个世纪,从20世纪60年代出现的用于水域的静力触探装置开始,在80和90年代井喷式地出现了大量重要相关研究成果,发展到目前已经可以在浅海、近海和深海进行的静力触探试验,出现了包含小型自升式平台、海底沉放式、套管式平台、浅孔钻触式和潜水舱式在内的多类型海洋静力触探设备,其中以荷兰发展最早,使用最广(Lunne,2010)。目前国际上较为知名的深海CPT系统(表 1)。

    表 1 国际知名海洋CPT系统 Table 1 Well-known CPT marine systems in the world

    我国应用于海上工程领域的静力触探技术发展则相对较晚,国内首个“一杆到底”式的海床式水下静力触探于20世纪80年代由中国科学院海洋研究所研制。同时期的交通部下属研究院所成功利用试桩桩脚搭建简易水上触探平台,并尝试进行水上静力触探试验,但试验由于水面到泥面间探杆发生失稳、折断而停止作业。2003年,中国船舶工业勘察设计院将MJ-Ⅱ型顶压式静探装置和静探平台相结合,研制出水域静力触探平台。2005年,吉林大学工程所开发出“浅海域海底静力触探测试系统”。同年,广州海洋地质调查局解决了海洋静力触探设备中管内液压推进的关键技术问题(孟高头等,2000蒋衍洋,2012沈小克等,2016)。

    就国内目前的研究状况而言,试验的触探深度不大,设备的工作水深较浅,缺乏工程实测资料,很多设备仅处于研究阶段,能真正应用与工程实测的设备多由国外引进。

    1.2 全流触探仪

    全流触探仪通过穿过海底超软土时,在探头周围产生类似于黏性流体状态的土流围绕探头表面,通过探头表面与土流的摩擦获得超软土的不排水抗剪强度。探头的结构及测试中的土体流如图 1所示。全流触探仪的优点主要包括:(1)在非常软的土中,测量数据的精度性较高;(2)尽量避免了对于上覆应力的修正;(3)基于全流机理,探头实测贯入阻力较少受到土体刚度和应力各向异性的影响;(4)能够对探头周边土体的破坏机理较好定义;(5)土体的重塑抗剪强度能够在现场试验中快速而精确地测定(Dejong et al., 2011)。

    图 1 球型和T型探头与贯入过程中土体的流动(Chung et al., 2004) Fig. 1 Ball, T-bar and soil flow during penetrating (Chung et al., 2004)

    目前为止,包含T型贯入测试的标准是挪威石油工业技术法规NORSOK G-001海洋土体勘察标准(Standards Norway 2004)。该标准推荐T型贯入仪直径40mm,长250mm,投影面积为10000mm2,10倍于标准锥尖探头尺寸。

    球型探头的使用目前尚没有规范,国际上也较少有关于球型贯入仪尺寸和材料类型对测试结果的影响。Randolph(2013)在2013年的朗肯讲座上建议球型贯入仪直径为115mm,投影面积10000mm2,直接连接到标准锥杆。并且首次出现使用一个直径较小的钢球,最小60mm,投影面积2800mm2。与T型探头相同的,建议在钢球表面轻喷砂。有学者将孔压测试元件与球型探头相结合,孔压过滤环可安设于球型探头的赤道、中部和顶部位置,如图 2所示(Lunne et al., 2011)。

    图 2 孔压球型探头的过滤环位置(Colreavy et al., 2010) Fig. 2 Locations of pore pressure filter for ball penetrometer(Colreavy et al., 2010) a.赤道;b.中部;c.顶部

    2 全流触探仪的机理分析
    2.1 理论研究

    球型贯入仪的阻力系数(Nball),可利用全流动理论塑性理论解通过测试所得贯入阻力(qball)估算su

    ${s_u} = {q_{ball}}/{N_{ball}}$ (1)

    式中,su为不排水抗剪强度;Nballqball分别为球型贯入仪的阻力系数和实测贯入阻力值。

    Martin et al.(2006)最初基于塑性理论对Nball进行研究,得出关于贯入仪表面摩擦系数(α)的上限解及其线性拟合:

    ${N_{ball - }}_{iaeal} = 11.21+5.04\alpha - 1.06{\alpha ^2}$ (2)

    ${N_{ball - iaeal}} = 11.3 + 4\alpha $ (3)

    式中,Nball-ideal为球型贯入仪的理想阻力系数值。该方法所得Nball的范围为11.21~15.19,一般情况下认为贯入仪表面轻度喷砂处理,α为0.4,即Nball=13.1。两组结果适用于Tresca土壤模型,使得球型探头的阻力系数值较T型探头大了约22% ~27%。使用Mises强度准则可降低这种差异,例如α=0.3时,上述阻力系数的差值下降到约15%。当三轴拉伸和压缩强度比为0.5时上述差值降为7%,可进一步减少各向异性的剪切强度(Dejong et al., 2004)。

    Randolph(2000)给出了T型、球型及锥形贯入仪阻力系数随摩擦系数α变化对比(图 3):

    图 3 3种贯入仪阻力系数塑性解与表面摩擦系数关系(Randolph,2000) Fig. 3 Theoretical factors for cone, T-bar and ball (Randolph, 2000)

    从试验数据中可以得出T型和球型探头贯入阻力之间的差值,起初学者并没有对此进行区分,但是在高灵敏度的黏土材料中显示这项差异比例甚至高达16%(Boylan et al., 2007; Low et al., 2011)。Einav et al.(2005)认为这种差异的原因可能是由于T型相较于球型更容易发生应变软化,从而造成其贯入阻力值的降低。对于中度敏感的土壤,T型和球型探头的贯入阻力差异比例集中在5% ~10%,这与考虑强度各向异性的分析结果是一致的。

    Dejong et al.(2004)对两类探头进一步的研究中发现,在一系列不同的天然黏性土中球型探头得到的贯入阻力值要比T型探头低25%左右。

    可以肯定的是,真实的试验现象和数据要比理想的塑性土体模型更为复杂。有分析指出,T型探头试验基于塑性机理的平均剪切应变速率比室内标准试验高出了6~7个数量级,而比球型探头试验高了4~5个数量级。而造成此高应变速率的原因则是由于贯入形成的流通区域内黏土体强度的流失(Mahmoodzadeh et al., 2015)。

    2.2 数值模拟

    在利用基于速率相关性的塑性解对天然土体进行分析时,承认探头周边的土体能够产生相对较高的应变速率以及土体流经T型或球型探头时发生的逐级软化。为了研究上述过程,一些国外学者发现并总结了3种数值分析方法,分别为上限解和应变路径的组合方法(UBSPM),大变形有限元分析(LDFE),以及稳定状态下的有限差分法(SSFD)(Randolph et al., 2000; Einav et al., 2005; Zhou et al., 2009)。所有3种方法都采用了类似的对数法来描述剪切应变速率的相关性。

    利用塑性理论的最佳上限解得到的土体运动机理,Einav与Randolph再结合应变路径法,将T型和球型探头联合起来进行分析。每一个土体单元都满足上述流通机理,其抗剪强度值也能与剪切应变速率γ和总的塑性剪切应变值ξ相关联:

    ${s_u} = {s_{u,ref}}\left[ {1 + \mu \log \left( {\gamma /{\gamma _{ref}}} \right)} \right]$ (4)

    式中,su为抗剪强度;μ为应变速率参数;suref为在指定应变速率γref=1% ·h-1时的抗剪强度。

    利用一个破坏系数δ,来描述土体在逐渐软化的过程中的抗剪强度值:

    $\delta \left( \xi \right) = {s_{us}}/{s_{ui}} = {\delta _{rem}}+(1 - {\delta _{rem}}){e^{ - 3\xi /{\xi _{95}}}}$ (5)

    式中,δrem为完全重塑时土体的破坏系数值,数值上与土体的灵敏度互为倒数;ξ95指破坏达到95%重塑土体状况时对应的累计塑性剪切应变的大小。则有Nu=δ(ξ)Nideal(Einav et al., 2005)。

    LDFE分析法往往能够得到最低的平均贯入阻力值,因其能够捕捉到贯入过程中土体剪切面的周期性软化规律。Zhou et al.(2009)考虑到应变率相关性和应变软化对全流触探仪探头承载力系数的影响,应用大变形有限元软件对贯入过程展开建模分析,如图 4所示对T型和球型两种贯入仪的贯入机制进行了比较分析。并且推出球型全流探头贯入阻力系数的近似表达式如下:

    $\begin{array}{l} {N_{ball}} \approx {\rm{ }}\left( {14.8\mu } \right)({\delta _{rem}}+\\ \quad \quad \quad (1 - {\delta _{rem}}){e^{ - 1.5{\xi _{ball}}/{\xi _{95}}}}){N_{ball - idea}} \end{array}$ (6)

    图 4 两种全流触探仪的等应变增量线(Zhou et al., 2009) Fig. 4 Contours of incremental displacements(Zhou et al., 2009)

    式中,μ为应变速率参数,通常为0.1。

    除此之外,Randolph应用上下界的方法在有限元软件中计算球型探头贯入阻力的塑性解(Randolph,2000)。在国内,范庆来等(2009)利用ABAQUS有限元软件模拟分析T型探头的贯入过程,研究其承载力系数与贯入速率、强度各向异性之间的关系。

    2.3 试验研究
    2.3.1 循环贯入试验

    对于球型探头而言,不仅是向下贯入的过程需要测量锥尖阻力,在向上抽拔过程中同样需要对探头所受阻力进行测量。Yafrate et al.(2009)利用循环贯入试验对土体的重塑强度及灵敏度进行测试,其中球型探头试验数据(图 5)。

    图 5 球型探头贯入阻力沿深度方向分布(Yafrate et al., 2009) Fig. 5 Ball penetrometer profile from Onsøy test site (Yafrate et al., 2009)

    Yafrate et al.(2009)表示在一个贯入抽提循环之后,土体的强度会有很大程度的缺失,但如若使土体强度降低到完全重塑状态则需要5~10个贯入抽取循环不等。

    2.3.2 变速率贯入试验

    Chung等研究排水和不排水两种加载路径下的抗剪强度,联系贯入速率指出贯入速率影响剪切变形时的排水条件,很大程度地影响贯入试验数据(Chung et al., 2006)。House et al.(2001)Randolph et al.(2004)通过变速贯入试验来方便研究两者之间的具体关系(图 6)。

    图 6 标准与变速率圆锥贯入试验(Randolph et al., 2004) Fig. 6 Results from standard and 'twitch' cone tests (Randolph et al., 2004)

    在软土中,贯入开始时为不排水条件状态,随着贯入速率的下降,贯入阻力先因黏性效应的降低而减小,后随着固结效应显著增大,直至土体达到完全固结的状态。在此过程中,贯入速率的变化范围在2~3个数量级之间。数据基本满足下述公式:

    $\frac{q}{{{q_{ref}}}} = \left( {a + \frac{b}{{1 + c{V^d}}}} \right)\left[ {1 + \frac{\mu }{{{\rm{ln}}\left( {10} \right)}}{\rm{sin}}{h^{ - 1}}\left( {\frac{v}{{{v_0}}}} \right)} \right]$ (7)

    式中的归一化贯入速率V定义如下:

    $V = (vd/{c_v})({s_{u - cyc}}{s_{u2212/mono}})$ (8)

    式中,vd为贯入仪的贯入速率和探头直径;cv为土体的竖向固结系数;su-cyc为循环测试时的抗剪强度;su-mono为单向贯入时的抗剪强度。

    House et al.(2001)提出,可以通过归一化变速贯入试验推导出土体的固结系数。且归一化贯入速率达到终值(2~4)所需要的时间为传统静力触探孔压消散试验时间的50%,可有效降低测试时间。

    3 海洋工程应用

    精确评价海洋软土沉积物的物理力学性能是发展海洋建设过程中面临的严重挑战,全流触探仪可以有效地满足分析解决海洋岩土工程问题的需要。本文针对福建省福州市沿海设施建设工程项目进行了综合CPTU、T型和球型全流触探仪试验研究,试验场地位于福州市连江县可门开发区,地貌单元属海岸阶地平原地貌,本场地原为滨海滩涂,经人工堆填为地势平坦的可施工区域。现场贯入设备及球型探头如图 7所示。

    图 7 福州场地试验设备 Fig. 7 Equipment in Fuzhou site a.贯入设备;b.球型探头

    现场的全流触探仪及CPTU测试结果(图 8),值得指出的是,在沿海淤泥质土中,典型CPTU的实测锥尖阻力值过小,影响测试精度,而球型及T型全流触探仪则因其较大的探头投影面积能够获取更为精确可靠的测量数据。

    图 8 福州场地的T型、球型探头及CPTU测试结果 Fig. 8 Site profiles of undisturbed soil properties

    在海底管线工程设计中,需要详细考证水下浅层地表土体的强度及固结特性,然而水下浅层土体多为淤泥质软土,具有结构松软、含水量大、强度低等不良特性,传统的原位测试技术和常规的静力触探试验很难获取到真实的土体性质参数,进而使得管线在设计过程中缺乏可靠的数据支撑,各项设计参数偏于保守,增加铺设成本。基于上述土体特征,蔡国军等(2017)提出了一种能够获得精确可靠的水下浅层淤泥质土的物理力学性质指标的可停靠式球柱形孔压探头(图 9)。

    图 9 可停靠式球柱形孔压探头原理图(蔡国军等,2017) Fig. 9 Schematic of a parkable piezoprobe(Cai et al., 2017)

    4 结论

    (1) 目前针对球型全流触探仪的机理研究主要包含以应变路径法为主的理论研究、大变形有限元分析及有限差分技术,其中以大变形有限元模拟精度最高,但仍缺少与现场试验数据的对比分析。

    (2) 利用球型全流触探仪开展的循环贯入试验和变速率贯入试验,分别能够有效评价土体的重塑性质以及应变速率对土不排水抗剪强度的影响,进而避免了海底取样,提高了海洋软土性质的预测精度。

    (3) 现有孔压静力触探(CPTU)测试技术在海洋或沿海淤泥质土中的应用存在一定程度的局限性,球型全流触探仪因其较大的探头投影面积能够获得更为精确可靠的数据。

    (4) 推进球型全流触探技术研究能够全面提升关于海洋软土物理力学特性的评价认知水平,为构建海洋岩土工程的分析模型提供更为连续和空间内多维度的数据分布信息,具有十分广阔的发展前景。

    参考文献
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