Practical Methods for Determining Soil Strength Parameters in Offshore Wind Power Geotechnical Investigation

拟建某风电工程位于广东海域珠江下游入海口内陆架内，场址规划用海面积10.43 km²，水深值介于4.3～13.2 m。岩土勘察工作包括在每个机位进行钻孔取样、标贯测试。除此外，还选择35号机位和43号机位两处，每个机位进行两个CPT测试，共完成4个CPT测试。

在实际项目实施过程中，不同生产商制造的CPT设备会记录不同的数据格式，通常需要相匹配的软件才能做进一步数据处理和数据解释，比如完成土的分类等工作。本文不再深究该如何使用CPT数据进行细致的岩土分层和分类，目前分类方法已经相当成熟，可详见ROBERSON 1990^［1］、ROBERSON 2009^［2］、ROBERSON 2010 ^［3］。本文着重介绍根据CPT最基本的数据锥尖阻力qc，侧壁摩擦力fs，孔隙水压力u2和摩阻比Rf来进行快速地土层划分。

根据上述四类基本数据进行快速土层划分，可以根据以下几个原则进行：

1）qc突然变化的位置为土的分层位置。

2）Rf发生较大变化的位置为土的分层位置。

3）Rf<1可判断为砂性土，Rf>2可判断为粘性土，位于两者之间的时候，可能为粉土或者粉砂或沙土粘土混合，具体情况需根据qc大小判定。

4）砂土的qc较高，在本项目中为10 MPa或者更高。

5）u2发生剧烈变化的时候，可能是土层发生变化或某一层土中的成分、密实程度发生了突然变化。

需注意的是，根据以上几个原则划分的土层，并不代表该层土的设计参数需相同。比如同一层粘土中，可能出现强度分别为20 kPa和50 kPa，但是在上述四个指标参数中，无法得到明显区分。

已经有许多学者提出采用CPT计算粘土不排水抗剪强度的方法。

CPT采用下式计算粘土的不排水抗剪强度Su。

式中：

qt ——修正CPT锥尖阻力（kPa），通常可直接从CPT设备中导出此数据；

σv0 ——上覆压力（kPa）；

Nkt ——经验系数。

如果CPT设备操作系统无法自动导出qt数据，可以用下式来计算qt：

式中：

qc ——CPT锥尖阻力（kPa）；

u2 ——探头水压力（kPa）；

a ——探头面积比，是探头出厂设计参数，对于某一型号探头为固定值，通常处在0.6～0.8。

Nkt的取值并不固定，在不同的场地，场地中不同的地层中取值也会不同。因此Nkt的最终取值需配合其他的测试手段来确定，包括高质量的强度试验、现场十字板剪切试验等方法。不同的粘土通常会表现出不同的Nkt值。LOW et al.（2010）^［4］通过研究3个陆地和11个海上场地的CPT粘土，通过与三轴试验结果对比后，提出Nkt取值在8.6～15.3，平均值为11.9。如果与三轴试验、单剪试验和三轴拉伸实验得到的强度平均值对比后，Nkt取值在10.6~17.4，这个范围相对更接近单剪试验的结果。如果与现场的十字板剪切试验结果做对比，Nkt取值在10.8～19.9，平均值为13.3。MAYNE et al. 2015在研究了17种不同强度的粘土后，得到的Nkt平均值为13.6。

KARLSRUD et al.（2005）^［5］测试了灵敏的挪威粘土，三轴试验结果对比显示Nkt取值范围相对更低，取值在7.5～11.5。WANG et al（2015）^［6］测试了魁北克地区的十字板强度，结果对比显示Nkt取值为10.5。

对于超固结的结构性粘土，POWELL & QUARTERMAN（1988）^［7］提出Nkt取值在20至30之间的时候，才能与室内的三轴试验和现场平板结果取得较好的对照。

MAYNE & PEUCHEN（2018）^［8］对比407个粘土样品的三轴试验强度与CPT数据后，提出了一种通过CPT指标计算Nkt的方式。他们通过研究最终的Nkt取值和CPT孔压系数Bq的关系可以近似表示为：

基于上式可以得到35号机位和43号机位的Nkt取值如图1、图2所示。

Figure 1.  The value of N_kt for GSK35 position

Figure 2.  The value of N_kt for GSK43 position

从图1、图2可以看到，CPT 35-1的Nkt取值大多落在15～20，20 m以下的部分粘土层混砂较多，Nkt取值波动范围较大，23～25 m范围内Nkt为10左右，27～29 m范围内取值为20～25，但代表性相对较差。CPT 35-2表层2 m范围内Nkt取值变化较大。2～5 m范围内Nkt取值为15~25，5～17 m范围内大段粘土的Nkt取值为10～15，23～25 m范围内Nkt为15～20，27～29 m范围内取值为15～25，但代表性相对较差。CPT 43-1粘土层Nkt取值基本落在12～16，除35～38 m范围内Nkt取值为15～20。CPT 43-2粘土层Nkt取值基本在15～20，局部深度Nkt降至25左右但很快升高至15～20的范围。

根据以上方法计算得到Nkt可以得到35机位和43机位的粘土不排水强度剖面如图3、图4所示。

Figure 3.  Undrained strength profile of clay at the GSK35 position

Figure 4.  Undrained strength profile of clay at the GSK43 position

从图3、图4可以看到，对于35号机位，UU和CU试验结果相对CPT结果对照较好，UU结果偏向CPT的较低取值，CU结果偏向CPT的较高取值，整体对照情况较好。对于43号机位，CPT结果相比UU试验和CU试验结果更高，局部深度CPT结果高过CU实验结果。

通过以上对比我们可以看出：

1）本项目粘土的不排水强度应该是随深度增长，目前勘察结果中对一段较厚的粘土层只提出一个统一的强度指标是相对粗糙的。

2）Nkt的取值需通过与高质量的室内试验对比来确定。

3）本项目粘土的Nkt取值范围在15～20是相对合理的，这也与前期研究成果相吻合。

CPT确定砂土内摩擦角的手段相对单一，应用成果相比CPT在粘土中的应用也较少。目前常见的根据CPT计算砂土有效摩擦角的常用公式是MAYNE（2014）^［9］提出的：

这里σatm是大气压，可取100 kPa。该式最初是根据CPT标定箱数据得到的，使用的是标准石英砂。MAYNE（2006，2009）用17个场地取得不扰动（冰冻）砂样进行三轴试验，测得了砂土样的摩擦角。试验结果显示上式也能够得到非常好的拟合效果。

目前的海上勘察中，标准贯入试验也应用非常普遍，但是目前标贯在海上勘察中的应用适用性有非常大的争议，由于CPT在国内发展时间较短，设备数量较少，无法保证每个机位都有CPT，标贯依旧是现场测试最主要的手段。

标贯在海上岩土工程勘察中应用的特点包括：

1）标贯的应用非常普遍，也有非常丰富的地区经验把标贯结果和设计指标建立经验关系，但这些经验主要集中于陆地。由于标贯探杆自由段过长，因此陆地上已经成熟的经验能否移植到海洋岩土的勘察工作中，是一个需要更多研究和工程实践的问题。

2）标贯设备本身成本低，市场供应大，而CPT本身设备成本相对标贯更高，特别是专门的孔下CPT（downhole CPT）成本更高，同时相对来讲，CPT的数据处理和解释需要更专业的岩土技术人员来进行。

对于标贯试验数据，这里建议采用SCHMERTMANN^［10］方法推算砂土的内摩擦角，如图5所示。

Figure 5.  Empirical method for estimating ϕ’ of a sand from standard penetration test ‘N’ values

根据上式，我们得到了35机位和43机位的摩擦角剖面图。

从图6、图7可以看到，基于标贯结果使用SCHMERTMANN^［10］方法与CPT经验公式计算得到的结果基本吻合，SCHMERTMANN^［10］方法的结果基本是CPT结果的上包络线。同时，在对比中，还可以发现：

Figure 6.  Friction angle profile of GSK35 position

Figure 7.  Friction angle profile of GSK43 position

1）无论CPT还是标贯计算砂土的有效内摩擦角时，都需考虑有效上覆压力的影响。

2）标贯能够反映砂层的密实度变化的趋势，但标贯数据不连续，不够丰富。

3）SCHMERTMANN^［10］方法在标贯超过60锤或有效上覆压力超过300 kPa后对砂土摩擦角的准确程度无法保证，原因是当埋深超过一定深度，杆长自由段过长的时候，对于标贯锤击能量的修正无法准确估计，这也是标贯在海洋岩土勘察应用中备受争议的因素。

通过以上列举的方法所得到的结果，可以总结出下列结论：

1）目前国内海上风电勘察手段有限而且勘察装备供应紧张。在此大背景下，本文提供了一种在海上勘察较难取得不扰动样品且经常仅有CPT和标贯数据可用的情况下，推算土的抗剪强度的可靠方法。

2）高质量的土工试验是保证海上勘察岩土参数准确的基础，但由于目前客观条件的限制，取样扰动较大的因素仍然无可避免，因此根据现场CPT测试和标贯测试的结果推算岩土参数有很大的应用价值。

3）CPT方法在确定粘土的不排水抗剪强度的时候有较大的优势，CPT测试精度高，属于原位测试，没有土样扰动的问题，方便绘制粘土不排水抗剪强度随深度变化的剖面。

4）粘土强度通常随深度增长，粘土层提出单一强度参数相对粗糙。

5）勘察现场极难取得砂土原状样，因此采用CPT和标贯经验方法，综合判断，确定合适的砂土有效内摩擦角是一种非常实用且有应用价值的方法。