海床CPT和井下CPT在砂土中贯入机理差异研究

李 飒，戴 旭，周杨锐，蒋宝凡

(1.天津大学 建工学院岩土所，天津 300072; 2.中海油服物探事业部，天津 300456)

海床CPT和井下CPT在砂土中贯入机理差异研究

李 飒1，戴 旭1，周杨锐2，蒋宝凡2

(1.天津大学 建工学院岩土所，天津 300072; 2.中海油服物探事业部，天津 300456)

海洋石油建设中的一个关键环节是对有关海域的工程地质条件作出准确评价。海上原位静力触探(CPT)是主要的原位勘察手段，与陆地CPT不同，其贯入方式主要有Seabed和Downhole两种形式。这两种CPT由于贯入方式不同，所得到的锥端阻力存在一定的差异。采用有限元方法对这两种形式的CPT锥端阻力和贯入模式进行计算分析。研究显示，CPT入土过程中，周围土体存在两种不同位移状态，即滑动状态和排挤状态。在入土初期，土体以滑动状态为主，土体中竖向应力随贯入深度的增加而递增。在入土一定深度以后，土体的排挤状态占主导地位，竖向应力变化趋于平稳。这两种位移状态的相互转化解释了Seabed CPT和Downhole CPT实测数据之间的差异。在贯入深度较大时，Seabed CPT 受排挤状态控制，而Downhole CPT仍然受滑动状态的影响。

Seabed CPT；Downhole CPT；砂土；贯入机理

Abstract:The in situ CPT in offshore engineering has two forms:Seabed and Downhole.Due to the difference of construction technology using different methods,there is certain difference of cone tip resistance.Using the finite element method,the cone tip resistance and penetration mode of two different forms of CPT are analyzed.The results show that during the penetration process,the soil around has two different displacement modes,the rotation mode and the compaction mode.In the initial stage of penetration,rotation mode dominates soil behavior,and the soil vertical stress increases with the depth of penetration.After drill pipe penetrates to a certain depth,compaction mode becomes dominant,and the change of vertical stress with depth tends to be steady.The conversion of two kinds of mode explains the difference of measured data between Seabed CPT and Downhole CPT.When the penetration is relatively large,the Seabed CPT is controlled by the compacted state,while the Downhole CPT is still affected by the rotated state.

Keywords:Seabed CPT; Downhole CPT; sand; penetration mechanism

对有关海域的工程地质情况作出准确评价是海洋石油建设的关键环节。CPT测试技术由于可以获得较为可靠的土质参数成为目前海洋石油工程领域中主要的原位勘察方法。由于海洋环境的特殊性，海上CPT技术和陆地CPT技术存在一些差异。

目前用于海洋地质勘察的CPT根据其贯入方法的不同主要分为两大类：海床静力触探(Seabed CPT)和井下静力触探(Down-hole CPT)[1]，如图1。 这两种技术在贯入方式及数据处理上均有所区别。

Seabed CPT技术与陆地CPT相似，属于连续贯入式静力触探，有轻型和重型两种类型。其主要特点是推进装置将触探探头直接连续的贯入海底以获得数据，触探基准为海床面且基准唯一，空间上容易保证触探过程的完整性；在方式上有船载式、海底遥控式和钻井平台式，其中以船载式最为普遍，缺点是触探深度有限。Downhole CPT的主要特点是静力触探与钻探相结合的循环推进方式，推进装置在钻杆内轴向定位并将触探头从钻杆底部经钻头贯入海底土体，触探基准一般取钻头位置，因此相对基准面并不唯一。Downhole CPT实际上是一个先钻孔后贯入的过程，其优点是总的贯入深度大，可以贯入更坚硬的土层[2-3]。

两种静力触探贯入方式不同，得到的数据也不相同：以触探10 m为例，Seabed CPT利用推进装置将触探探头直接连续贯入海底10 m深度，得到1～10 m的连续数据；而Downhole CPT则是先由钻机成孔后推进触探装置贯入，例如采用首次钻孔推进1 m，其后每次钻孔推进3 m的推进方式，得到的则是不连续的触探区间14 m,47 m,710 m的数据。并且由于两种海上静力触探工艺的不同，在数据处理上也存在一定差异。

由CPT实测数据得到相应土质参数的途径主要有两种：一种是理论分析法，即通过相关理论建立锥端阻力(侧摩阻力或孔压)与相应指标之间的计算关系，常用的方法如承载力理论法，运动点错位法，孔扩张法以及应力路径法[4]。其中孔扩张理论[5-6]是应用最为广泛的一种研究方法，这些理论公式的推导在一定程度上为经验公式的建立提供了依据。另一种是经验公式法，即利用数理统计的方法建立锥端阻力等和土的工程特性之间的各种相关关系。理论方法在模拟不同应力历史条件下的土性、土的各向异性、灵敏度、地质年代等方面有很大的局限性，理论正确与否还需要通过现场测试和实验室数据验证，因此实际生产中，工程师更喜欢通过经验公式求解。

例如，粘性土的不排水强度是通过CPT获得的重要参数，一般采用如下的经验公式

式中：qt为修正的总的锥端阻力，σv0为上覆压力，Nkt为经验系数。

利用这一公式确定不排水强度的关键在于经验参数Nkt的取值。图2为南海某海域根据式(1)得到的土体不排水强度。其中图2(a)为Seabed CPT得到的不排水强度，图2(b)为Downhole CPT得到的不排水强度，以及与十字板强度的对比。从图中可以看到，对于Seabed CPT经验参数的取值为Nkt=15时两者吻合较好，而对于Downhole CPT取值为Nkt=20时两者吻合较好。实际工程中发现Downhole CPT 的Nkt经验取值普遍比一般的经验值偏高。

图1 Seabed CPT 和 Downhole CPTFig.1 The Seabed CPT and Downhole CPT

图2 CPT得到的不排水强度与十字板的比较Fig.2 The comparison of undrained strength from CPT and vane shear test

为了得到可靠的经验参数，人们进行了大量的工作，Fogru公司联合NGI曾经在北海展开了大量的试验研究，这些试验包括现场试验和室内三轴试验[7]。他们通过对比高质量的现场CPT试验以及经过严格筛选的高质量的并尽可能按照现场情况进行固结的土样进行三轴试验得到的结果获得相关的经验参数[8-9]。这些结果在北海的工程实践中取得了良好的效果。但需要指出的是，这种通过大量试验获得经验参数的方法具有一定的地域性，同时需要消耗大量的人力物力，而且给出的大都是一个范围值，因此对CPT贯入机理的深入研究对合理选择相应的计算参数大有裨益。为此，有必要对两种海上静力触探方法贯入时土体变化过程进行深入研究，本文采用数值模拟技术对两种不同贯入方式的静力触探在砂土中贯入过程的机理进行研究。

1 计算方法及参数选取

计算采用ABAQUS程序进行。CPT的贯入过程简化为轴对称问题。由于CPT的贯入过程为一连续的大变形过程，对有限元网格提出了较高要求，模拟难度较大。任意拉格朗日-欧拉法(ALE)可以有效地控制计算网格的扭曲与畸变，保证计算质量[10]，因此本文采用ALE法进行网格划分。为了处理锥头贯入过程中土体大变形问题，锥头与土接触采用了动态接触算法，这一算法基于ABAQUS中的主-从接触算法。对于主控面和从属面的选择，按照划分原则，选取刚度大的面作为主控面。锥头为刚性材料，刚度大于土体，所以选择锥头作为主控面，土体作为从属面；从属面节点不会穿透主控面，但是主控面节点可以穿透从属面。

静力触探仪的圆锥直径0.036 m，锥角60°，由于贯入锥头的刚度比土的刚度大得多，在分析中锥头简化为解析刚体。土体的模型大小为6.4 m×12 m，采用砂土的材料参数，砂土计算参数如表1所示。弹塑性模型采用D-P模型，流动法则采用相关联的法则。由于在砂土的静力触探过程中，超孔压对锥端阻力的影响不足10%[11]，则在本次分析中锥端阻力不考虑超孔压的影响。

表1 砂土基本物理力学指标Tab.1 Physical characteristics of sand

计算模拟两种不同的贯入方式。其中Seabed CPT采用直接贯入的方法，而Down-hole CPT则是先开挖，然后在开挖面进行贯入。为了做对比分析，两种贯入方式探头的贯入深度都为10 m，不同的是，Seabed贯入为一次进尺10 m，而Downhole贯入为0～7 m开挖(模拟钻孔)而后在7～10 m贯入，一次进尺为3 m。

2 数值模拟结果及分析

2.1数值模拟结果

2.1.1 初始位移场和应力场的区别

在模拟贯入过程之前，首先需要确定土体当中的初始位移场和应力场。图3(a)为Seabed CPT地应力场平衡后的位移情况，土体中的初始位移非常小，为10-7量级，达到了地应力场平衡的目的。而对于Downhole CPT，初始场不仅要考虑地应力平衡，还需要考虑钻孔取土(0～7 m)对地应力带来的影响。图3(b)显示了钻孔取土后土体中的位移场，可以看到，钻孔取土对周围土体产生了一定的影响。这种影响可以通过钻孔取土后土体中的剪应力场(图4)更加明显地观察到。

图3 两种模式的初始位移场Fig.3 The initial displacement field of two kinds of CPT

图4 钻孔取土后的剪应力云图Fig.4 The shear stress field of Downhole CPT after drilling

2.1.2 贯入过程竖向应力和位移场的区别

在确定初始状态以后，模拟CPT的贯入过程。对于Seabed CPT为从0～10 m的连续贯入，而对于Downhole CPT 贯入过程只发生在7～10 m。两种模式竖向应力存在明显差别。图5给出了两种贯入方式竖向应力随贯入深度增加的变化情况。由于Downhole的贯入只发生在7～10 m，所以只比较了7～10 m的变化情况。从图中可以看到，总体来说，Downhole CPT的单位竖向应力随锥头入土深度的增加有明显的增加，而Seabed CPT的竖向应力随深度变化平稳。在7～8 m处，Downhole CPT的竖向应力小于Seabed CPT的数值，超过8 m后，其数值则明显高于Seabed模式。

对于7～8 m处的差异可以考虑为钻孔取土的影响。由于钻孔取土属于卸荷作用，虽然孔径较小，但这种卸荷作用仍然会导致贯入点(7 m)周围土体应力水平的下降，从而使得贯入阻力减小。但这种原因无法解释贯入达到8 m以后两者的明显差异。为了探究产生这种差异的原因，对比分析了两者的位移矢量。

图5 竖向应力随深度变化的比较Fig.5 The comparison of the change of vertical stress with depth

图6 位移矢量图Fig.6 Displacement vector of two kinds of CPT

图6为Seabed CPT和Downhole CPT锥端7～10 m位置处的位移矢量。图中可以看到，对于Seabed CPT紧邻锥头的土体向侧下方移动，稍远的周围土体为水平向外移动，表现出明显的排挤效应。而对于Downhole CPT，可以看到紧邻锥头的土体向侧下方移动，而在周围一定范围内土体向斜上方旋转挤出，这种趋势在临空面表现的尤为明显。即周围土体除了表现出排挤效应以外还有比较明显的旋转滑动趋势。

2.2贯入过程机理分析

2.2.1 贯入过程位移状态的转换

为了对贯入过程有更加深入的了解，对连续贯入过程中位移场的变化进行跟踪分析。见图7。

图7(a)为锥头刚入泥阶段(d=0.1 m)，锥头下部土体受到挤压向下移动，泥面土体受到排挤向外挤出，周围土体回填，表现出明显的旋转滑动；当贯入深度达到3 m时(图7(b))，这种状态依然延续，泥面土体被挤出隆起，周围土体滑动回填；图7(c)为贯入达到d=10 m的位移矢量图，可以看到此时的泥面土体已经不再有明显的位移，周围土体均向下移动。这种位移状态的转变从土体的水平位移可以更加明显地看出，见图8。

图7 连续贯入过程位移矢量变化Fig.7 The change of total displacement vector

图8 水平位移矢量变化Fig.8 The change of horizontal displacement vector

图8显示，在d=0.1～3 m时，周围土体是向锥头方向移动，即处于滑动回填状态；而在d=10 m时，周围土体均向背离锥头的方向移动，表现为排挤状态。由此可见，在探头贯入过程中土体存在两种状态：滑动状态和排挤状态。位移矢量图显示，在入土初期滑动状态处于主导状态，随着入土深度的增加向排挤状态转换。在本文计算条件下，入土4 m以后，排挤状态开始控制土体的运动趋势。

2.2.2 贯入过程应力状态的转变

在不同的土体位移状态下，锥端竖向应力的分布也发生了相应变化。图9为锥端竖向应力随深度的变化情况。

图9 锥端竖向应力随深度变化Fig.9 The change of end resistance with the penetration depth

从图中可以看到，在连续贯入情况下(对应Seabed模式)在滑动状态起主导作用时，锥端竖向应力处于不断增加的过程，而在排挤状态控制下，锥端竖向应力变化平稳，趋于某一定值。这也就解释了Seabed 和Downhole不同模式下锥端阻力差异的原因。Seabed模式属于连续贯入模式，从地平面贯入开始，在达到一定深度后(本次计算为达到4 m)排挤状态处于控制地位，贯入阻力趋于平稳，达到某一定值。Downhole模式由于钻孔原因，探头每次入土只有3 m，仍然处于滑动状态控制范围，其竖向应力会随着入土的过程产生明显的递增。

为进一步说明应力的变化，分别计算了Downhole模式下，在开孔深度为4、7、10 m情况下的锥端竖向应力，并将结果与连续贯入情况(Seabed 模式)得到的锥端竖向应力进行了比较。图10为两种模式的贯入情况，图11为竖向应力的比较。

图10 不同贯入模式计算条件示意Fig.10 Sketch map of calculation conditions in different penetration models

图11 不同模式竖向应力比较Fig.11 The comparison of vertical stress in different models

从图11中可以看到，对于Seabed模式，贯入深度达到4 m后，锥端的竖向应力随深度不再产生明显的变化；而Downhole模式，由于取土卸荷，在各个深度的贯入初期，相同深度的贯入阻力稍小于Seabed模式。但随着贯入深度的增加，贯入阻力持续增长，很快就会超过Seabed模式同等深度处的土阻力。这也就是实际工程中经常发现Downhole CPT测得的锥头阻力要大于Seabed CPT的主要原因。

3 结 语

从实际工程中发现的问题出发，采用有限元模拟方法，对两种不同贯入方式的海上CPT贯入机理进行了研究。计算分析显示Downhole CPT的锥端阻力值要大于Seabed CPT锥端阻力值，这与实际工程中的情况相符。

有限元分析结果显示，在CPT贯入过程中存在两种位移状态，即滑动状态和排挤状态。在贯入初期滑动状态为主，土体中竖向应力随着深度的增加而呈明显递增趋势。贯入到一定深度(在本文的计算条件下，贯入4 m左右)后，排挤状态开始占据主导地位，竖向应力变化趋于平稳。

这种位移状态的转换解释了Seabed CPT和Downhole CPT锥端阻力差异的原因。在贯入深度较大时，Seabed CPT受排挤状态的控制，而Downhole CPT 仍然主要受滑动状态的影响。考虑到两种模式的不同贯入过程，这将导致Downhole CPT测得的锥端阻力偏大。由于现有的CPT计算公式基本上是建立在陆上CPT的经验之上，在利用已有的经验公式进行CPT数据处理时，应该考虑到不同模式之间的差异，慎重选择经验参数。

此外，由于滑动状态控制深度有限，也间接说明采用孔扩张理论近似模拟连续贯入CPT的合理性。

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Study on the penetration mechanism of Seabed CPT and Downhole CPT

LI Sa1,DAI Xu1,ZHOU Yangrui2,JIANG Baofan2

(1.Geotechnical Institution,Civil Engineering Department of Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Geophysical Division of China Oilfield Services Limited,Tianjin 300456,China)

TU413

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.005

1005-9865(2016)02-0035-06

2015-07-01

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2014CB046800)；国家重大专项资助任务(20112X05056-002-01)；上海交大国家重点实验室开放课题资助项目(1201)

李 飒(1970-)，女，天津人，博士，教授，主要研究海洋工程结构物与土相互作用。E-mail：lisa@tju.edu.cn