谈海上风电项目标准贯入试验击数的修正方法

张 长 飞

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003)

1 概述

近年来，海上风电成为风电开发的热点，海上风电开发具有风力资源丰富、不占用陆地、发电利用时间长、适宜大规模开发等特点。海上风电潜力巨大，在国家政策引导下，海上风力发电得到了长足发展。海上风电勘察作为项目建设的关键性环节，显得尤为重要。

海上风电勘察是通过勘探、测试、分析等手段为风电建设提供必要可靠的海底岩土及环境特征，查明海上结构物影响范围内的岩土层分布及其物理力学性质，为风机组基础设计、海上施工、安装提供科学依据。标准贯入试验作为一种原位测试手段，应用极为广泛，根据标准贯入试验击数可确定：黏性土的状态和无侧限抗压强度；砂土的密实度和内摩擦角；各类土的容许承载力；全风化岩与强风化岩的判别；判别砂土的液化；预制桩的可打性分析等。标准贯入试验在海上风电勘察项目中也有很多应用，海上施工区域风浪较大，水深一般在几米到几十米，这种环境导致海上标准贯入试验相较于陆上标准贯入试验，可靠性降低。本文将依托于工程实例，对试验N值的影响因素及修正方法进行分析，以期对提升海上标准贯入试验的可靠性有所帮助。

2 标准贯入试验N值影响因素及修正

2.1 风浪影响

海上标准贯入试验的测试环境较为复杂，受风浪影响较大，风浪作用会使得施工船体不稳，导致试验过程中出现落锤距离变化以及试验探杆倾斜，落锤与探杆之间产生摩擦力，进而影响试验的准确性[1]。根据多年的海上工作经验，采用1 000 t以上的勘探船，在风力在5级以下，浪高1.5 m以下环境作业时，勘探平台受到的风浪扰动相对较小，此时标准贯入试验受风浪的影响相对较小；根据最新的海上勘察技术手段显示，采用自升式勘探平台也是降低风浪影响的有效办法，这种工况下进行标准贯入试验可有效降低风浪对试验结果的影响，较大的提高标准贯入试验的可靠性。

2.2 探杆长度的影响

海上施工区域水深的影响导致试验杆长增大，且风电勘探孔较深，一般为几十米，特殊情况时杆长近百米，探杆长度对标准贯入试验结果的影响不可忽视。对于标准贯入试验杆长修正，长期以来存在两种理论，即牛顿弹性碰撞理论和弹性杆波动理论[2,3]。两种理论均采用N′=αL·N(其中，N′为经杆长修正后的标准贯入试验击数；αL为杆长修正系数)作为杆长修正公式，只是不同的修正方法对应的杆长修正系数不同。

GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009版)[4]规定应用N值是否修正和如何修正，应根据建立统计关系的具体情况确定。

福建省地方标准DBJ 13—84—2006岩土工程勘察规范[5]规定，考虑到过去的许多工程特性指标是与经杆长修正的N值建立经验关系；当杆长大于21 m时的校正系数计算公式是来自于《水工建筑勘察》，它是以GBJ 7—89地基基础设计规范[6]中的α值为依据，用多项式拟合曲线，分别得到杆长小于21 m和大于21 m的校正系数。DBJ 13—84—2006提出N′=α×N(α为触探杆长度校正系数，可按表1确定)。

表1 触探杆长度修正系数

通过对比不同的杆长修正方法，并结合以往的工作实践情况，本文建议杆长修正系数采用αL=1-0.005L，其中,L为探杆长度，这种修正方法见于日本《桥梁下部构造设计施工基准》中“桩基设计篇”(以下简称桩基公式)，该方法打破了牛顿弹性碰撞理论适用的界限(20 m)，适用于海上标准贯入试验的杆长修正。

2.3 土的自重压力的影响

Gibbs和Holtz(1957)根据室内试验结果，得出砂土自重压力(上覆压力)对标准贯入试验结果有很大影响。目前国际上采用较多的为Liao和Whitman(1986)提出的上覆土压力修正公式：N′=CN·N，其中,CN=2.2/(1.2+σv/Pa);σv为有效上覆土压力;Pa为大气压强(100 kPa)。

2.4 地下水位的影响

Terzaghi & Peck(1953)提出对于有效粒径在0.1 mm～0.05 mm内的饱和粉、细砂，当其密度大于某一临界值时，标准贯入试验时，其准入阻力将会偏大，相应于此临界密度的标准贯入击数为15。因此，在砂类土中当N值大于15时，按照N′=15+1/2(N-15)进行修正。这种修正的意义在于区别砂土不同的湿度状态，对于海洋地质勘察，砂土层都处于饱和状态，海上标准贯入试验作这种修正的意义不大，故在工程实践中无需进行该类地下水位修正计算。

3 工程实例验证

对于海上标准贯入试验而言，获得合理可靠的标准贯入试验数据对工程的可靠性和经济性具有重要意义。而杆长修正对试验值的修正尤为重要，本文仅对杆长修正方法进行论证。杆长修正系数采用日本桩基公式中建议的方法：αL=1-0.005L。

研究中发现黏性土的标准贯入试验击数与无侧限抗压强度呈线性比例关系，且与黏性土的稠度指标有对应关系。

根据标准贯入试验击数修正方法，黏性土层的标准贯入试验成果主要受到杆长的影响。该层土进行标准贯入试验，杆长达到80 m以上，按照2.2节的修正方法对⑦层黏土的标准贯入试验击数进行修正(见表2)，标准贯入试验修正击数N′与对应土层的无侧限抗压强度qu存在较为稳定的线型比例关系(见图1)，证明采用标准贯入试验判别地基土性质是合理的。

表2 N，N′与qu的关系

通过对标准贯入试验数据、无侧限抗压强度进行统计(见表3)，标准贯入试验击数实测值介于35.00击～50.00击，平均值为42.29击，根据DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范[7]中关于黏性土稠度状态的经验判定(见表4)，对应的状态为坚硬；根据Terzaghi和Peck提出的N与qu的关系(见表5)[8]，无侧限抗压强度的经验值超过400 kPa。这与试验数据287 kPa(平均值)相差甚大，与实际情况不符。

而采用2.2节的修正方法得到的标准贯入试验击数实测值介于23.90击～28.30击，平均值为23.90击，根据DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范中关于黏性土稠度状态的经验判定(见表3)，对应的状态为硬塑；根据Terzaghi和Peck提出的N与qu的关系(见表4)，无侧限抗压强度的经验值为200 kPa～400 kPa。这与试验数据287 kPa(平均值)是一致的。

表3 标准贯入试验数据及无侧限抗压强度统计

表4 黏性土状态按N分类

表5 N与稠度状态和无侧限抗压强度的关系表

通过以上对比分析，证明采用2.2节的杆长修正方法是比较合理的，能有效的修正标准贯入试验击数。

4 结语

海上标准贯入试验成果的可靠性主要受风浪、探杆长度、土的自重压力、地下水等因素的影响，本文通过搜集对比前人的试验资料，提出较为合理的海上标准贯入试验修正的方法，依托福建某海上风电工程，以室内试验和标贯数据为基础，通过数理统计和计算分析，佐证修正方法的合理性。

标准贯入试验是一种经验性的原位测试方法，对于标准贯入试验的修正方法是基于理论方法获得的，但是能否与实际完美契合，要通过大量的实践去证明，本文仅通过作者的实践过程佐证了文章中所提出的修正方法的合理性，具有一定局限性，在今后的工作中，需要更多的工程数据对修正方法进行不断论证，以期获得更加可靠的修正方法。