第3章　海上静力触探测试技术

3.1　概述

静力触探（CPT）技术在国内外海洋工程领域广泛使用，在海洋工程地质调查中起到了越来越重要的作用。CPT测试数据不仅可用于土层划分和土类判别，而且可用于估算黏性土的不排水抗剪强度、超固结比、灵敏度、砂土的相对密实度、内摩擦角、土的压缩模量、变形模量、饱和黏土不排水模量，还可以评价地基承载力、单桩承载力、判别砂土液化等。

与其他岩土工程测试技术相比CPT的优势体现在以下几个方面：①测试工作在现场原位进行，无需取样，对土体的扰动小；②测试结果和土的工程性质及土类有显著的相关关系，所以具有勘探和测试的双重作用；③可以采用电测技术，便于实现测试过程的自动化，测试结果可由计算机自动处理，大大减轻了工作强度；④测试数据精度高，再现性好，重复性误差小；⑤触探探头内可以安装多种传感器，因而测试功能多。

随着CPT设备的不断改进和发展，测试精度也不断提升，用于水上作业的静力触探设备不仅可在浅水作业，同时也可在深水作业，设备的改进、探头测试精度的提高和越来越多新的传感器的研制和开发，将提供更加可靠的测试结果和更多的测试数据。

3.1.1　静力触探测试技术发展历程

3.1.1.1　机械式静力触探

1932年，荷兰工程师Barentsen进行了世界上第一个静力触探试验。1936年，Barentsen改进了静力触探设备，将探头做成投影面积100cm2、锥角为60°的锥形，通过手动贯入，最大贯入深度为10～12m。1935年，荷兰Delft土力学试验室Huizinga第一次设计并使用了手动控制的贯入力达10t的静力触探装置，称为荷兰锥。1948年，Vermeiden和Plantema改进了荷兰锥，在探头上方增加了锥形保护部分，以防止土从套管和钢杆之间进入探头。1953年，Begemann设计出可以量测侧壁摩阻力的摩擦套，这样即可以量测锥尖阻力，也可以测量侧摩阻力，同时他首次提出了通过计算侧壁摩阻力和锥尖阻力的比值来对土体进行分类。

我国在20世纪30年代也出现了机械式荷兰静力触探仪，1954年陈宗基教授从荷兰引进了该项技术，并在黄土地区进行了试验和研究。

机械式静力触探设备简单、方便、实用，直到现在还在应用并且积累了大量的实测资料和经验公式。在均质土体中进行静力触探，机械式静力触探得到的数据是比较准确的，但是这个过程中对机械设备和操作人员的经验都要求较高，这也是机械式静力触探的缺点。在软土中，通过机械式静力触探数据分析土的性质，其准确度较差。在分层密集的土体中，单纯依靠机械式静力触探判断土的性质也较难实现。

3.1.1.2　电测式静力触探

电测式静力触探仪最开始由德国科学家在第二次世界大战期间研制，其基本的工作原理是：探头的信号（单桥、双桥或三桥）通过屏蔽电缆送入测试仪，经过信号的放大与滤波处理，获得与被测量成正比的模拟电压信号，然后由模数转换单元转换为数字量。相比与机械式触探设备，电测试触探设备主要有以下几个方面的优点：①消除了机械式静力触探仪中内杆和套筒之间的摩擦对测试结果的解释造成的误差；②电测式静力触探在连续的贯入过程中不需要再考虑锥头不同部件之间的转换运动，同时也消除了不良土体对锥尖阻力的影响；③采用灵敏性较高的电子仪表计，不仅可以正确划分地基中软硬不均的土层的空间位置，而且不需经过土工试验室便可直接在现场测试土的强度及变形模量。

1948年，荷兰市政工程师Bakker研制出世界上第一个电测式探头（Rotterdam cone），从1949年开始，荷兰DELFT土力学试验室对电测式静力触探作了大量的试验研究，并且在1957年研制出了第一个可以独立测量侧壁摩阻力的电测式探头。为了应用机械式静力触探积累的大量经验，该试验室还对电测式和机械式两种不同的测试方式做了对比研究。1965年，荷兰Fugro公司联合荷兰国家研究中心（TNO）研制推出了一种电测式探头，该探头的规格也是国际土力学与基础工程学会确立的标准规格。后又在该探头中加入了倾斜仪，可以监测贯入过程中锥头垂直度的偏差。

3.1.1.3　孔隙水压力静力触探

孔隙水压力静力触探（CPTU）于20世纪70年代末研制成功，它是在标准电测式圆锥静力触探（CPT）贯入仪的探头中安装上透水装置及量测孔隙水压力的传感元件，这样既可以得到锥尖阻力和侧壁摩阻力，还可以测试到土中的孔隙水压力。可以测试到贯入引起的超孔隙水压力，以及探头停止贯入时超孔压随时间的消散过程，直至达到稳定的静水压力。

1974年，在瑞典首都斯德哥尔摩召开的第一届欧洲静力触探会议上，由挪威土工研究所（NGI）的Janbu和Senneset提出通过传统的电测式静力触探方式量测孔压。Schmertmanu提出了在锥头贯入过程中量测贯入孔压，同时也阐述了在CPT数据处理过程中，孔压修正的重要性。1975年，瑞典的Torstensson和美国的Wissa各自独立的研制了在触探过程中可专门量测孔隙水压力的探头，从这些探头量测的结果中发现孔压静探探头反应灵敏，因此能测试薄夹层较多及结构性强的土层，能真实地反映土体的特性。1978年，Schmertmanu基于Wissa开发的锥角为60°的探头，将透水滤器安装在探头的端部，研究孔压静力触探在砂土液化势评价中的应用；1980年，Baligh等使用了相同的探头做了同样的试验，只是透水滤器安装在探头的不同部位，并通过与静力触探的数据进行对比，发现了孔压静力触探在土体分层和黏土的超固结比计算中准确度更高。1980年，Roy等首次提出了在同一个探头中进行锥尖阻力和孔隙水压力的量测，并在加拿大灵敏性较高的黏土中进行了现场测试，研究透水滤器安装在探头的不同位置对测试结果的影响。

近年来，随着孔压静力触探测试技术的大量使用，极大提高了静力触探的用途，尤其是可以估算土体的固结和渗透系数，成为原位测试技术的重大进展。在国外，孔压静探已在岩土工程勘察中占据主导地位，是获取土工设计参数的有效手段，得到迅速推广。

我国在1985年开始引进孔压静探仪，之后许多高等院校、科研院所及勘测单位相继进行了孔压静探的测试和研究。南京水利科学研究院、同济大学、中国地质大学、铁道科学研究院、铁道部第四勘测设计院等单位都做出了较大的贡献，使孔压静探在国内逐渐开始应用到工程实践中。

但是，国内长期以来依然是单桥静力触探占统治地位，孔压静力触探和双桥静力触探的应用都较少，只有少数单位才应用到孔压静力触探。造成这种情况的主要原因是单桥静力触探在我国应用历史长，经验公式多，相关的规范早己将其列入其中，而双桥和孔压静力触探在我国应用历史短，经验公式少，20世纪70年代末才被相关规范认可。同时孔压静力触探的设备复杂、进口价格较高也是其未能大范围应用的原因。现在，随着对孔压静探研究的深入，我国已经能够自行研制生产出性能稳定可靠、价格经济合理的国产孔压探头，使大范围推广和使用孔压静力触探成为可能，并逐步走向规范化和标准化。

3.1.2　深海静力触探

20世纪60年代开始出现了用于水下的静力触探装置，历经70年代和80年代的发展，实现了在浅海、近海和深海进行静力触探试验，研发了小型自升式平台、套管式平台、海底沉放式、浅孔钻触式和潜水舱式等多种类型的海洋静力触探设备，其中以荷兰发展最早，使用最广。

1965年前后，荷兰和法国都开始用小型自升式平台进行静力触探试验，但是触探深度仅5m左右。1966年，荷兰Fugro公司研制了名为“Seaball”的海床式触探机以及名为“Wison”型的绳索式井下静力触探。1972—1974年，荷兰Fugro公司又在“Seaball”海床式触探机的基础上增加了可以提供支承反力的海底盘，改进成新的名为“Seacalf”的海床式触探机，其工作水深可达300m，触探深度20～40m；同时对“Wison”I型绳索式井中静力触探进行改进，研制成名为“Wison”MK型绳索式井中静力触探设备（工作水深及触探深度总计400m）。

1974—1976年，荷兰与挪威合作设计和试验了潜水舱式触探机，其工作水深200m，触探深度60m。1977年，荷兰试验了套管式平台触探装置，其工作水深200m，最大贯入力为20t。同年，英国与挪威合作发展了名为“Strigraz”型海底沉放式钻探触探设备，其工作水深30m，触探深度20m。

1978年，前苏联水文地质工程地质研究所设计制造了一种静力触探设备工作水深50m，触探深度20m，钻杆传动力100kN，探头最大正面阻力为100kg/cm2。1982年，加拿大海湾资源公司在大陆架成功地试验了一种新型的静力触探设备。该套设备不仅可以测量锥尖阻力，而且可以测量孔隙水压力。这套设备相对于以前的设备有两个重要的不同点：①用数字编码超声波系统把探头测得的数据传送到表面记录装置，是一种无线缆系统：②探头后面注入泥浆减少探杆摩擦，使其在压入海面以下71m的情况下仅需要5t的反力。

除荷兰以外，美国自20世纪70年代以来，在海上静力触探应用研究方面发展迅速。例如，美国制造了应用于海洋勘探的圆锥静力触探，并在水深超过1200m的马里亚纳海沟沉积层中试验成功。

目前国际上较为知名的深海海床式CPT系统（图3.1.1）主要有：荷兰范登堡公司开发的ROSON系列，最大工作水深4000m；Geomil公司开发的MANTA系列，最大工作水深2000m；Datem公司开发的Neptune　5000系统，最大工作水深3000m；荷兰Fugro公司开发的SEACALF系统，最大工作水深4000m。

3.1.3　我国海洋静力触探的发展历程

我国海洋工程领域静力触探技术发展始于1973年，中国科学院海洋研究所成功研制了一杆到底的海床式水下静力触探设备，将触探设备沉入海底并利用压块提供反力，触探深度可达7m，最大测试承载力33t/m2，适用于0～50m水深的淤泥质地层。

1976—1981年，交通部下属研究单位利用试桩桩脚，控制简易水上触探平台，进行过几次水上静力触探试验，工作水深4.5～20m，平均贯入深度约20m，最深31m，但绝大部分贯入设备由于水面到泥面间探杆失稳、折断而停止作业。这种装置只能在试桩存在的前提下才能进行资料的对比，无法在工程前期作为专门装置进行大量试验。

2003年，中国船舶工业勘察设计院结合MJ－Ⅱ型顶压式静探机和静探平台研制出水域静力触探平台。2005年，吉林大学工程技术研究所开发出“浅海域海底静力触探测试系统”，采用柔性卷绕探杆连续贯入方式，最大工作水深55m，最大测试深度15m。2001—2005年，广州海洋地质调查局主持的国家“863”项目“海底土体原位静动态探测技术”，研制出以管内液压推进系统为关键技术的海洋静力触探设备，工作水深可达100m，触探深度可达120m，填补了国内空白。

纵观国内海上静力触探技术的发展情况可知，国内的静力触探设备总体上的工作水深较浅，触探深度不大，实测数据资料较少，大部分仍处于研究阶段，能真正应用于工程建设的设备多依赖引进国外技术。