本站原创
摘要：通过对广东珠江口伶仃洋水域某海上风电场软土地层中进行的静力触探试验和十字板剪切试验成果的对比分析，阐明该地区十字板不排水抗剪强度Cu与静力触探锥尖阻力qc之间存在一定的线性相关关系，经过对试验数据的回归分析，建立了二者之间的定量关系公式，减少了该工程后续勘测工作量，亦可为该地区其它海洋工程提供经验借鉴。
关键词：软土 静力触探试验 十字板试验 相关性 回归分析
1 引言
全球经济迅速发展，能源需求与日俱增，化石能源日渐枯竭，全球环境污染日益加剧， 寻求新的可再生清洁能源成为21世纪的最重要课题。随着风电事业的快速发展，可开发的陆地风能资源越来越少。海上风场因风力资源稳定性强，湍流强度小，风能强劲，可减少土地资源的占用，噪声污染小等诸多优势受到各国的普遍重视。广东省沿海风能资源丰富，具备海上风电规模开发的场地和效益，潜力巨大，海上风电业务近年来发展迅速。国内外的实践表明，桩基是海洋工程中应用最广泛的一种结构形式。在海上风电工程中，桩基不仅要承受轴向荷载还要承受水平荷载，为了进行桩—土应力分析，就需要提供合理、准确的岩土参数。工程实践表明，静力触探试验（CPT）及十字板剪切试验（VST）这两种试验方法是适合于软土地层勘察和获取强度力学参数的最为有效、可靠的原位测试手段之一。由于土体的性质和受力机理的复杂性，以及地域的差异性和试验技术本身的限制，两种不同测试结果之间很难建立一种普遍适用的理论关系公式。但在小范围区域之内，根据足够多的测试样本，可建立十字板剪切强度Cu与静力触探比贯入阻力ps或锥尖阻力qc之间的一种经验关系公式[2-4]，作为设计依据或其它工程的借鉴。
本文通过对广东某海上风电场软土地层中进行的大量十字板剪切试验和孔压静力触探试验成果进行统计分析，从中找出二者之间的联系，建立相关方程，获得适合该地区的十字板不排水抗剪强度Cu与静力触探锥尖阻力qc的经验关系公式。
该工程场地内进行的静力触探试验采用WSY型静力触探液压机，其最大贯入力为20T，探杆直径36mm；使用双桥探头，探头的规格：锥底直径43.7mm，锥底面积15cm2，有效侧壁长度300mm，锥角60°，探杆直径36mm ；数据采集系统采用LMC-D310型静探微机（江苏省溧阳市应用计算机厂研制生产），共完成触探孔5个，试验总进尺为158.9m，采集数据间距为0.1m；十字板剪切试验设备采用电测十
字板，板头型式为矩形，规格为100×50×2mm，径高比为1:2。探杆直径28mm，十字板剪切器型号为SHZB，数据采集系统采用LMC-D310型静探微机，完成5个钻孔的试验，孔内试验点间距为1.0m，共进行剪切试验107次。为了减少由于土层的变化造成试验产生误差，以保证试验结果的可对比性，十字板剪切试验与静力触探试验孔位间距控制在5~8m以内。
表1GK10孔软土层Cu与qc试验成果
图1 Cu与qc回归曲线分析
检测定Cu与qc之间存在线性关系式y=ax+b，由最小二乘法原理解得：
可以得到Cu=0.1121qc-0.0082。统计分析的相关系数R=0.91，回归方程的拟合程度较好.
表2 海上风电场区十字板剪切强度计算值与实测值的对比
从表2中可以看出，十字板剪切强度的实测值与通过利用公式Cu=0.1121qc-0.0082的计算值较为接近，相对误差一般在10%以内，表明了广东该海上风电场场地软土层的十字板剪切强度Cu与静力触探锥尖阻力qc之间的回归线性方程的可靠性。
国内外很多科研机构都进行过利用静力触探试验确定软土的不排水抗剪强度的试验研究，根据不同的地区分别建立了一些区域经验公式[2-5]，比如国内的广州、上海、南京等地区的经验公式见表3。
表3 不同地区软土层原位测试成果相关性公式
从表3可以看出，各地区十字板剪切强度与静力触探比贯入阻力ps和锥尖阻力qc之间关系公式相关性良好（双桥锥尖阻力qc与单桥探头的比贯入阻力ps转换关系按《铁路工程地质原位测试规程》（TB10018-2003）或《建筑地基基础检测设计规范》（DBJ 15-60-2008）提出的转换公式进行换算：ps=1.1×qc），但受软土的成因、分布区域等因素影响，不同地区软土层性质的差异性很大，难有统一的固定关系式。并且由于海洋工程与传统的陆域工程中场地软土形成条件等方面存在差异，所以广东该海上风电场地区所建立的软土层关系公式与其它地区的经验公式有一定的差异性，但曲线的基本趋势是相同的，能够反映出该区域软土层的特点。
5 结语
通过对所获得的大量十字板剪切试验和静力触探试验数据回归统计分析的基础上，建立符合广东该海上风电场区域软土特点的强度关系公式Cu=0.1121qc-0.0082，可为该场地Cu-qc数据的换算提供依据，也可为该区域其它海洋工程淤泥类软土的此类关系换算提供参考和借鉴。另外，单靠十字板剪切试验仅能测定软土层垂直方向的不连续的不排水抗剪强度，而利用该公式可以通过静力触探试验推算出土体连续的不排水抗剪强度，能够反映土层连续的力学变化规律及变化趋势，可为勘测设计人员提供连续软土层的岩土设计参数，亦能大幅减少后续的勘测工作量及勘测成本，具有重要的借鉴意义。
参考文献：
李晓燕，余志．海上风力发电进展[J]．太阳能学报，2004，25( 1): 78- 84．
杨军红，熊磊．长江三角洲软土原位试验结果相关性分析[J]．土工基础，2010，24(1)，79-81．
[3]李承海，张德波．广州南沙软土十字板剪切强度与比贯入阻力的对比试验分析[J]．人民珠江，2004，(2)，24-25．
[4](DGJ08-37-2002， J10206-2002)上海市建设规范， 岩土工程勘察规范[S]．
[5]孟高头．土体工程勘察原位测试及其工程应用[M]．北京：地质出版社，1992．
[6]王小明，汪华安，罗长保．越南某滨海电厂软土原位测试成果相关性研究[J]．电力勘测设计2011，(4)，5-7，10．
[7]林鹤云，郭玉敬等．海上风电的若干关键技术综述[J]．东南大学学报（自然科学版），2011，41(4)，882-888．
[8](TB10018-2003) 铁路工程地质原位测试规程[S]．
[9](DBJ 15-60-2008) 建筑地基基础检测设计规范[S]．
关键词：软土 静力触探试验 十字板试验 相关性 回归分析
1 引言
全球经济迅速发展，能源需求与日俱增，化石能源日渐枯竭，全球环境污染日益加剧， 寻求新的可再生清洁能源成为21世纪的最重要课题。随着风电事业的快速发展，可开发的陆地风能资源越来越少。海上风场因风力资源稳定性强，湍流强度小，风能强劲，可减少土地资源的占用，噪声污染小等诸多优势受到各国的普遍重视。广东省沿海风能资源丰富，具备海上风电规模开发的场地和效益，潜力巨大，海上风电业务近年来发展迅速。国内外的实践表明，桩基是海洋工程中应用最广泛的一种结构形式。在海上风电工程中，桩基不仅要承受轴向荷载还要承受水平荷载，为了进行桩—土应力分析，就需要提供合理、准确的岩土参数。工程实践表明，静力触探试验（CPT）及十字板剪切试验（VST）这两种试验方法是适合于软土地层勘察和获取强度力学参数的最为有效、可靠的原位测试手段之一。由于土体的性质和受力机理的复杂性，以及地域的差异性和试验技术本身的限制，两种不同测试结果之间很难建立一种普遍适用的理论关系公式。但在小范围区域之内，根据足够多的测试样本，可建立十字板剪切强度Cu与静力触探比贯入阻力ps或锥尖阻力qc之间的一种经验关系公式[2-4]，作为设计依据或其它工程的借鉴。
本文通过对广东某海上风电场软土地层中进行的大量十字板剪切试验和孔压静力触探试验成果进行统计分析，从中找出二者之间的联系，建立相关方程，获得适合该地区的十字板不排水抗剪强度Cu与静力触探锥尖阻力qc的经验关系公式。
2 场地工程地质条件
广东某海上风电场属于近海风电场，场址区位于伶仃洋水域，近场区分布有大大小小8个岛屿，以低丘为主。场区海底地貌形态简单，水深值介于4.3m至13.2m之间，地形方向总体上呈近SN~NNE方向伸展，在岛屿附近地形坡降变化明显，最大坡角约13.2º。根据勘测成果，场区内地层上部主要为全新统～更新统海相、陆相、河流相、海陆交互相沉积层、残积层，其厚度受基岩面标高及海平面侵蚀深度控制，基岩为燕山三期花岗岩。软土层在场地内分布广泛，厚度大，厚度范围为13.3m～36.0m，平均厚度23.1m，富含有机质，饱和，主要呈流塑状态，局部软塑。其沉积时间短，局部混粉细砂颗粒，结构疏松，强度较低。3 测试成果分析
3.1试验仪器与工作量该工程场地内进行的静力触探试验采用WSY型静力触探液压机，其最大贯入力为20T，探杆直径36mm；使用双桥探头，探头的规格：锥底直径43.7mm，锥底面积15cm2，有效侧壁长度300mm，锥角60°，探杆直径36mm ；数据采集系统采用LMC-D310型静探微机（江苏省溧阳市应用计算机厂研制生产），共完成触探孔5个，试验总进尺为158.9m，采集数据间距为0.1m；十字板剪切试验设备采用电测十
字板，板头型式为矩形，规格为100×50×2mm，径高比为1:2。探杆直径28mm，十字板剪切器型号为SHZB，数据采集系统采用LMC-D310型静探微机，完成5个钻孔的试验，孔内试验点间距为1.0m，共进行剪切试验107次。为了减少由于土层的变化造成试验产生误差，以保证试验结果的可对比性，十字板剪切试验与静力触探试验孔位间距控制在5~8m以内。
3.2试验成果的回归分析
该场地内积累了大量的原位测试数据，统计分析时，首先根据十字板剪切试验位置的深度，找出同一孔位静力触探试验对应深度处的试验数据，其后根据触探曲线剔除突变或者地层夹层位置的试验数据，这些位置的两种测试成果对比性差，为异常数据。参与统计分析的有效数据可见表1所示的GK10孔十字板剪切强度值与对应深度处静力触探锥尖阻力值。源于：大学生论文查重www.udooo.com
将经过筛选的GK02、GK08、GK10及GK12钻孔的64组十字板剪切强度Cu与对应深度静力触探锥尖阻力qc值绘制成图，见图1。从图中可以看出，场地静力触探锥尖阻力qc值多为0.10MPa～0.50MPa，二者之间存在一定的线性变化关系，可用一元线性回归分析获得二者之间的关系公式。表1GK10孔软土层Cu与qc试验成果
图1 Cu与qc回归曲线分析
检测定Cu与qc之间存在线性关系式y=ax+b，由最小二乘法原理解得：
可以得到Cu=0.1121qc-0.0082。统计分析的相关系数R=0.91，回归方程的拟合程度较好.
4 回归方程的检验
为了检验该回归方程的准确性，以便更好地应用于该工程的后续工作和为其它工程积累经验，利用该回归方程，对该海上风电场区GK03钻孔中进行的十字板剪切试验、静力触探试验以及室内试验成果进行对比。利用回归公式计算的十字板剪切强度值和原位测试实测值对比情况见表2。表2 海上风电场区十字板剪切强度计算值与实测值的对比
从表2中可以看出，十字板剪切强度的实测值与通过利用公式Cu=0.1121qc-0.0082的计算值较为接近，相对误差一般在10%以内，表明了广东该海上风电场场地软土层的十字板剪切强度Cu与静力触探锥尖阻力qc之间的回归线性方程的可靠性。
国内外很多科研机构都进行过利用静力触探试验确定软土的不排水抗剪强度的试验研究，根据不同的地区分别建立了一些区域经验公式[2-5]，比如国内的广州、上海、南京等地区的经验公式见表3。
表3 不同地区软土层原位测试成果相关性公式
从表3可以看出，各地区十字板剪切强度与静力触探比贯入阻力ps和锥尖阻力qc之间关系公式相关性良好（双桥锥尖阻力qc与单桥探头的比贯入阻力ps转换关系按《铁路工程地质原位测试规程》（TB10018-2003）或《建筑地基基础检测设计规范》（DBJ 15-60-2008）提出的转换公式进行换算：ps=1.1×qc），但受软土的成因、分布区域等因素影响，不同地区软土层性质的差异性很大，难有统一的固定关系式。并且由于海洋工程与传统的陆域工程中场地软土形成条件等方面存在差异，所以广东该海上风电场地区所建立的软土层关系公式与其它地区的经验公式有一定的差异性，但曲线的基本趋势是相同的，能够反映出该区域软土层的特点。
5 结语
通过对所获得的大量十字板剪切试验和静力触探试验数据回归统计分析的基础上，建立符合广东该海上风电场区域软土特点的强度关系公式Cu=0.1121qc-0.0082，可为该场地Cu-qc数据的换算提供依据，也可为该区域其它海洋工程淤泥类软土的此类关系换算提供参考和借鉴。另外，单靠十字板剪切试验仅能测定软土层垂直方向的不连续的不排水抗剪强度，而利用该公式可以通过静力触探试验推算出土体连续的不排水抗剪强度，能够反映土层连续的力学变化规律及变化趋势，可为勘测设计人员提供连续软土层的岩土设计参数，亦能大幅减少后续的勘测工作量及勘测成本，具有重要的借鉴意义。
参考文献：
李晓燕，余志．海上风力发电进展[J]．太阳能学报，2004，25( 1): 78- 84．
杨军红，熊磊．长江三角洲软土原位试验结果相关性分析[J]．土工基础，2010，24(1)，79-81．
[3]李承海，张德波．广州南沙软土十字板剪切强度与比贯入阻力的对比试验分析[J]．人民珠江，2004，(2)，24-25．
[4](DGJ08-37-2002， J10206-2002)上海市建设规范， 岩土工程勘察规范[S]．
[5]孟高头．土体工程勘察原位测试及其工程应用[M]．北京：地质出版社，1992．
[6]王小明，汪华安，罗长保．越南某滨海电厂软土原位测试成果相关性研究[J]．电力勘测设计2011，(4)，5-7，10．
[7]林鹤云，郭玉敬等．海上风电的若干关键技术综述[J]．东南大学学报（自然科学版），2011，41(4)，882-888．
[8](TB10018-2003) 铁路工程地质原位测试规程[S]．
[9](DBJ 15-60-2008) 建筑地基基础检测设计规范[S]．