前沿 | 海洋原位测试技术理论与工程应用

随着我国沿海经济的飞速发展、“一带一路”倡议的提出以及《全国海洋经济发展“十三五”规划》的颁布，海上风电、跨海大桥、海底隧道、海洋石油钻井平台、海水发电、海底管线铺设、围海造陆和海洋核能等海上工程项目不断增多，海洋工程不断壮大充实。海洋工程由传统工程项目向新型工程项目转变，并逐渐由近海、浅海向远海、深海发展，项目规模也在不断扩大，这对海洋工程的敏感性、安全性与耐久性提出了更高的要求。

随着我国沿海经济的飞速发展、“一带一路”倡议的提出以及《全国海洋经济发展“十三五”规划》的颁布，海上风电、跨海大桥、海底隧道、海洋石油钻井平台、海水发电、海底管线铺设、围海造陆和海洋核能等海上工程项目不断增多，海洋工程不断壮大充实。海洋工程由传统工程项目向新型工程项目转变，并逐渐由近海、浅海向远海、深海发展，项目规模也在不断扩大，这对海洋工程的敏感性、安全性与耐久性提出了更高的要求。

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海洋土是自然历史产物，复杂多变，因此岩土工程参数的确定与合理设计既是海洋工程建设的关键，也是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高工程经济效益和社会效益的核心问题之一。

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钻孔取样、室内试验会造成试样扰动，试验结果难以反映海洋土的真实状况，而海洋原位测试技术是在海洋底部原位评价地基岩土工程性质的方法，它无须取样、简便快捷、真实可靠，是获得岩土工程参数的有效方法。

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土力学之父 Terzaghi 在他最后5 年发表的著作中提出了最重要的观点：“土力学或岩体力学中未解决的大部分问题，与其依靠理论研究或室内试验来解决，还不如在野外现场通过认真而精细的观察、调查与测试，获得解决”。中国科学院院士沈珠江在1996 年就曾明确指出“要获得可靠的土质参数，只有通过原位测试”。

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图片来源：pixabay

自 20 世纪 90 年代以来，各种原位测试技术朝着多功能、数字式、智能化方向发展，原位测试在岩土工程设计中得到了广泛应用和进一步的发展。而我国在20世纪60～70年代就开始相继研发原位测试装备，例如，王钟琦教授于1964 年独立地成功研制出我国第一台电测式单桥静力触探仪；周镜院士于1979 年系统研究了静力触探（cone penetration testing，CPT）在铁路系统中的应用和工作机理；孟高头教授、张诚厚教授等分别于1992年、1997年开展了孔压静力触探（piezocone penetration testing，CPTU）的试验研究。

但 20 世纪 80 年代以后，国内在原位测试技术方面的研究进展缓慢，在理论研究、设备研发和工程应用水平等方面与欧美先进国家存在明显差距，尤其是海洋原位测试装备发展缓慢，大大限制了各种原位测试技术在海洋工程中应用的广度和深度。

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近年来，国内专家学者广泛关注国际上 CPTU 等原位测试技术的发展动态，加强了基于原位测试技术的研发及工程设计应用研究，例如，东南大学刘松玉教授团队于2015 年自主研发了多功能CPTU 测试系统，并针对土的结构状态、强度、变形、渗透固结和动力参数开展了系统的原位测试研究，为促进我国原位测试技术达到国际水平奠定了基础。

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2005 年，我有幸在刘松玉教授的指导下攻读博士学位，以原位测试CPTU 技术为研究对象的博士论文《现代数字式多功能CPTU 技术理论与工程应用研究》被评选为2012 年全国百篇优秀博士学位论文。刘松玉教授不仅是我的学术导师，更是我的人生导师，在此对刘松玉教授表示深深的敬意与感谢！本人自留校工作以来，先后获得了4 项国家自然科学基金项目（41202203、41672294、41877231、42072299）的资助，开展了孔压静力触探（CPTU）、全流触探（full flow penetration testing，FFP）与自落式动力触探（free fall penetration testing，FFT）等原位测试技术的系统研究。《海洋原位测试技术理论与工程应用》即根据这些研究成果并参考吸收了国内外最新成果撰写而成。

本书既注重海洋原位测试技术的理论机理分析，又强调其工程应用要求，既反映当前最新成果，又注重发展过程，而且重要工程实践均有工程实例验证，便于读者进一步理解海洋原位测试技术的工程应用。希望本书的出版能为我国岩土工程学科和海洋原位测试技术的发展贡献微薄之力。

作者简介

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蔡国军

东南大学教授（破格），博士、博士生导师。

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主要从事现代原位测试技术理论与工程应用研究，在多功能孔压静力触探技术（CPTU）基础理论、装备研发与工程应用方面取得系列创新成果。主持了国家重点研发计划项目（企业立项）、国家自然科学基金（4项）、教育部新世纪优秀人才、全国优博作者专项资金、江苏省杰出青年基金、江苏省“333工程”、江苏省“六大人才高峰”等10余项科技项目。研究成果已发表SCI、EI检索论文150余篇，已获得65项发明专利授权（含1项美国专利），软件著作权13项，出版专著2部，参编国家行业标准6部、地方标准3部。获全国百篇优秀博士学位论文奖（2012年）、中国公路学会科学技术奖一等奖（排1）、中国交通运输协会科学技术奖一等奖（排1）、江苏省科学技术奖一等奖（排2）、茅以升土力学及岩土工程青年奖（已公示完毕）、中国青年地质科技奖银锤奖、中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖、中国公路青年科技奖等多项奖励。现任国际期刊 Geotechnical Testing Journal、国内期刊《岩土工程学报》编委、国际土力学及岩土工程学会原位测试技术委员会TC102委员、中国公路学会青年专家委员会常务委员等学术兼职。

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刘松玉

东南大学首席教授，二级教授、博士、博士生导师。

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获首届全国创新争先奖状，“百千万人才工程”国家级人选、全国优秀博士学位论文指导教师，国家级有突出贡献的中青年专家、享受国务院特殊津贴专家, 茅以升土力学及岩土工程大奖、江苏省中青年首席科学家（“333”工程第一层次）、江苏省创新创业人才奖、江苏省先进工作者等称号。

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长期致力于特殊地基与路基稳定研究。主持了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目等50余项科技项目。研究成果已发表SCI、EI检索论文300余篇，已获得52项发明专利授权（含3项国际发明）。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项，江苏省科技进步一等奖、教育部科技进步一等奖等多项奖励。

本文摘编自《海洋原位测试技术理论与工程应用》一书文前部分，内容有删减改动，标题为编者所加。

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海洋原位测试技术理论与工程应用

蔡国军 等 著

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北京：科学出版社

ISBN 978-7-03-066452-5

责任编辑：惠 雪， 曾佳佳

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内容简介

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《海洋原位测试技术理论与工程应用》系统介绍了国内外关于海洋原位测试技术的最新装备、理论研究和工程应用成果，主要内容包括海洋工程发展、海洋土的特点与原位取样技术、海洋原位测试技术装备、海洋原位测试技术理论和海洋原位测试技术工程应用。其中，海洋原位测试技术主要涉及孔压静力触探（CPTU）、全流触探（FFP）与自落式动力触探（FFT）3 种常用的原位测试技术。

本书注重仪器装备与理论分析相结合、理论分析与测试技术相结合、测试技术与工程应用实践相结合，具有前沿性、系统性、实用性的特点，可供海洋、能源、环境、土木、建筑、水利、交通、电力、市政、铁路、港口、航道等领域的工程技术人员和高校、科研院所的相关研究人员参考。

本书目录

9 m; J( z7 C& R3 A% m! {$ F( ]1 k8 [. |

前言

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 海洋工程发展 4

1 Z8 H9 R* g5 V. P0 C

1.2.1 海上风电 4

2 m; Y/ I) N) E; l6 F" Z' {

1.2.2 跨海大桥 4

! J% |! h+ \% U% w% Z5 q

1.2.3 过江隧道与海底隧道 5

1.2.4 海上石油钻井平台 6

- a7 V: V' _7 B

1.2.5 海底管线 6

1.2.6 海洋地质调查 7

1.2.7 潮汐发电 8

1.2.8 围海造陆 8

1.3 海洋软土原位测试技术 9

9 T$ \2 K8 b5 I, w( b* o7 x

1.3.1 孔压静力触探测试技术 9

1.3.2 全流触探测试技术 11

1.3.3 自落式动力触探测试技术 15

1 t+ k' M0 j a# @- Y9 b

参考文献 17

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第2章 海洋土的特点与原位取样技术 19

2.1 海洋土特点 19

2.1.1 海洋地形单元 19

1 X' f& y% N) g4 ~. F3 s( U

2.1.2 海洋沉积土的成因和分类 20

2.1.3 海洋土的原位应力状态 20

2.1.4 海洋土的工程特性 25

2.2 海洋土原位取样技术 27

2.2.1 取土样CPT探头 27

2.2.2 取水样CPT探头 30

2.2.3 取气样CPT探头 32

! p1 i0 b: N- ]) S( D6 i( Q7 ]2 n

2.2.4 Geoprobe综合取样系统 33

2.2.5 自落式取样技术 50

0 t% m/ ^" s7 z. c0 O8 h# q

参考文献 51

3 c+ `6 Y, m; E3 S

第3章 海洋原位测试技术装备 54

( P6 ^/ M. u4 O+ T

3.1 贯入装备 54

X5 W7 U8 R& `/ b1 Y# h

3.1.1 海床式设备 56

3.1.2 下孔式设备 62

( O4 f V8 K. ]- Q8 a' `

3.1.3 轻便遥控操作式设备 64

4 [) R+ L" `8 g! g

3.1.4 自升降式平台 64

U' W4 n; U6 I1 w% A3 H+ x

3.1.5 其他贯入设备 65

3.2 全流触探设备 67

" O S5 ?/ p! e5 c

3.2.1 发展历史 68

2 g* s) W6 h2 o9 g, N* }1 A

3.2.2 半球形贯入仪与箱形样芯测试 69

" m. v! M; E) G: K+ p. A! V$ y

3.2.3 固结系数解译 73

4 N0 u8 G3 X. W: h. w) Q

3.3 自落式动力触探设备 76

; c- h( c( }5 u

3.3.1 发展历史 77

8 o _3 d. @' t

3.3.2 探头外观尺寸 79

3.3.3 传感器 81

$ _+ L5 {+ K) V7 d0 j5 h

3.3.4 异形FFT 82

. ^' X; q y0 W/ ?0 X+ P

3.3.5 自落式动力触探的标定 82

/ J& I' U" \! n: ^9 ~! X, r: K) K( @

3.3.6 自落式动力触探现场测试 84

5 v$ b# S. g: H+ p7 }( x, Y

3.3.7 代表性的自落式动力触探产品 85

) c+ C0 g4 [$ C0 T7 E5 Y

3.4 异形触探设备 88

- j/ [: u0 T& ]4 W$ ^

3.4.1 异形触探设备的优势 88

; V- d" j- \" R8 R; H4 D( Z4 P. [

3.4.2 梨形探头 89

3 Z6 D& K- P5 b; u3 n

3.4.3 十字形探头 90

3.4.4 异形触探的操作及使用 91

7 H% k, f) j: y+ [3 Y# g

3.5 孔压静力触探设备 92

( ^/ B, _6 t" ?# p

3.5.1 硬件系统研发 93

& m9 T$ C6 X6 }5 g) @. }% k$ [

3.5.2 智能化工程应用软件 113

! Z6 C. l0 T' ~- B( K; B u

3.5.3 测试系统标定试验 128

3.5.4 测试系统的特点 133

参考文献 134

第4章 海洋原位测试技术理论 141

4.1 CPTU理论研究 141

4.1.1 理论解析法 141

. ~: O: T$ G+ N

4.1.2 数值模拟法 157

! C/ ~9 g, F2 M- m e

4.1.3 室内模型试验 172

4.1.4 单层土中CPTU贯入的参数敏感性分析 174

4.1.5 双层土中CPTU贯入的超前滞后深度研究 193

4.2 FFP理论研究 209

- E& k9 {3 v6 @- H& o

4.2.1 FFP贯入机理研究现状 209

" j% P( q! I' n/ c

4.2.2 超软土T形全流触探贯入理论研究 232

4.2.3 超软土球形全流触探贯入理论研究 262

! f/ j% \& F" Z ^- ]) _

4.3 FFT理论研究 290

& `! {7 e( q- o/ S

4.3.1 基于加速度数据的解译分析 290

$ Z0 X/ g$ r' W w% o% _

4.3.2 基于锥尖阻力的强度参数解译 292

' n7 G, N1 z* R" H& g4 j/ l

4.3.3 黏滞速率效应 293

4.3.4 试验数据解译实例 294

* l& s, ~! a7 Y- P* U

参考文献 297

第5章 海洋原位测试技术工程应用 306

/ [: z# C4 _/ e: _0 H* T2 n

5.1 海洋CPTU在港珠澳大桥工程中的应用 306

: o5 l& J, M$ q1 Y+ s; l) J

5.1.1 工程概况 306

5.1.2 试验设备与典型测试结果 306

5.1.3 土分类应用 307

6 k" M$ h, x6 g+ _! ?

5.1.4 砂土液化评价应用 316

* v4 W5 E7 I) y3 K9 [9 e T6 c: \- S

5.1.5 桩基承载力预测应用 319

5.2 全流触探在福州滨海滩涂地基处理工程中的应用 324

( [& D8 d" i3 _* A

5.2.1 试验场地与试验设备 324

- `$ P0 _! B% ^% z# N: \) A

5.2.2 T形全流触探仪现场试验 327

5.2.3 基于球形全流触探仪的淤泥质软土工程特性评价 334

) w# J; Z1 g( B6 o8 ?% x5 y

5.3 海洋CPTU在三亚新机场工程中的应用 349

( {9 F$ k n+ y0 Y

5.3.1 工程概况 349

$ [2 R; k! ` h4 I

5.3.2 试验设备 350

5.3.3 基于CPTU的场地土层划分 350

# M! A0 ] m; U& |) |$ f- F

5.3.4 基于CPTU的软土工程特性评价 352

5 A% {6 ~2 i: e f

5.4 球形全流触探在太湖隧道工程中的应用 356

# \8 S* q- m( I

5.4.1 场地概况 356

5.4.2 试验设备 359

5.4.3 操作方法 359

; b! i! @$ ?0 O# p6 w

5.4.4 数据分析及土体强度特性评价 359

参考文献 364

（本文编辑： 王芳）

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