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对比:哪种地质调查方法更优秀?
发布时间:2022-04-28 浏览次数:36254 来源:欧美大地
随着工程对地层硬度也就是场地等级要求的不断提升,在地质调查,尤其是在海上风电场(OWF)开发过程中,地层硬度测试成为了非常重要的一部分。地层硬度测试通常采用以下三种方法:PS悬挂测井(PS Logger®)、地震波静力触探测试(Seismic CPT,简称SCPT)和静力触探测试(CPT)。
CPT是目前使用广泛的测试方法,通过一根探杆将一个测量锥推入地层,可以提供超出线弹性极限的参数,而SCPT和PS悬挂测井则为互补技术,可提供与地层线弹性响应相关的额外参数。当CPT探头无法穿透地层(岩石、卵石、砾石等)提供连续的弹性模量曲线剖面时,PS悬挂测井方法就成为了优选择。也就是说,三种测试方法既可独立测试,又相互补充完善调查结果。尤其是在复杂且地质条件多变的情况中,如在海上风电场(OWF)开发过程中,为了得到更准确的土壤参数负载响应建模,优化工程设计进而有效降低成本,会采用CPT、SCPT和PS测井相结合的方式来确定现场地层硬度。

为了大家更好的了解三种方法的差异性和互补性,本文将从测试原理、测试方法,并以海上风电场地质调查测试结果为例,进行对比介绍,方便大家在工程应用中选出更适合的测试方法。


原理及应用


静力触探(CPT)原理
静力触探(CPT)方法使用一根顶部为圆锥体的探杆,该圆锥体以固定速度被垂直推入地面。圆锥体中的传感器在整个过程中以厘米为单位提供数据。当锥体穿透时,它会迫使土壤在尖端前方约40cm处发生破坏。锥尖阻力由锥体后面的力学传感器测量,理论上与饱和粘性材料的不排水剪切强度有关。通过应变计测量,侧壁摩阻力理论上与被穿透地层的摩擦力有关。CPT探头则使用多孔塑料透水石测量孔隙压力,透水石位于亲水性聚丙烯制成的锥形头后面。在致密地层(如砂岩)中,孔隙压力可能会下降,而在粘性材料中,锥头的贯入可能会导致孔隙压力升高。如果测量的孔隙压力瞬间增大,则需停止继续贯入,以使压力达到平衡。CPT的数据可直接用于土壤分类,并通过对数据的理论分析计算得到工程参数。

  

地震波静力触探测试(SCPT)原理
SCPT在探头中的单个或两个接收器链上检测与地层发生强耦合的波形,其震源是一个位于海床上靠近钻孔独立激发装置。按照正交方式安装的检波器分别读取静态读数。然后处理来自优方向(x或y)的数据,并确定走时。根据震源到接收器的距离和走时,可以计算波速和层速度。如果同时记录了P波,再加上体积密度读数,也可以计算小应变模量。
PS悬挂测井原理
PS悬挂测井技术(Robertson Geo公司PS Logger®测井探头采用此种技术),可在常规电缆测井系统中运行,并由两个高敏检波器记录两个不同位置从一个强大的偶极子声波震源激发的P波和S波。与其他声波探头不同,PS悬挂测井是静态读取读数的,通常以0.5米或1.0米为间隔,在每个深度位置进行3次激发,一次P波,两次S波(正相位和负相位)。两个检波器之间的距离固定为1.0m,一旦确定了走时,就会自动计算层速度、泊松比,再加上体积密度数据,就可以计算出小应变模量。

PS Logger®测得波形



应用对比
对于陆上调查,CPT通常采用专用特种车辆搭载,移动更灵活;而PS测井则可测得更深层的数据,尤其是在硬地层的测试中更为合适。
CPT数据示例

在海上风电场项目的海上岩土工程勘察中,需要在每个风力发电机的位置进行现场测试,并按照一定比例进行钻孔取样。早期的海上风电场通常靠近海岸,因此常用自升式平台进行施工。随着海上风电场逐渐扩展到更深的水域(20-50m),改为使用垂荡补偿钻井船进行钻孔施工。近些年,飘浮式风力发电机出现,这使得风电场建设可以扩展到水深500米的区域,这就意味着需要更适合的工程设计和地质调查方法。
在海上,CPT可使用钻井模式,系统固定在由液压软管提供推力的孔底组件中。除此之外,还有安装在海底的专用的CPT系统,该系统由CPT框架自身重量提供反作用力使得推杆推动探头贯入海床面以下。类似于陆上CPT测试。
而SCPT,需要一个额外安装在海底且靠近钻孔的S波震源,或者可以组合在上述CPT框架中。在某些情况下,S波源也可以产生P波,但这通常出现在与CPT贯入系统位置不同的海底结构上。
CPT探头孔隙压力传感器(CPTu)拆解图

PS测井需要预先钻出比目标深度多5m的钻孔,然后开始测试。钻杆留在钻孔中,分阶段抽出,以露出一段裸眼部分。测试裸眼部分,然后向上提出探头。再抽出更多的钻杆,露出更大的裸眼部分。以重叠的方式进行测试,并重复该过程,直到全部目标层位测试完毕。



输出数据对比

注:*表示通过计算得出的输出,非直接测得


上地质调查结果对比

尽管PS悬挂测井和SCPT都可以测量地层速度,但测量方式完全不同。PS悬挂测井通过传统的电缆进行测试,而SCPT通常与标准CPT测试同时进行。为了更直观的对PS悬挂测井和静力触探进行比较,我们以海上风电场的地质调查为例,对PS悬挂测井和SCPT结果进行比较分析,下表给出了这两种方法之间的差异。PS悬挂测井采用了RG公司的PS Logger®测井探头。



对比结论
一般来说,由于SCPT需要放置单独的海底震源,因此PS悬挂测井相较于SCPT更省时。同时检测地震波时会对常规CPT测试产生影响。因此,SCPT通常用于测量近海床面地层参数,而PS悬挂测井用于更深的剖面(10m以上)。当遇到CPT方法无法穿透的硬地层时,则只有PS悬挂测井可以提供所需的数据。
综上, PS悬挂测井、SCPT和CPT可以视为互补技术,共同提供所有深度和地层的场地参数。当然,对于前期已经做了区域地质调查的板块,在具体施工安装时只使用PS悬挂测井完全可以为现场工程师提供准确的数据,在保证工程安全的基础上更加的省时省力!

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