隨著工程對地層硬度也就是場地等級要求的不斷提升，在地質調查，尤其是在海上風電場（OWF）開發(fā)過程中，地層硬度測試成為了非常重要的一部分。地層硬度測試通常采用以下三種方法：PS懸掛測井（PS Logger®）、地震波靜力觸探測試（Seismic CPT，簡稱SCPT）和靜力觸探測試（CPT）。
CPT是目前使用廣泛的測試方法，通過一根探桿將一個測量錐推入地層，可以提供超出線彈性極限的參數，而SCPT和PS懸掛測井則為互補技術，可提供與地層線彈性響應相關的額外參數。當CPT探頭無法穿透地層（巖石、卵石、礫石等）提供連續(xù)的彈性模量曲線剖面時，PS懸掛測井方法就成為了優(yōu)選擇。也就是說，三種測試方法既可獨立測試，又相互補充完善調查結果。尤其是在復雜且地質條件多變的情況中，如在海上風電場（OWF）開發(fā)過程中，為了得到更準確的土壤參數負載響應建模，優(yōu)化工程設計進而有效降低成本，會采用CPT、SCPT和PS測井相結合的方式來確定現場地層硬度。
為了大家更好的了解三種方法的差異性和互補性，本文將從測試原理、測試方法，并以海上風電場地質調查測試結果為例，進行對比介紹，方便大家在工程應用中選出更適合的測試方法。
原理及應用
靜力觸探（CPT）原理
靜力觸探（CPT）方法使用一根頂部為圓錐體的探桿，該圓錐體以固定速度被垂直推入地面。圓錐體中的傳感器在整個過程中以厘米為單位提供數據。當錐體穿透時，它會迫使土壤在尖端前方約40cm處發(fā)生破壞。錐尖阻力由錐體后面的力學傳感器測量，理論上與飽和粘性材料的不排水剪切強度有關。通過應變計測量，側壁摩阻力理論上與被穿透地層的摩擦力有關。CPT探頭則使用多孔塑料透水石測量孔隙壓力，透水石位于親水性聚丙烯制成的錐形頭后面。在致密地層（如砂巖）中，孔隙壓力可能會下降，而在粘性材料中，錐頭的貫入可能會導致孔隙壓力升高。如果測量的孔隙壓力瞬間增大，則需停止繼續(xù)貫入，以使壓力達到平衡。CPT的數據可直接用于土壤分類，并通過對數據的理論分析計算得到工程參數。
地震波靜力觸探測試（SCPT）原理
SCPT在探頭中的單個或兩個接收器鏈上檢測與地層發(fā)生強耦合的波形，其震源是一個位于海床上靠近鉆孔獨立激發(fā)裝置。按照正交方式安裝的檢波器分別讀取靜態(tài)讀數。然后處理來自優(yōu)方向（x或y）的數據，并確定走時。根據震源到接收器的距離和走時，可以計算波速和層速度。如果同時記錄了P波，再加上體積密度讀數，也可以計算小應變模量。
PS懸掛測井原理
PS懸掛測井技術（Robertson Geo公司PS Logger®測井探頭采用此種技術），可在常規(guī)電纜測井系統(tǒng)中運行，并由兩個高敏檢波器記錄兩個不同位置從一個強大的偶極子聲波震源激發(fā)的P波和S波。與其他聲波探頭不同，PS懸掛測井是靜態(tài)讀取讀數的，通常以0.5米或1.0米為間隔，在每個深度位置進行3次激發(fā)，一次P波，兩次S波（正相位和負相位）。兩個檢波器之間的距離固定為1.0m，一旦確定了走時，就會自動計算層速度、泊松比，再加上體積密度數據，就可以計算出小應變模量。
PS Logger®測得波形
應用對比
對于陸上調查，CPT通常采用專用特種車輛搭載，移動更靈活；而PS測井則可測得更深層的數據，尤其是在硬地層的測試中更為合適。
CPT數據示例
在海上風電場項目的海上巖土工程勘察中，需要在每個風力發(fā)電機的位置進行現場測試，并按照一定比例進行鉆孔取樣。早期的海上風電場通?？拷０?，因此常用自升式平臺進行施工。隨著海上風電場逐漸擴展到更深的水域（20-50m），改為使用垂蕩補償鉆井船進行鉆孔施工。近些年，飄浮式風力發(fā)電機出現，這使得風電場建設可以擴展到水深500米的區(qū)域，這就意味著需要更適合的工程設計和地質調查方法。
在海上，CPT可使用鉆井模式，系統(tǒng)固定在由液壓軟管提供推力的孔底組件中。除此之外，還有安裝在海底的專用的CPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CPT框架自身重量提供反作用力使得推桿推動探頭貫入海床面以下。類似于陸上CPT測試。
而SCPT，需要一個額外安裝在海底且靠近鉆孔的S波震源，或者可以組合在上述CPT框架中。在某些情況下，S波源也可以產生P波，但這通常出現在與CPT貫入系統(tǒng)位置不同的海底結構上。
CPT探頭孔隙壓力傳感器（CPTu）拆解圖
PS測井需要預先鉆出比目標深度多5m的鉆孔，然后開始測試。鉆桿留在鉆孔中，分階段抽出，以露出一段裸眼部分。測試裸眼部分，然后向上提出探頭。再抽出更多的鉆桿，露出更大的裸眼部分。以重疊的方式進行測試，并重復該過程，直到全部目標層位測試完畢。
輸出數據對比
注：*表示通過計算得出的輸出，非直接測得
海上地質調查結果對比
盡管PS懸掛測井和SCPT都可以測量地層速度，但測量方式完全不同。PS懸掛測井通過傳統(tǒng)的電纜進行測試，而SCPT通常與標準CPT測試同時進行。為了更直觀的對PS懸掛測井和靜力觸探進行比較，我們以海上風電場的地質調查為例，對PS懸掛測井和SCPT結果進行比較分析，下表給出了這兩種方法之間的差異。PS懸掛測井采用了RG公司的PS Logger®測井探頭。
對比結論
一般來說，由于SCPT需要放置單獨的海底震源，因此PS懸掛測井相較于SCPT更省時。同時檢測地震波時會對常規(guī)CPT測試產生影響。因此，SCPT通常用于測量近海床面地層參數，而PS懸掛測井用于更深的剖面（10m以上）。當遇到CPT方法無法穿透的硬地層時，則只有PS懸掛測井可以提供所需的數據。
綜上， PS懸掛測井、SCPT和CPT可以視為互補技術，共同提供所有深度和地層的場地參數。當然，對于前期已經做了區(qū)域地質調查的板塊，在具體施工安裝時只使用PS懸掛測井完全可以為現場工程師提供準確的數據，在保證工程安全的基礎上更加的省時省力！
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