《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Digital monitoring of continuous outer-casing drilling and inner core-barrel sampling for profiling Shanghai soils
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连续钻进参数可为原位土体剖面表征提供实时、高分辨率的地质信息，但其在沿海软土中的应用仍十分有限。本研究介绍了一套集成于液压回转钻机上的钻探过程监测（drilling process monitoring，DPM）系统，并采用连续外套管钻探与内芯管取样技术开展现
连续钻进参数可为原位土体剖面表征提供实时、高分辨率的地质信息，但其在沿海软土中的应用仍十分有限。本研究介绍了一套集成于液压回转钻机上的钻探过程监测（drilling process monitoring，DPM）系统，并采用连续外套管钻探与内芯管取样技术开展现场应用。研究人员在上海软土中完成了一口60 m深的钻孔勘察。该系统可实时采集钻进参数，并从中提取净钻探过程，以精确计算与各均质地层对应的DPM（恒定）钻进速度。DPM钻进速度与静力触探（cone penetration test，CPT）比贯入阻力之间呈现显著相关性（=0.966）。研究人员进一步研究了黏聚力和内摩擦角对钻进速度的影响，该影响随推力变化而改变，并与伦敦土的对比分析相互印证，且符合摩尔-库仑破坏准则。结果表明，在稳定钻进功率条件下，钻进速度可表征土体相对强度，但其定量解释依赖于钻头-土体界面应力传递的假设。上述成果提升了DPM技术作为快速、精确、数字化的原位土体强度剖面表征方法的适用性。未来工作将重点考虑钻头磨损、钻进液效应及多因素标定，以提高该方法在不同场地和钻探系统下定量解释的可靠性。
**钻探过程监测技术在上海软土连续剖面表征中的现场应用：DPM钻进速度与CPT比贯入阻力的关联研究**
**1. 研究背景与目的**
上海地区以第四纪三角洲沉积物为主，其软土工程地质条件给基础设施建设和施工带来了诸多挑战。上部40 m土体由六个主要土层构成，已被广泛研究用于浅基础和地下结构设计；其下自第⑦层起为低压缩性土层，通常作为高层建筑的桩端持力层。准确确定土层位置，尤其是可能导致显著固结沉降的黏土层深度与厚度，对工程的安全性与经济性至关重要。然而，传统的基于岩芯取样的手工编录方法只能获取离散数据点，且钻进过程中土体易被冲洗流失，造成数据缺失，难以满足精细岩土设计所需连续可靠的原位土体剖面的需求。
原位测试技术的需求日益迫切，要求能够快速、准确、连续地评估土体性质，同时尽量减少取样损失和扰动。静力触探（cone penetration test，CPT）是软土中广泛使用的原位测试方法，具有快速、连续、高重复性和操作简便等优点，可提供土体强度、变形特性、先期固结压力及土层分类等关键信息。然而，CPT有限的贯入能力限制了其在冻土、硬黏土和岩石等材料中的应用；高强度地质材料中的高贯入阻力会降低贯入效率、影响数据质量，并可能在过大荷载下导致设备故障。
为克服室内试验和CPT的局限，研究人员探索了利用钻进数据解译进行钻遇地质材料原位表征的潜力。已有研究主要集中在隧道、采矿和石油工程中的岩体应用，证明钻进参数能够准确表征风化岩体的地面条件并与岩石力学性质定量关联。然而，在土体钻进中，贯入相关参数的解译更具挑战性，因为钻进响应不仅受土体强度和地层影响，还受钻进液相互作用及钻进模式变化的影响。在沿海软土地区，这一差距尤为显著，需要可靠连续的剖面表征但样品回收可能不完整。此外，将钻进速度与CPT比贯入阻力相关联以识别土层的研究仍然有限。
本研究旨在引入一套新型钻探过程监测（drilling process monitoring，DPM）系统，实现全钻探过程的实时高分辨率监测，并结合一种新型钢丝绳取芯组件进行连续取芯，以获取用于详细手工编录和DPM结果验证的连续岩芯样品。
**2. 研究方法与技术**
本研究所用关键技术方法包括：（1）集成于液压回转钻机的防水型DPM系统，可实时记录卡盘位置、推力、扭矩、转速、泥浆压力和钻杆重量六项钻进参数；（2）采用聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头配合连续外套管钻探与内芯管取样技术，通过专用打捞工具仅回收内芯筒，实现连续取芯的同时保持外套管稳定；（3）从全钻探过程中提取净钻探过程，利用深度-净钻探时间线性关系计算各均质地层的DPM（恒定）钻进速度；（4）将DPM分区结果与同场地CPT测试获得的比贯入阻力进行相关性分析。研究场地位于中国上海（31°02'12"N，121°36'45"E），钻孔深度60 m，覆盖上海地区七个主要土层。
**3. 研究结果**
**3.1 全钻探过程分析与净钻探过程提取**
通过对单个回次钻进循环的详细分析，研究人员将正常回次划分为空转、下推接触孔底、净钻探（取芯）和回拉四个操作阶段，并明确了各阶段对应的钻进参数响应特征。净钻探过程的判定标准为：卡盘位置持续下降、推力保持恒定（58.5~60.1 kN）、扭矩保持较高值（>115 N·m）、转速恒定（80~90 rpm）、泥浆压力大于0.1 MPa。从60 m全钻探过程中共划分出13个主分区和73个子分区，每个分区内深度与净钻探时间呈现高度线性关系（R2>0.99），表明各分区对应均质地层，分区边界即为土层界面。
**3.2 基于DPM分区与CPT结果的土层识别**
将DPM分区确定的地层深度与岩芯样品手工编录结果对比发现，除43.6 m附近一处边界（差异为0.841 m）外，其余各土层边界差异均不超过0.114 m，显示出极高的一致性。CPT测试在距研究钻孔约30 m处进行，其比贯入阻力能有效区分砂土与细粒土（如⑦2粉砂为23.85 MPa，②黏土为0.47 MPa），但在粉土、黏土及其互层之间（0.53~8.02 MPa）难以区分。通过将CPT的加权比贯入阻力与DPM分区的平均钻进速度进行相关分析，研究人员发现两者呈幂律关系，决定系数=0.966，表明DPM钻进速度可有效反映不同土层的相对强度。
**3.3 上海土与伦敦土的对比分析**
研究人员引入改进的RQD（这里指相对质量密度指标，即低于某一阈值的恒定速度分区累计厚度占总钻孔深度的百分比）参数，对上海土与伦敦土的强度分布进行了比较。上海60 m钻孔的RQD（强度分级I~VI分别为6、16.4、2.8、21.1、9.8、43.9）与伦敦30 m钻孔的相应值（41、16.7、5.1、5.5、17.6、14.1）存在显著差异。上海土层中，上部③、④、⑤、⑥层主要分布于低强度等级（IV~VI），而深部⑦1、⑦2层强度等级分布更加广泛，反映随深度增加土体强度和粒径呈渐进变化。值得注意的是，伦敦黏土中的钻进速度低于其上覆砂质砾石层，而上海钻孔中的粉砂和粉质黏土钻进速度低于上覆黏性土，表明钻进速度无法单独作为不同场地和钻进条件下的土体粒径指示指标。
**3.4 剪切强度参数与钻进参数的关系**
基于摩尔-库仑破坏准则和剪切破坏力学模型，研究人员分析了推力和扭矩对土体破坏的影响。在上海钻孔中平均推力为59.51 kN，伦敦钻孔为7.98 kN，前者约为后者的7.5倍，而两者转速相近。在低法向应力下（伦敦），黏聚力对剪切强度起主导作用；在高法向应力下（上海），内摩擦角成为主要控制因素。计算结果显示（表3），上海砂土的剪切强度（3667.8 kPa）远高于黏土（1213.8 kPa），对应砂土钻进速度（0.394 m/min）低于黏土（1.745 m/min）。然而，钻头直径、扭矩和泥浆压力的差异使得仅依靠钻进速度来评估不同场地土体剪切强度或类型存在困难。
**3.5 塑性特性的定量对比**
对上海黏土和伦敦黏土的塑性特性比较表明（依据BS 1377-1990和GB/T 50123-2019标准测试），上海黏土的含水率接近或超过其液限，呈近液态；伦敦黏土的含水率接近塑限，呈坚硬状态的近固态。伦敦黏土的塑性指数高于上海黏土，但液性指数远低于上海黏土。已有研究表明，较高的塑性指数可增加黏聚力但降低内摩擦角，而较高的液性指数会同时降低黏聚力和内摩擦角。这些塑性特征表明，在推力极高（上海）条件下，内摩擦角控制剪切强度，塑性指数和液性指数的升高导致内摩擦角降低，从而降低剪切强度并产生更高的钻进速度，与实测结果一致。
**4. 讨论与结论**
DPM技术通过提供整个钻孔深度的连续土体强度剖面，弥补了样品缺失的不足，将土体表征能力提升到离散样品之外。尽管钻进泥浆可能冲走软土，但原位钻进数据的积累和改进的工程实践使DPM钻进速度成为一种有价值的原位土体力学参数，其应用范围可扩展至CPT等原位测试方法，实现土体和岩石材料的剖面表征。主要结论包括：（1）成功实现了集成连续外套管钻探、内芯管和打捞工具的新型钢丝绳取芯组件，可获取连续岩芯样品；（2）首次在60 m深上海软土钻孔中建立了DPM钻进速度与CPT比贯入阻力之间的直接现场相关性，决定系数达到0.966；（3）根据摩尔-库仑破坏准则，高推力（高法向应力）条件下内摩擦角占主导，使砂土剪切强度高于黏土，DPM钻进速度低于黏土；低推力条件下黏聚力占主导，黏土剪切强度高于砂土；（4）上海黏土的含水率接近或超过液限呈近液态，伦敦黏土含水率接近塑限呈坚硬状态，伦敦黏土塑性指数更高而液性指数更低，导致其黏聚力更高。
