中外標(biāo)準(zhǔn)在港口工程勘察中的應(yīng)用對比研究

陳志新 彭滿華 張海順 黃成志

（中船勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著“一帶一路”政策的深入推進，越來越多的技術(shù)人員走出國門從事國外項目的勘察工作，因此，掌握并正確使用國外規(guī)范對國外項目的建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。

在“一帶一路”沿線國家中，進行工程建設(shè)所采用的標(biāo)準(zhǔn)除了項目所在國規(guī)范外，有部分國家采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)（Eurocode 7）或美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM 或API RECOMMENDED PRACTICE 2A-WSD），采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)的國家主要是歐盟成員國及埃塞俄比亞、肯尼亞等國家，采用美國標(biāo)準(zhǔn)的國家主要為美洲國家及部分非洲、中東、南亞及東南亞國家。

目前，已有許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對國外規(guī)范進行了研究，如程新生對中外水運工程勘察標(biāo)準(zhǔn)體系進行了對比研究[1]，成利民和孫 寧對中、美、歐巖土工程勘察規(guī)范差異性進行了研究[2]，得出了在規(guī)范的獨立性、集成度、資料引用方面存在有較大差異的結(jié)論，郭曉亮對中塞兩國勘察標(biāo)準(zhǔn)與手段進行了對比分析[3]，得出中國鐵路勘察規(guī)范全面、可操作性強，但工程標(biāo)準(zhǔn)條款結(jié)論多，容易死搬硬套，應(yīng)加快國際國外先進標(biāo)準(zhǔn)的采用和轉(zhuǎn)化工作；馮蓓蕾和周偉兵對基于土壤分類的ASTM（美國標(biāo)準(zhǔn)）與國標(biāo)之異同進行了初步研究[4]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，主要從港口工程項目勘察的主要要素角度對中外標(biāo)準(zhǔn)進行對比研究。

1 勘察工作量的布置

在明確了項目的勘察目的及技術(shù)要求后，需要布置合理的勘察工作量，而勘察工作量往往與勘察階段相適應(yīng)。在勘察階段的劃分上，中國標(biāo)準(zhǔn)分為四階段，歐洲標(biāo)準(zhǔn)分為三階段，美國標(biāo)準(zhǔn)分為四階段（見表1）。

表1 中、歐、美勘察階段劃分

在勘察點的平面布置及深度布置方面，中國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各擬建物性質(zhì)、所處的勘察階段均有詳細(xì)的規(guī)定，其可操作性較強；而歐洲標(biāo)準(zhǔn)僅根據(jù)設(shè)計階段對不同建筑物的勘探孔孔距和深度布置提出了建議，沒有針對港口工程建構(gòu)筑物的布置建議；美國標(biāo)準(zhǔn)在勘探孔間距方面也只提出了設(shè)置合理間距的要求，在勘探孔孔深上提出不小于結(jié)構(gòu)荷載的影響深度的簡單原則。三種規(guī)范都提出可根據(jù)實際情況對勘探孔孔深進行適當(dāng)調(diào)整。因此對比中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)可知，中國標(biāo)準(zhǔn)針對不同的勘察階段及擬建物提出了具體的勘察要求，需按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而歐、美標(biāo)準(zhǔn)僅提出原則性要求，勘察技術(shù)人員需根據(jù)不同條件并結(jié)合自身工程經(jīng)驗，進行相應(yīng)的勘察工作。故在實際應(yīng)用上，以中國標(biāo)準(zhǔn)的可操作性較強，而歐、美標(biāo)準(zhǔn)的可操作性相對較差。

2 勘察手段

在勘察手段上，各國規(guī)范都較為相似，均采用鉆探、原位測試和室內(nèi)試驗相結(jié)合的手段。

2.1 鉆探、取樣及巖土分類

2.1.1 鉆探和取樣

在鉆探方面，三種標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但在鉆具及巖芯管規(guī)格上略有差別，其中中國標(biāo)準(zhǔn)所采用的鉆具和巖芯管規(guī)格都能滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的要求。在取樣方面，其工藝和取樣方法相同，對薄壁取土，均要求采用靜力壓入法，對厚壁取土，均要求采用重錘少擊，且它們適用的地層相同。

因此，在鉆探手段和鉆具及取樣上，中國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)差別不大，可以滿足歐美標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1.2 巖土分類

巖土分類是對巖土認(rèn)識的一種重要方法，也是進一步研究巖土工程特性的基礎(chǔ)，屬于港工巖土工程勘察的重要內(nèi)容，需正確認(rèn)識中、歐、美三種標(biāo)準(zhǔn)在巖土體分類上的異同。

2.1.2.1 土的分類

在土的分類上，宏觀的分類標(biāo)準(zhǔn)基本相同，中國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)地質(zhì)成因、沉積時代、顆粒級配、塑性指數(shù)、孔隙比、含水量及有機質(zhì)進行分類；歐洲標(biāo)準(zhǔn)[6,8-9]和美國標(biāo)準(zhǔn)[7,10-11]則是根據(jù)地質(zhì)成因、粒徑及級配、含水量和有機質(zhì)進行分類。盡管宏觀的分類原則相同，但在微觀的分類標(biāo)準(zhǔn)上差異較大（見表2-表4）。

表2 JTS 133-2013 中粒組劃分mm

表3 Eurocode 7 中粒組劃分mm

表4 ASTM D2487-11 中粒組劃分mm

另外，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2487-11 對土的分類更詳細(xì)，共分為三大類15 個基本組，分組代號分別為GW（級配良好礫）、GP（級配不良礫）、GM（粉土質(zhì)礫）、GC（黏土質(zhì)礫）、SW（級配良好砂）、SP（級配不良砂）、SM（粉土質(zhì)砂）、SC（黏土質(zhì)砂）、CL（低液限黏土）、ML（粉土）、OL（低液限有機質(zhì)黏土和低液限有機質(zhì)粉土）、CH（高液限黏土）、MH（高液限粉土）、OH（高液限有機質(zhì)黏土和高液限有機質(zhì)粉土）、PT（泥炭土）。又經(jīng)過各種變化，產(chǎn)生了11 個組合代號，故該標(biāo)準(zhǔn)中共有26 個分組代號。

三種規(guī)范在微觀分類標(biāo)準(zhǔn)上存在差異，意味著三者采用的試驗方法或試驗儀器設(shè)備等差異較大。

2.1.2.2 巖體分類

JTS 133-2013 中的巖體分類主要按風(fēng)化程度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖層的單層厚度、巖體完整程度等分類。巖石主要按成因、堅硬程度及軟化系數(shù)分類。而歐州標(biāo)準(zhǔn)[6,12]主要是按單一巖體指標(biāo)對應(yīng)分類，分類的指標(biāo)有形成模式、顆粒尺寸、礦物質(zhì)組成、孔隙度、單軸壓縮強度、巖石類型、結(jié)構(gòu)、非連續(xù)性、蝕變及地下水。美國標(biāo)準(zhǔn)[13]則采用一些定量評價體系，如巖體評級體系（RMR）、巖石結(jié)構(gòu)評級體系（RSR）、Q-體系（NGI）、統(tǒng)一巖石分類體系（URCS）、巖石現(xiàn)場材料分類系統(tǒng)（RMFCS），單個體系中包含了多種參數(shù)。

在巖石堅硬程度劃分上，歐洲標(biāo)準(zhǔn)比中國標(biāo)準(zhǔn)多2 級，對層理厚度多3 類。

2.2 原位測試

在港口工程勘察中，最常用的原位測試手段主要有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探試驗以及十字板剪切試驗等。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)中廣泛采用的一種原位測試手段，三種標(biāo)準(zhǔn)對所采用的試驗設(shè)備規(guī)格作了明確規(guī)定（見表5）。

表5 中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備規(guī)格

從表5可以看出，除了貫入器對開管和管靴長度、刃口單刃厚上稍有差別外，其他基本相同，因此在設(shè)備上可以認(rèn)為是相通的。

從試驗流程上比較，三種標(biāo)準(zhǔn)均要求鉆孔到一定深度后，預(yù)打15 cm，然后以小于30 擊/min 錘擊，記錄每打入10 cm 的錘擊數(shù)，以打入30 cm 作為標(biāo)貫擊數(shù)，三者是相同的。

從成果的應(yīng)用上比較，JTS133-2013 規(guī)定根據(jù)具體情況進行修正。而在歐美標(biāo)準(zhǔn)中要求經(jīng)能效及上覆土壓力修正的錘擊數(shù)，并形成了用標(biāo)貫來評估粗粒土內(nèi)摩擦角的相關(guān)關(guān)系，如Peck 公式、Meyerhof 公式等。

因此，從試驗結(jié)果的應(yīng)用上看，歐美標(biāo)準(zhǔn)得出的標(biāo)貫成果原位性更好，經(jīng)驗公式更值得推廣，是國內(nèi)標(biāo)貫發(fā)展的方向。

2.2.2 靜力觸探試驗

靜探也是在中、歐、美在工程實踐中應(yīng)用較為廣泛的一種原位測試方法，在探頭規(guī)格上，中、美基本相同，均采用錐形，圓錐錐頭底面積為10 cm2或15 cm2，錐尖角為60°，貫入速度1.2±0.3 m/s，而歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用的探頭形式更為多樣，可以是錐形、球形、圓板形等，因此歐洲標(biāo)準(zhǔn)的探頭形式涵蓋了中、美標(biāo)準(zhǔn)。

在成果應(yīng)用上，三種規(guī)范存在有一定的差異性，在美國標(biāo)準(zhǔn)中，要求對深度小于8 倍樁徑的地層進行折減，而且在使用時，中、美標(biāo)準(zhǔn)采用靜探的側(cè)壁摩阻力確定樁的側(cè)壁摩阻力，而歐洲標(biāo)準(zhǔn)則采用錐頭阻力確定樁的側(cè)壁摩阻力，同時歐洲標(biāo)準(zhǔn)還給出了用錐頭阻力確定砂的有效內(nèi)摩擦角、模量、固結(jié)系數(shù)及樁基承載力等。

因此，如果將中、美標(biāo)準(zhǔn)中的探頭看成是歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的一種，則靜探所得測試結(jié)果可以通用，只需在應(yīng)用時加以區(qū)分。

2.2.3 十字板剪切試驗

港口工程勘察中經(jīng)常碰到巨厚層軟土層，十字板剪切試驗可以確定軟土的不排水抗剪強度，應(yīng)用廣泛。表6為中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)十字板剪切試驗對比。

據(jù)表6，三種標(biāo)準(zhǔn)中的十字板剪切試驗在儀器上有細(xì)微差異，其他規(guī)定基本一致，其試驗結(jié)果通用。

表6 中、歐、美國標(biāo)準(zhǔn)中十字板剪切試驗對比

3 強度參數(shù)選取

設(shè)計工況不同，所采用的室內(nèi)試驗強度指標(biāo)也不同，根據(jù)JTS147-2017[18]規(guī)定，持久狀況室內(nèi)細(xì)粒土的試驗強度指標(biāo)可采用直剪固結(jié)快剪強度指標(biāo)或三軸固結(jié)不排水強度指標(biāo)，短暫狀況室內(nèi)試驗強度指標(biāo)可以采用三軸不固結(jié)不排水強度指標(biāo)，有經(jīng)驗時可采用直剪快剪強度指標(biāo)。

受設(shè)備限制，主要采用直剪儀進行測試。由于直剪試驗剪切面限定為上下盒之間的平面，而不是土樣破壞時的最薄弱面，因此用剪切速度大小來模擬剪切過程中的排水條件，誤差比較大，不能反應(yīng)實際狀況下的強度指標(biāo)。

歐、美標(biāo)準(zhǔn)對飽和軟黏土采用了三軸固結(jié)壓縮試驗設(shè)備去消除直剪設(shè)備所產(chǎn)生的不足。由于在試驗中土樣應(yīng)力狀態(tài)明確，可以嚴(yán)格控制土樣的排水條件，并測量土樣中孔隙水壓力，其薄弱面在最軟弱處，不需要將剪切面限定在上下盒之間，故三軸試驗是測定土的抗剪強度指標(biāo)較為完善的方法。三軸試驗可獲得原位性更好的不固結(jié)不排水三軸剪切強度指標(biāo)作為短暫狀況下施工期的強度計算參數(shù)，更能反映實際及設(shè)計要求的固結(jié)不排水三軸剪切總應(yīng)力強度和有效應(yīng)力強度指標(biāo)，以作為持久狀況下工后期的強度計算參數(shù)。

4 單樁豎向抗壓承載力計算

中、歐、美三種標(biāo)準(zhǔn)的單樁豎向抗壓承載力計算上存在相同之處，如首選靜載試驗來確定單樁豎向承載力，并通過靜載試驗結(jié)果來修正其他方法。計算公式的形式相同，都由樁的側(cè)阻和端阻力組成，但在設(shè)計理念上，三種標(biāo)準(zhǔn)有異同，JTS 167-2018[19]采用抗力分項系數(shù)法，歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode 7 -Geotechnical design-Part 1[20]亦采用了抗力分項系數(shù)法，而美國標(biāo)準(zhǔn)API RECOMMENDED PRACTICE 2AWSD[21]則采用安全系數(shù)法。

三種標(biāo)準(zhǔn)的抗力分項系數(shù)或安全系數(shù)見表7-表9。

表7 JTS 167-2018 推薦的抗力分項系數(shù)

表8 Eurocode 7 推薦的抗力分項系數(shù)

表9 API 推薦的安全系數(shù)

JTS 167-2018 規(guī)定單樁豎向抗壓承載力可通過靜載荷試驗或經(jīng)驗參數(shù)法計算獲得，其中經(jīng)驗參數(shù)法對于不同樁型分別給出了不同計算公式，同時根據(jù)土的類別及樁的埋深給出了相應(yīng)的單位面積極限樁側(cè)阻力和樁端阻力，在使用上較為方便。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)[20]建議采用靜載荷試驗方法，也可根據(jù)土的抗剪強度、現(xiàn)場試驗結(jié)果、動力沖擊試驗結(jié)果、打樁公式及波動方程確定單樁承載力，但后四種方法都需要通過靜載取得相同樁型、類似土層的經(jīng)驗值。

API 標(biāo)準(zhǔn)并未強調(diào)靜載試樁，但直接給出了計算方法。

5 結(jié)論

（1）中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)在勘察階段劃分、勘察工作量的布置上存在一定的差別，但差別較小，歐、美標(biāo)準(zhǔn)對勘察階段和要求存在一定的靈活性，要求勘察技術(shù)人員結(jié)合自身工程經(jīng)驗進行相應(yīng)的勘察工作。

（2）在巖土分類方面，中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)中存在有多個分類角度，中、歐標(biāo)準(zhǔn)中存在有多種分類參數(shù)，而美國標(biāo)準(zhǔn)則存在多個分類評價體系。

（3）中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)貫、靜探、十字板剪切試驗的各種試驗原理基本相同，但試驗設(shè)備、試驗過程存在一定的差異，由此得到的初步測試數(shù)據(jù)可能存在一定差異。歐、美標(biāo)準(zhǔn)得出的標(biāo)貫成果原位性更好，是國內(nèi)標(biāo)貫發(fā)展的方向。

（4）歐、美標(biāo)準(zhǔn)中選取的強度參數(shù)更能反映實際及設(shè)計要求。

（5）中、歐、美標(biāo)準(zhǔn)中的單樁承載力計算存在相同之處，如首選靜載試驗來確定單樁豎向承載力，并通過靜載試驗結(jié)果來修正其他方法，但在設(shè)計理念上，三種標(biāo)準(zhǔn)有異同。

本文對中外規(guī)范在港口工程勘察中的應(yīng)用進行了對比研究，可供同業(yè)人員參考借鑒。由于標(biāo)準(zhǔn)體系不一，內(nèi)容繁多，受掌握的資料所限，單樁豎向承載力計算采用的參數(shù)及經(jīng)驗公式有待研究，同一工程依據(jù)中、歐、美哪一標(biāo)準(zhǔn)得到的單樁豎向承載力與實際更吻合，仍需進一步對比研究。