淺析如何提高海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精準(zhǔn)度

申永斌, 曹方秀, 袁文雷

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 濟寧 272100)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是在20世紀(jì)40年代末期逐步發(fā)展起來的,起初在美國和日本得到廣泛應(yīng)用,60年代在國內(nèi)普及,我國目前采用的SPT設(shè)備與國際標(biāo)準(zhǔn)一致,經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展應(yīng)用,國內(nèi)外積累了大量的使用經(jīng)驗,并建立了與巖土層物理、力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)驗關(guān)系,使其成果運用更加廣泛,目前主要應(yīng)用于判定粉土和砂土密實度,確定黏性土的狀態(tài)和無側(cè)限抗壓強度,確定地基承載力,確定土的抗剪強度,確定土的變性參數(shù),估算單樁承載力,計算剪切波速,評價砂粉土的地震液化等方面。海上勘探作業(yè)環(huán)境與陸地工程有較大差別,海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗受海水、桿長等因素影響,與陸域存在差異。陸域勘察所使用的標(biāo)準(zhǔn)貫入設(shè)備用于海上勘察,試驗成果的差異無法具體量化,目前國內(nèi)國際還沒有專門用于海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的設(shè)備,暫時采用陸域勘察的標(biāo)準(zhǔn)貫入設(shè)備。隨著我國建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略的提出,強化海洋油氣勘探開發(fā)、海上風(fēng)電基地建設(shè)、海上光伏發(fā)電基地化開發(fā)、跨海橋梁、人工島隧等的建設(shè),越來越多的近海工程應(yīng)運而生,近海工程的基礎(chǔ)形式多為樁基礎(chǔ),國內(nèi)海上項目樁基設(shè)計參考依據(jù)的規(guī)范包括《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2](JTS167—2018)、《港口工程樁基規(guī)范》[5](JTS167-4—2012)、歐標(biāo)及API(美國石油協(xié)會)規(guī)范等,這些主流規(guī)范砂類土的樁基設(shè)計參數(shù)、變形參數(shù)均是依據(jù)密實度劃分,而砂類土的密實度主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù),因此,海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的成果直接影響到近海工程基礎(chǔ)設(shè)計的質(zhì)量,對保證海上工程建設(shè)的安全性、經(jīng)濟性意義重大,提高海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精準(zhǔn)度有很大的必要性。

1 海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的影響因素分析

影響試驗精準(zhǔn)度的因素有多種,下面從人員因素、設(shè)備因素、客觀因素三方面進行分析。

1.1 影響試驗精準(zhǔn)度的人員因素

1.1.1 責(zé)任心不強、質(zhì)量意識差

現(xiàn)場操作人員工作態(tài)度不嚴(yán)謹(jǐn),馬虎大意,得過且過,敷衍了事、不積極,缺乏認(rèn)真負責(zé)精神。

1.1.2 操作不規(guī)范

部分現(xiàn)場操作人員一味追求進尺,追求施工速度,進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗測試時貫入速率過快,導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)失真;測試前清孔不到位或未清孔便直接進行測試,導(dǎo)致達不到預(yù)定測試深度;45cm刻度劃分不標(biāo)準(zhǔn),更有甚者不用標(biāo)尺標(biāo)定,完全憑個人感覺劃定刻度線;在測試結(jié)束后未對貫入器中的土樣進行認(rèn)真鑒別描述。

1.1.3 專業(yè)知識欠缺

從事勘察現(xiàn)場操作人員的技術(shù)水平差異較大,部分操作人員所具備的崗位專業(yè)知識不足,甚至有些施工班組為臨時拼湊人員組成,此類人員不了解具體的測試操作規(guī)程,理解不到測試的作用與目的,更意識不到規(guī)范操作的重要性。

1.2 影響試驗精準(zhǔn)度的設(shè)備因素

1.2.1 鉆桿、標(biāo)貫錘

1.2.2 導(dǎo)向桿

導(dǎo)向桿彎曲,導(dǎo)向桿長時間未使用產(chǎn)生銹跡,無法保持穿心錘與導(dǎo)向桿的潤滑度,這些情況都會增加標(biāo)貫錘下落的阻力,測試時無法使標(biāo)貫錘達到自由落體狀態(tài),使錘擊能量偏小,最終導(dǎo)致錘擊數(shù)偏少。

1.2.3 標(biāo)貫器刃口

貫入器刃口缺口、變形或磨損嚴(yán)重,使刃口與巖土體的接觸面積增大,降低了刃口切削土層的能力,導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)失真,錘擊數(shù)值偏大。

1.3 影響試驗精準(zhǔn)度的客觀因素

1.3.1 海上特殊作業(yè)環(huán)境

在海上勘察施工時,勘察施工船或漂浮式平臺受風(fēng)浪、潮流等影響起伏不定,鉆探設(shè)備隨之發(fā)生較大晃動,在進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗測試時無法找到固定參照物,會給記錄測試貫入深度帶來很大難度,影響記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3.2 海底特殊地層

我國近海、淺海區(qū)域覆蓋層厚度范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖海積沉積物,普遍分布有較多的粉砂、粉土層,該類土層厚度較大且易發(fā)生塌陷,在泥漿護壁不穩(wěn)的情況下容易造成塌孔、孔底殘渣較厚,對測試前的清孔工作造成很大難度;海相沉積物中局部包含較多貝殼、蠔殼等碎屑,且薄夾層、互層情況較多,對后期測試數(shù)據(jù)的整理分析造成困難。

2 提高海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精準(zhǔn)度的對策分析

2.1 針對人員因素的對策

2.1.1 增強作業(yè)人員責(zé)任心,提升質(zhì)量意識

在每次項目開工前,對現(xiàn)場操作人員進行職業(yè)道德素質(zhì)教育,營造進一步增強工作責(zé)任心的濃厚氛圍,讓操作人員認(rèn)識到測試質(zhì)量的重要性。創(chuàng)建合理的管理制度和管理辦法,給員工提供一個良好的成長環(huán)境,促進責(zé)任心的增強。建立責(zé)任心問責(zé)監(jiān)督機制,對操作人員責(zé)任心進行不定期的抽查,對多次檢查不合格人員及時淘汰。

2.1.2 規(guī)范測試操作程序

將標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗操作要點制作成冊并做到人手一本,每天開工前進行安全技術(shù)交底,主要內(nèi)容應(yīng)包括:控制落錘速度,錘擊速率每分鐘不應(yīng)超過30次;嚴(yán)格控制測試深度,貫入器下達后仔細檢驗是否下到預(yù)定測試深度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔底殘渣厚度超過5cm時,應(yīng)重新清孔后再進行測試;規(guī)范刻度畫線方式,必須采用鋼尺量測,并做到畫線清晰,嚴(yán)禁隨手亂畫;提出并卸開貫入器,對貫入器內(nèi)土樣進行有效長度測量,可作為實際貫入深度的參考,來校核讀數(shù)時的貫入深度誤差;貫入器中土樣需單獨記錄并詳細描述,并留存影像資料以備后查;現(xiàn)場測試結(jié)束后,對測試擊數(shù)有疑義的部位,采取標(biāo)貫擾樣進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗,后期可通過土工數(shù)據(jù)判斷該次測試結(jié)果是否具有代表性,有利于剔除異常數(shù)據(jù)。強調(diào)每一環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程執(zhí)行,現(xiàn)場地質(zhì)工程師全程旁站監(jiān)督,做到事前交底,事中監(jiān)督,事后校核。

2.1.3 嚴(yán)格執(zhí)行持證上崗制度

現(xiàn)場操作人員必須持證上崗,取得鉆工證、編錄證等證件后方可擔(dān)任相應(yīng)崗位,嚴(yán)禁無證人員臨時頂替。應(yīng)經(jīng)常舉辦相應(yīng)的規(guī)范知識培訓(xùn),提高技術(shù)人員專業(yè)素養(yǎng),只有提高從業(yè)人員素質(zhì),才能加強專業(yè)技術(shù)人員的隊伍建設(shè)。

2.1.4N值的修正

針對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)的修正問題,國內(nèi)外的意見很不一致。國外采用的傳統(tǒng)修正方法包括地下水位的修正、有效上覆土壓力修正;我們國內(nèi)一般不考慮這些修正,而主要考慮桿長修正,依據(jù)的是牛頓碰撞理論。我們國內(nèi)一直采用修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)來評價地基承載力,采用實測錘擊數(shù)確定砂(粉)土密實度、判別場地土層液化。因此,勘察報告中必須提供標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測錘擊數(shù),這是基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在實際的工程應(yīng)用時,應(yīng)結(jié)合具體的工程問題,參考相關(guān)規(guī)范,考慮是否進行桿長修正或其他方式修正。

2.1.5N值的統(tǒng)計分析

巖土體具有非均勻性和各向異性,同時考慮到參數(shù)的不同測定方式、方法、條件和不同的工程類別等多種因素,導(dǎo)致巖土體測試數(shù)據(jù)的分散性和變異性較大。為確保測試數(shù)據(jù)的可靠性和實用性,需對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。應(yīng)在合理分層的基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計整理,根據(jù)測試次數(shù)、地層均勻性,選擇合理的統(tǒng)計方法,對每層土的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和選取。在內(nèi)業(yè)資料整理時,必須對所得到的大量測試數(shù)據(jù)進行整理分析,才能取得具有代表性的數(shù)據(jù)進行巖土工程設(shè)計計算。在分析測試數(shù)據(jù)的可靠性和適用性時,主要考慮以下因素:①測試方法和其他原因?qū)y試數(shù)據(jù)的影響,②取值標(biāo)準(zhǔn),③不同測試方法相互校核驗證,④測試數(shù)據(jù)的離散程度,⑤測試方法與計算模型的匹配性。

巖土體的測試數(shù)據(jù)應(yīng)按場地的工程地質(zhì)單元及層位分別進行統(tǒng)計。工程地質(zhì)單元一般是指:在進行工程地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作時,具有相似的地質(zhì)條件,或者是在某方面具有相近的地質(zhì)特征,即將其視為一個可統(tǒng)計單位的單元體。一般處于同一工程地質(zhì)單元的巖土體特征如下:具有相同的地質(zhì)年代和成因類型,并處于同一地貌單元;具有基本相同的性質(zhì)特征,包括包含物的成分、狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì);具有基本相似的影響巖土層工程地質(zhì)性質(zhì)的因素;部分構(gòu)筑物的關(guān)鍵部位對不均勻變形比較敏感,這種情況應(yīng)該視需求劃分出更小的單元體。對地質(zhì)單元體內(nèi)的測試數(shù)據(jù)逐個檢查,有明顯錯誤或測試方法有問題的數(shù)據(jù)應(yīng)抽出檢查或?qū)⑵渖釛墶Ｍ粏卧w內(nèi)的測試數(shù)據(jù)應(yīng)基本接近,測試數(shù)據(jù)的離散性只能是土質(zhì)不均勻或測試誤差的隨機因素引起的,測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來后,如果某組數(shù)據(jù)離散性較大,應(yīng)分析造成誤差的原因,并剔除異常數(shù)據(jù)。

2.2 針對測試設(shè)備因素的對策分析

為了確保測試成果的準(zhǔn)確性,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備必須符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),并做到對設(shè)備進行定期檢查,尤其是針對那些易損耗設(shè)備,如鉆桿、貫入器刃口等;在使用過程中應(yīng)進行經(jīng)常性檢查,貫入器刃口要做到每次測試前進行檢查,當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆桿彎曲度≥1/1 000、貫入器刃口出現(xiàn)破損,應(yīng)立即更換。

2.3 針對客觀因素的對策分析

2.3.1 針對海上特殊作業(yè)環(huán)境的對策分析

目前,克服海上惡劣作業(yè)環(huán)境的最有效方式,是在固定式平臺上進行勘察施工,但是普通的地質(zhì)勘探孔幾乎都是一次性鉆孔,同一個位置不會重復(fù)勘探,搭建海上固定式平臺無法做到重復(fù)利用,并且搭建海上固定式平臺難度大、耗時久、成本高,無論從工期上還是經(jīng)濟適用性上都不滿足實際需求。因此,克服海上特殊作業(yè)環(huán)境的主要策略,還是要放在如何在勘察施工船或浮動式平臺上提高量測貫入度的準(zhǔn)確性上。下面對以下幾種方法的適用性進行分析:①使用波浪補償器,②使用位移傳感器,③固定套管。

使用波浪補償器:波浪補償器一般的理解是用來降低風(fēng)浪對海上施工作業(yè)的影響,現(xiàn)有的波浪補償設(shè)備主要是應(yīng)用于在海上懸吊貨物保持相對穩(wěn)定,仔細了解其工作機理后,發(fā)現(xiàn)波浪補償器對于降低漂浮式平臺或勘察施工船本身晃動效果不明顯,因此,采用現(xiàn)有的波浪補償裝備的方法不適用。

使用位移傳感器:以位移傳感器現(xiàn)有的技術(shù)水平,使用前需要先將傳感器的本體安裝在一個固定的位置,采集原件可以安裝在鉆桿上,然而勘察施工船或浮動式平臺上所有的物體都在隨著風(fēng)浪晃動,無法為傳感器提供一個能正常使用的環(huán)境,即便是激光位移傳感器,同樣需要先將激光發(fā)射裝置和位置感測裝置固定,并且激光的發(fā)生裝置相對比較復(fù)雜,體積較大,無法滿足勘察施工船或浮動式平臺的作業(yè)條件。因此,通過現(xiàn)有的位移傳感器量測標(biāo)貫進尺貫入度是行不通的。

固定套管:在海上勘察施工時,一般情況下要防止套管脫落。套管是與船體固定連接的,這種情況下套管會隨著船體上下起伏,套管口無法作為測試的固定基準(zhǔn)面。為了固定套管,現(xiàn)在可將套管下入到穩(wěn)定土層上,并下入足夠的土層深度,讓套管與船體脫離,僅在套管口用鋼絲繩連接,并將鋼絲繩預(yù)留出1m的富余長度,防止套管最終墜落,這種情況下套管處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài),測試時可將套管口作為固定基準(zhǔn)面來量測貫入度。采用這種方法需要專門搭設(shè)鉆機平臺,將鉆機抬高,使鉆機底部與套管口保持1m左右的距離,以免鉆機隨著船體下浮時與套管發(fā)生碰撞。

在鉆探深度達到穩(wěn)定土層以前,套管還是需要與船體或平臺固定,在這期間該如何尋找固定基準(zhǔn)面又成為新的問題。經(jīng)過對微型無人機的配置與功能調(diào)研,發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的微型無人機中,配有GPS款式機已經(jīng)可以實現(xiàn)簡單的空中懸停,并且可以做到抵御四級風(fēng)而保持穩(wěn)定狀態(tài)。不穩(wěn)定土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)一般較少,按每分鐘30擊的錘擊速率,一分鐘之內(nèi)足夠完成錘擊測試,在不到一分鐘的時間內(nèi),兩米左右的飛行高度情況下,微型無人機做到垂直精度厘米級的懸停不難實現(xiàn),一塊電池的續(xù)航時間可以達到30分鐘,基于此,可以采用微型無人機配合迷你激光筆,將迷你激光筆固定在微型無人機上,在進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗測試時,將迷你激光筆的光點投在測試用鉆桿上,以迷你激光筆的光點作為固定基準(zhǔn)點進行測試貫入度的測量。因此,利用微型無人機配合固定套管的方法是可行的。該方法的具體結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗體系結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 針對海相沉積層的對策分析

針對砂類土層較厚的情況,合理選擇循環(huán)液,根據(jù)地層變化適時調(diào)整泥漿配比以確保護壁穩(wěn)定,在砂類土中采用優(yōu)質(zhì)泥漿,并保證充分的循環(huán)時間,將清孔殘渣攜帶至地表;針對薄夾層多、包含物多的情況,在試驗結(jié)束后,根據(jù)錘擊數(shù),配合對貫入器內(nèi)巖芯樣的仔細鑒別,判斷是否是變層交界線,是否有薄夾層,是否包含大量貝殼碎屑等,對情況異常的部位進行標(biāo)注記錄,后期在統(tǒng)計成果數(shù)據(jù)時剔除異常值,以提高測試成果質(zhì)量。

3 結(jié)束語

海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是非常重要的海上巖土工程原位測試方法,在海上進行勘察作業(yè)與其他海上施工項目不同。由于現(xiàn)有的勘察施工船或浮動平臺噸位較小,為了達到鉆探測試的精準(zhǔn)度,浪高達到0.8m就很難做到高質(zhì)量作業(yè),有時甚至施工一天就要回港避風(fēng)三天。如何在有限的作業(yè)窗口期內(nèi)、惡劣的作業(yè)條件下確保測試成果的精準(zhǔn)度,需要廣大從業(yè)人員加以注意。影響海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精準(zhǔn)度的因素有很多,從測試的人員因素、設(shè)備因素、客觀因素等方面進行分析,并提出相應(yīng)切實可行的對策,可為廣大從業(yè)人員提供參考,同時希望能為提高我國海上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗精準(zhǔn)度盡一份綿薄之力。