百米級深層軟土原位測試方法技術(shù)創(chuàng)新探討

摘要：隨著地下結(jié)構(gòu)的埋置深度和規(guī)模不斷增大，獲取可靠的百米級深層軟土物理力學特性參數(shù)十分必要，但目前針對深層軟土的原位測試方法較為缺乏。從現(xiàn)有通用性土體測試技術(shù)適用性及測試原理分析入手，充分考慮百米級深層軟土工程特性、工程應用場景、測試技術(shù)瓶頸等因素，提出對貫入式觸探技術(shù)方法及預鉆式旁壓技術(shù)方法進行測試技術(shù)創(chuàng)新和儀器設備研制的新思路和突破口，分別可用于獲取百米級深層軟土豎向和橫向物理力學特性。研究成果可為深層地下空間巖土工程的設計和施工提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：百米級深層軟土；原位測試；深層靜力觸探試驗；深層標準貫入試驗；深層旁壓試驗

中圖法分類號：TU447 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.035

0 引言

隨著地下空間建設領域的發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)的深度和范圍在不斷增大，要求更好、更有效地利用深層地下空間。由于地下空間開發(fā)影響范圍內(nèi)廣泛分布著高壓縮性、低承載力的軟土層，工程建設面臨著地質(zhì)條件更復雜、工程問題更突出的問題，為確保地下構(gòu)筑物的施工和運行安全，對于深厚軟土地層的物理力學性質(zhì)研究愈加重要。合適的巖土工程勘探測試手段往往是巖土體參數(shù)準確的有效保障，可靠的測試技術(shù)和設備將會是巖土工程原位測試的發(fā)展趨勢。沈珠江^［1］認為隨著巖土工程測試技術(shù)的發(fā)展和測試深度的增加，獲得較少擾動土樣進行常規(guī)室內(nèi)試驗是非常困難的。程展林等^［2］認為深厚地層物理力學特性研究，主要是通過開挖深槽、豎井、沉井及大直徑鉆孔等手段，并在現(xiàn)場進行大型試驗完成的，但測試深度有限，較深部和深部的土層只能采取類比和經(jīng)驗的方法推測確定，不能準確掌握土層客觀性質(zhì)。王長虹等^［3］認為準確的巖土參數(shù)是城市深層地下空間開展巖土力學分析的重要支撐，并針對深層軟土參數(shù)難以準確測試的難題，基于CPTU原位數(shù)據(jù)，采用隨機力學-貝葉斯方法快速校準深層軟土的關(guān)鍵巖土參數(shù)，但未考慮原狀土層的結(jié)構(gòu)性和各向異性。劉松玉等^［4］認為原位測試技術(shù)是真實獲得巖土工程參數(shù)的有效方法，可避免鉆孔取樣擾動，具有連續(xù)、快捷、可靠的特點。近年來，隨著采集技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，在深層和多源化方面取得了一些突破，但還需要進一步適應超深、極端環(huán)境及重大工程建設的要求。

近年來，地下結(jié)構(gòu)的埋置深度不斷增加、規(guī)模不斷增大，由于地質(zhì)條件的差別，部分百米級深層地下結(jié)構(gòu)仍置于軟土等不良地質(zhì)層位，獲取可靠的深層軟土物理力學特性參數(shù)十分必要。但目前，常用的軟土原位測試方法受儀器設備、鉆孔環(huán)境及地質(zhì)條件等限制，存在測試技術(shù)針對性不強、精細度不夠等問題^［5］，不能滿足百米級深層軟土的測試要求。

本文從現(xiàn)有通用性土體測試技術(shù)的適用性及測試原理分析入手，充分考慮百米級深層軟土工程特性、工程應用場景、測試技術(shù)瓶頸等因素，提出對貫入式觸探技術(shù)方法及預鉆式旁壓技術(shù)方法進行測試技術(shù)創(chuàng)新和儀器設備研制的新思路和突破口，可用于獲取百米級深層軟土豎向和橫向物理力學特性，為深層地下空間巖土工程的設計和施工提供技術(shù)支撐。

1 土體原位測試常用方法簡析

土體原位測試是在保持天然含水率和天然應力狀態(tài)，以及不擾動或基本不擾動土層的情況下，開展土體物理力學特性測試的試驗方法。相對室內(nèi)試驗，原位測試能避免取樣過程中應力釋放的影響和樣品運輸過程中的擾動，能夠在取樣難度較大的地層直接評價土層的性質(zhì)。原位測試技術(shù)可以連續(xù)獲得完整的土層剖面及其物理力學性質(zhì)指標，具有時間較短、效率高、經(jīng)濟可靠等優(yōu)點。劉皓等^［6］采用原位測試和室內(nèi)試驗對滇中引水工程昆明城區(qū)深厚復合軟土地層的力學參數(shù)分布特征進行了研究。賀錦美等^［7］通過對某一軟土地層采用多種原位測試方法和室內(nèi)土工試驗得到的成果進行分析，得出原位測試指標能更準確地反映軟土的力學性能。

目前，常用的原位測試方法有動力觸探（DPT）、載荷試驗（PLT）、標準貫入試驗（SPT）、十字板剪切試驗（VST）、靜力觸探（CPT）、扁鏟側(cè)脹試驗（DMT）、旁壓試驗（PMT）、波速試驗等，其優(yōu)缺點和適用范圍見圖1。具體可歸為兩類：①用于地層剖面測試的方法，如靜力觸探試驗、動力觸探試驗及電阻率法等，具有快速、經(jīng)濟、可連續(xù)測試的優(yōu)點，可用于地層劃分；②特殊地層或關(guān)鍵部位工程性質(zhì)指標的專門測試方法，如靜載荷測試、旁壓測試及十字板剪切試驗等，具有精度高，測試成果可直接供設計部門使用的優(yōu)點。

近年來，原位測試的技術(shù)及分析方法在不斷創(chuàng)新與改進，地方性的經(jīng)驗式經(jīng)過觀測數(shù)據(jù)的修正得出的結(jié)果更加可靠。通過原位測試直接或間接地進行工程勘察或巖土測試已成為巖土工程必不可少的方法。但目前研究成果主要針對淺層軟土，對于百米級深層軟土的測試方法和測試設備的研究相對較少，也缺乏統(tǒng)一的測試標準。

充分考慮勘察現(xiàn)場實際條件、人員專業(yè)素質(zhì)以及測試難度，從測試原理來看，靜力觸探試驗、標準貫入試驗等貫入式試驗方法在深層軟土豎向特性測試上具有理論上的可行性；旁壓試驗則在深層軟土水平向特性測試上理論可行。以下分別對這幾種試驗方法做深入分析，并針對深層軟土原位測試的瓶頸問題，提出改進思路。

2 CPT技術(shù)深層軟土測試方法

靜力觸探試驗（CPT）是將靜力觸探探頭壓入土層中，根據(jù)貫入的阻力來劃分土層及確定其物理力學性質(zhì)的一種測試方法，具有試驗速度快、數(shù)據(jù)連續(xù)、再現(xiàn)性好、操作省力等優(yōu)點。一般用于30 m以內(nèi)的各種軟土層，當測試深度超過30 m時，易引起孔斜、斷桿、探頭損壞、貫入力不足等問題。GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》也提出，當進行深層貫入試驗或穿過厚層軟土后再貫入硬土層時，應采取措施防止孔斜或斷桿，也可配置測斜探頭，量測觸探孔的偏斜角等方法。

近年來，深層靜力觸探方面的研究較少，由于設備的局限性，常規(guī)靜力觸探一般用于淺層軟土，難以滿足深層軟土測試要求。鐵道第三勘察設計院集團有限公司采用雙層管法靜探技術(shù)，使得靜力觸探測試深度達45～50 m；高敬等^［8］通過加設擴孔器的方法，實現(xiàn)深層貫入的目的，最大測試深度達75 m。任士房等^［9］自主研發(fā)的多重套管技術(shù)，提高了探桿抗彎和定位導向能力，進而提高了貫入深度，該技術(shù)在孟加拉國PADMA橋完成了多孔深度超過120 m的孔壓靜力觸探試驗。上述研究成果的測試深度雖達到百米，但桿件彎曲及桿件與孔壁摩擦等對測試成果影響的問題尚未得到解決。

目前的深層靜力觸探技術(shù)基本是針對某個工程的特殊情況，對現(xiàn)有靜力觸探設備進行改制，缺乏系統(tǒng)的理論研究以及大規(guī)模的推廣應用。汪明元^［10］、程永輝^［11］等突破傳統(tǒng)靜力觸探下壓式的模式，研制了上拔式靜力觸探設備，將特制上拔式探頭通過鉆孔壓入指定測試位置，探頭的兩片剪切板張開刺入土中，利用地面提供反力保持一定速率上拔，從而獲得測試土體在不同深度的上拔阻力，以此反映土層性質(zhì)并通過理論或經(jīng)驗公式得到深層土體的力學性質(zhì)。該方法經(jīng)濟適用，可解決傳統(tǒng)靜力觸探壓入困難、反力不足、測試易傾斜以及探頭易損壞等問題，為深層軟土測試提供了一種新的思路和方法，但目前缺乏成套體系的測試系統(tǒng)，上拔力與土層力學性質(zhì)之間的對應關(guān)系不明，還有待深入研究。

綜上，常規(guī)CPT技術(shù)從理論上看能夠開展深層軟土原位測試，但超長桿件彎曲以及桿件-鉆孔壁的不可控摩擦等問題依然存在，需要借助其他專業(yè)化技術(shù)手段進行輔助。

3 SPT技術(shù)深層軟土測試方法

標準貫入試驗（SPT）是根據(jù)貫入器貫入到規(guī)定深度（30 cm）所需的錘擊數(shù)來判定土層的工程力學性質(zhì)，標準貫入試驗是目前最常用的原位測試技術(shù)之一。然而，受到桿長修正的限制，GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》和GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定的測試深度一般不超過21 m，但實際工程中使用深度遠遠超過21 m，最大深度已達100 m，規(guī)范已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，這也是限制該方法在深層地層中應用的關(guān)鍵。

關(guān)于標貫試驗成果N值的修正，國內(nèi)外學者有不同意見，國外一般采用飽和粉細砂、地下水位、土的上覆壓力等修正，國內(nèi)一般采用桿長修正，然而實測桿件的錘擊應力波時，發(fā)現(xiàn)淺層測試時錘擊傳輸給桿件的能量變化遠大于桿長變化時能量的衰減。考慮到國內(nèi)很多規(guī)范建立的標貫擊數(shù)N值與土性參數(shù)、承載力的經(jīng)驗關(guān)系，所采用的N值均經(jīng)桿長修正。因此，關(guān)于標準貫入試驗的成果分析，一般要求勘察報告中提供未經(jīng)修正的標準貫入實測值作為基本數(shù)據(jù)，在工程應用時，使用人員可根據(jù)工程經(jīng)驗或所采用的規(guī)范確定是否進行修正和如何修正。陳龍偉等^［12］認為錘擊能量的傳遞率是衡量SPT試驗性能的一個重要指標，而在規(guī)范和工程應用中卻少有考慮。

圖2為地方規(guī)范標準貫入試驗探桿長度校正系數(shù)，最大桿長為75 m。由圖2可知：不同地區(qū)桿長校正系數(shù)在桿長21 m以內(nèi)是相同的，且曾列入國家標準GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》；桿長超過21 m的校正系數(shù)略有不同；桿長為75 m時的修正系數(shù)都為0.5。

對于標準貫入試驗桿長修正，目前，國內(nèi)外主要有牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論兩種方法。牛頓彈性碰撞理論是中國原《建筑地基基礎設計規(guī)范》（89版）采用的修正方法，但桿長修正深度僅為21 m。彈性桿波動理論是美國ASTM D 4633—86《動力觸探試驗應力波能量量測的標準試驗方法》^［13］等采用的修正方法，但提出的理論桿長修正系數(shù)僅針對桿長小于12 m時，超過12 m后不修正，采用牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論得出的修正系數(shù)差別較大。關(guān)于標準貫入試驗的桿長修正目前一直未有統(tǒng)一認識，見圖3。由圖3可知，不同研究者獲得的修正系數(shù)有較大差別，主要原因為大多數(shù)校正是通過理論推導獲得的。

綜上，以SPT為典型代表的動力錘擊式測試方法，較CPT方法從理論上更適合于深層軟土的原位試驗。動力錘擊式測試方法構(gòu)建了能量傳遞與探頭貫入之間的關(guān)系，不論是何種碰撞理論，其對于桿長做修正的理論基礎在于修正能量的損失。從完全定量的角度來看，若能夠獲取探桿頂部和底部的能量關(guān)系，則可以從能量的角度對錘擊數(shù)進行修正，即在錘墊附近設置一測力計，記錄探桿受錘擊后的力-時間時程曲線?；?qū)卓阱N擊處與孔底軟土反饋進行能量或應力信號采集，采用獲得的累積錘擊能或錘擊（沖擊）力校正傳統(tǒng)的錘擊數(shù)，建立考慮深層損耗因素的錘擊數(shù)與土體物理力學指標之間的關(guān)系，以為地方標貫校正系數(shù)標準的建立提供技術(shù)支撐。

4 PMT技術(shù)深層軟土測試方法

旁壓試驗（PMT）作為一種成熟的原位測試技術(shù)，經(jīng)過80多年的發(fā)展，在測試深度、最大加載壓力及應用廣泛性等方面具有一定優(yōu)勢，旁壓測試原理見圖4。但近年來由于國內(nèi)旁壓設備本身的技術(shù)性能提升不足和對試驗成果應用的研究不夠，在百米級深層軟土中的技術(shù)應用不能滿足工程需求。

對于軟土、軟塑—可塑狀的黏性土以及粉土和砂土一般采用自鉆式旁壓儀^［14］，但是自鉆式旁壓儀存在設備貴、測試深度有限、無法穿過硬土層等問題。冷勝強^［15］針對上述問題，對旁壓儀進行設備改造，使旁壓設備能夠使用傳統(tǒng)鉆機作為鉆孔動力，節(jié)約了自鉆式旁壓配套鉆機和專門鉆孔費用，可借用傳統(tǒng)鉆孔且增加測試深度，降低探頭損耗，改造后的設備已應用在托孟加拉帕德瑪公鐵兩用大橋工程勘察項目深厚粉細砂和下臥黏土層。吳文等^［16］應用日本OYO公司生產(chǎn)的4149型鉆孔旁壓儀，采用多級逐次加載方法進行深埋軟黏土的原位測試，獲得了深埋軟土的臨塑壓力、極限壓力及彈性模量，推測出了軟土的固結(jié)狀態(tài)、強度和變形參數(shù)。王漢武等^［17］采用改進后的高壓旁壓探頭，開展了超百米深埋粉細砂層注漿加固效果的旁壓試驗，得出注漿后砂層與擾動砂層相比臨塑壓力提高了4.7倍、旁壓模量提高了7.3倍。張晗等^［18］采用原位旁壓加卸載試驗，得到了原位土體加載情況下的剛度衰減規(guī)律及卸荷條件下影響剛度特性的關(guān)鍵因素，為控制地下空間開發(fā)中的土體變形問題提供了借鑒。程永輝等^［19］采用自主研制的室內(nèi)試驗系統(tǒng)，模擬深埋砂層的受力狀態(tài)，通過施加不同的上覆壓力模擬不同深度下的旁壓試驗，獲得了旁壓測試指標旁壓模量、臨塑壓力與上覆壓力之間的關(guān)系，提出了采用臨塑壓力確定地基承載力特征值的修正方法。

然而，目前深層軟土旁壓試驗仍存在鉆孔質(zhì)量不高、試驗操作滯后、探頭旁脹量不足、壓力不夠等問題，針對這些問題，從技術(shù)可行性的角度，可嘗試做如下創(chuàng)新性探索：①選取相對更大尺寸的探頭，適當擴大旁壓探頭-鉆孔壁軟土的接觸面積，提高深孔成孔質(zhì)量難以準確把握的容錯性；②考慮軟土的大變形特性，為完整獲取其旁壓曲線，研制拉伸彈性更優(yōu)越的膜材料，在較大的彈性應變下，提高膜材料的定伸強度；③考慮旁壓大變形對于兩端誤差的稀釋作用，簡化探頭結(jié)構(gòu)形式，改雙層膜結(jié)構(gòu)為單層膜結(jié)構(gòu)，改三腔為單腔，相應的提高主機旁脹量；④旁壓探頭具有一定的下壓功能，使得旁壓試驗能夠在更小的擾動條件下開展。

5 結(jié)論

（1）充分考慮百米級深厚軟土地層工程特性和工程應用性因素，在現(xiàn)有軟土測試技術(shù)研究和應用的基礎上，認為貫入式試驗方法（CPT/SPT）和旁壓試驗（PMT）更加具有理論可行性。

（2）傳統(tǒng)CPT測試在深層軟土測試中存在壓入困難、反力不足、測桿易傾斜以及探頭易損壞等問題，需要借助其他專業(yè)化技術(shù)手段進行輔助，不利于實際應用。

（3）以SPT為典型代表的動力錘擊式測試方法，較CPT方法從理論上更適合于深層軟土的原位試驗，動力錘擊式測試方法構(gòu)建了能量傳遞與探頭貫入之間的關(guān)系，在獲取探桿頂部和底部的能量關(guān)系后，可從能量的角度對錘擊數(shù)進行定量修正，解決難以獲取深層軟土原位豎向物理力學特性的難題。

（4）針對旁壓試驗PMT在深層軟土測試中存在的試驗操作滯后、探頭旁脹量不足、壓力不夠等問題，可從擴大探頭尺寸、選取適用于深層軟土地層外膜材料、改三腔為單腔以及強化探頭下壓功能等方面入手，研制高壓大膨脹量的自鉆式新型旁壓儀探頭。

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（編輯：郭甜甜）