陳智勇1 陳曉東2 柴建峰2
（1，中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100010)
摘 要：通過分析某涉外跨海大橋工程地質(zhì)勘察中的SPT差異問題，發(fā)現(xiàn)鉆孔直徑、鉆探工藝、標(biāo)貫頭刃口尺寸和泥漿濃度的差異等顯著影響砂性地層中的SPT擊數(shù)。特別是小口徑套管下到鉆孔底部限制了土體的變形，進(jìn)而影響了SPT測(cè)試結(jié)果；泥漿濃度過低將不足以將孔底殘?jiān)貏e是顆粒較大的砂礫攜帶出鉆孔等等，這些因素的累計(jì)導(dǎo)致了兩家勘察公司N值出現(xiàn)了較大的差異。最后對(duì)跨海大橋的勘察管理提出一些建議。希望本文能起到拋磚引玉的作用，引起越來越多的人重視勘察手段、技術(shù)研究，進(jìn)而加強(qiáng)勘察資料的可信度和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；影響因素；套管效應(yīng)；鉆孔直徑；鉆探工藝；刃口厚度；泥漿濃度
0 引 言
目前國(guó)內(nèi)有關(guān)SPT的論文和文獻(xiàn)更多熱衷于探索SPT和土體物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系式或經(jīng)驗(yàn)公式，特別是通過SPT確定不同類型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)參數(shù)，而較少研究影響SPT的貫入擊數(shù)因素，尤其是對(duì)于深部鉆孔中的SPT[1～5]。希望本文能起到拋磚引玉的作用，引起越來越多的人重視勘察手段、技術(shù)研究，進(jìn)而加強(qiáng)勘察資料的可信度和可用性。
標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（Standard Penetration Test, SPT）在國(guó)內(nèi)外均有廣泛的應(yīng)用，一般適用于砂性土層中，也可在粘性土層中使用，主要用于土體的密實(shí)度判別和獲取基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。目前在跨海、跨河長(zhǎng)大橋梁通道的工程地質(zhì)勘察中有關(guān)SPT研究鮮有報(bào)道，存在的問題和挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：
（1）跨海大橋的覆蓋層一般較厚，可達(dá)100m以上，且砂性地層較多。在實(shí)際勘察中砂性土地層原狀土樣不易取，且擾動(dòng)較大，即使取了大量的土樣，室內(nèi)試驗(yàn)所得值和實(shí)際情況也有較大的差別，這樣以來實(shí)驗(yàn)室獲得巖土體物理力學(xué)參數(shù)和實(shí)際情況存在較大的差異。
（2）國(guó)內(nèi)越來越多的跨海、跨河特大橋的引橋基礎(chǔ)采用打入樁（施工快、成本低），一般為樁徑大于1m、深度大于50m的PHC或鋼管樁。由于SPT貫入和打入樁的打入具有一定的可比性，所以SPT能直接反映出打入樁施工時(shí)候的難易程度。
可見，深入分析影響SPT因素，進(jìn)而獲得合理可靠的SPT擊數(shù)及貫入度有利于合理準(zhǔn)確的確定深層砂性土地層的物理力學(xué)性質(zhì)、有利于優(yōu)化樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，也有利于指導(dǎo)后期打入樁的施工。基于以上認(rèn)識(shí)，以下通過工作中遇到的問題來分析影響SPT因素。
1 工程概況及問題提出
1.1 工程概況
工程為中國(guó)境外一長(zhǎng)度約20公里跨海大橋，水深2～20m，勘察方案和技術(shù)要求均執(zhí)行英標(biāo)（BS5930:1999）�？辈旃ぷ饔�2家公司承擔(dān)（甲公司為中國(guó)、乙公司為該國(guó)當(dāng)?shù)毓荆��？紤]到工程的重要性，為了減少和杜絕后期可能遇見兩家公司結(jié)論不一致的問題，在勘察正式開工前，布置2家公司沿橋軸線每間隔5km在同一位置各鉆一個(gè)鉆孔，共4個(gè)位置，編號(hào)zk1～zk4。由于英標(biāo)中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般更多直接采用SPT值，所以本次勘察技術(shù)要求，如鉆孔中未碰到基巖，SPT應(yīng)按1.5～2.0m間距執(zhí)行，且SPT 不做桿長(zhǎng)修正。
工可地質(zhì)勘察表明，擬建橋位地層相對(duì)單一，由第四紀(jì)地層和花崗巖地層組成，基巖埋深大于100m�；◢弾r是中生代時(shí)期侵入形成的；第四紀(jì)地層是全新世和更新世時(shí)代沉積形成的，主要由淤泥、淤泥質(zhì)粘土、砂性粘土、淤泥質(zhì)細(xì)到粗砂等構(gòu)成。
大體上，0～25m深度范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)層，該層含有海洋貝殼碎片和粉細(xì)砂，為典型的海相沉積。淤泥質(zhì)層以下，25～50m深度范圍主要為灰色、灰褐色的中密實(shí)到密實(shí)粉質(zhì)細(xì)到粗砂層和砂性粘土層。深度大于60m地層為硬塑的粘性土混砂、密實(shí)的中粗砂和礫砂�；鶐r為堅(jiān)硬的花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化層的厚度在10m左右。從前期鉆孔來看，標(biāo)準(zhǔn)貫入值隨著鉆孔深度的增加呈現(xiàn)較明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但總體上在0-30m深度范圍內(nèi)SPT值偏小，鉆孔深度一般大于50m時(shí)，SPT值才有可能等于或大于50。
1.2 問題的發(fā)現(xiàn)
圖1a-d為兩家勘察公司四個(gè)對(duì)比鉆孔的SPT值統(tǒng)計(jì)圖，可見N值相差之明顯。由于同一位置兩個(gè)對(duì)比鉆孔之間距離不超過2m，在幾乎相同的地質(zhì)條件下。差異主要呈現(xiàn)以下特征：①乙公司的SPT值明顯高于甲公司；②深度小于25m地層中兩家公司的SPT差別不大；③深度大于30m地層差異顯著，最大可達(dá)30擊；④乙公司多次連續(xù)出現(xiàn)N>50，且最厚的堅(jiān)硬地層達(dá)25m，以上存在的差異將嚴(yán)重影響打入樁樁長(zhǎng)、樁徑等其他設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。
2影響SPT擊數(shù)因素分析
為了明確差異來源，首先檢查了重錘的質(zhì)量、標(biāo)貫器的尺寸和鉆桿尺寸，發(fā)現(xiàn)兩家重錘的質(zhì)量和鉆桿直徑均滿足英標(biāo)要求，但標(biāo)貫器刃口兩家均存在問題：甲公司標(biāo)貫器刃口非常�。▓D2-a），只有0.6mm，小于英標(biāo)1.6mm的要求；而乙公司為了提高標(biāo)貫器擾動(dòng)樣的采樣率在刃口附近增加了塑料的倒鉤（圖2-b）。經(jīng)過協(xié)商和要求，甲公司換了新的標(biāo)貫頭，乙公司也取掉塑料倒鉤。重新鉆孔表明換了新的標(biāo)貫頭，甲公司的SPT值一般能提高2擊左右；而乙公司取掉紅色塑料倒鉤后SPT值也有一定的降低， SPT值一般能降低1～3擊。所以在勘查工作正式開始后明確要求兩家公司均采用新的標(biāo)貫頭，如刃口磨損嚴(yán)重，應(yīng)立即更換，且不允許乙公司在刃口放置塑料倒鉤。
(a)甲公司刃口照片
(b) 乙公司塑料倒鉤
圖2 SPT 標(biāo)貫頭照片
Fig. 2 cutting shoes’ photo of open-tube sampler
由于甲公司為國(guó)內(nèi)著名的勘察公司，信譽(yù)和質(zhì)量均有較好的保證，所以排查差異主要立足于乙公司。從鉆探工藝來看，乙公司鉆探工藝和鉆具和國(guó)內(nèi)有差別，如套管直徑僅為75mm，在整個(gè)鉆探工程中，采用套管跟到底的做法，即先采用水沖法將套管下到一定深度后，然后再下鉆桿（直徑42mm）清孔和SPT。由于采用水沖法使標(biāo)貫處的巖土體受到了壓密擾動(dòng)，且套管下到底后，在套管底部進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)時(shí)，套管也限制了其下部土體的擠壓變形，所以SPT值會(huì)偏大，而且這是最主要的問題之一，這也是導(dǎo)致乙公司SPT值過大的最關(guān)鍵因素。這個(gè)可以從彈性力學(xué)中圓孔附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到很好的解釋，孔徑越大，應(yīng)力釋放的越厲害，土體也就變形越大，所以SPT擊數(shù)就會(huì)相應(yīng)的減少。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后，要求乙公司在下套管時(shí)候采用回旋鉆進(jìn)，杜絕沖擊鉆進(jìn)，且套管下的深度要小于實(shí)施標(biāo)貫的深度，且要求不少于20cm，以上鉆探工藝糾正后，乙公司的SPT值大大降低。
在海上鉆探平臺(tái)檢查還發(fā)現(xiàn)乙公司的鉆工均為該國(guó)的外勞，且公司設(shè)備較為落后，鉆工體力消耗較大，所以鉆工為了省體力上下鉆桿時(shí)，鉆桿均沒有完全擰緊。在進(jìn)行SPT時(shí)，如果鉆桿沒有完全擰緊，在錘擊時(shí)每根鉆桿連接處的微小錯(cuò)動(dòng)會(huì)消耗錘擊能量，所以發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后，要求乙公司在操作SPT時(shí)必須鉆桿擰緊，且鉆桿垂直，經(jīng)過整改后SPT值也能有所降低。
雖然以上因素如刃口、倒鉤、鉆桿是否擰緊等影響SPT值，但經(jīng)過糾正后發(fā)現(xiàn)乙公司的SPT仍不能很好的甲公司一致。由于影響擊數(shù)最根本的原因是巖土體顆粒的級(jí)配、顆粒的均勻性、含水量、密實(shí)度、顆粒的成分、顆粒之間的膠結(jié)等。經(jīng)過仔細(xì)分析鉆孔柱狀圖，發(fā)現(xiàn)SPT顯著差別的一般出現(xiàn)在砂性地層中，或夾砂層特別是夾中粗砂的堅(jiān)硬粘土層。
現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，砂性土層中，乙公司通過標(biāo)貫器取的擾動(dòng)土樣往往是上部樣品和下部差別明顯，即上部存在部分中粗砂甚至礫砂顆粒，這表明清孔不干凈，孔底殘留粗粒物質(zhì)。經(jīng)過詢問得知當(dāng)?shù)卣惩练坌柽M(jìn)口，價(jià)格和當(dāng)?shù)卮竺變r(jià)格幾乎一樣，約合人民幣每公斤2元。而乙公司為了追求最大利潤(rùn)，泥漿的濃度比較稀薄，回收使用，且清孔時(shí)間較短。
由于泥漿太稀薄，所以在清孔的時(shí)候，可能不足于將孔底殘留的中粗砂、砂礫等粗顆粒物質(zhì)攜帶出鉆孔，導(dǎo)致SPT值嚴(yán)重失真。事實(shí)也如所料，當(dāng)加大泥漿濃度后，即濃度以手伸入泥漿能掛手以標(biāo)準(zhǔn)，且鉆探機(jī)具和工藝等均按上述要求改進(jìn)后，乙公司的SPT值顯著降低。通過以上對(duì)比工作，減小后續(xù)正式勘察工作中可能遇見隱患和風(fēng)險(xiǎn)。
3 結(jié)論和建議
通過以上分析可知，鉆孔直徑、套管效應(yīng)、鉆探工藝、標(biāo)貫頭尺寸及倒鉤、鉆桿是否擰緊等影響SPT值的大小，且鉆孔直徑、鉆探工藝、泥漿濃度和清孔時(shí)間的影響尤為顯著，所以在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以上因素。
工程地質(zhì)勘察時(shí)，在深部砂性地層中合理的布置SPT測(cè)試，可以大量較少采樣數(shù)量，減少室內(nèi)土工試驗(yàn)工作量，并可用于指導(dǎo)后期打入樁施工，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可減少勘察的外業(yè)作業(yè)時(shí)間，降低在大風(fēng)大浪中勘察鉆探的施工風(fēng)險(xiǎn)，如本次勘察中，由于在深部砂性地層布置大量的SPT，減少原狀樣的數(shù)量，縮短了工期，節(jié)省租船等費(fèi)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。更深層次的意義在于優(yōu)化勘察手段，倡導(dǎo)新的勘察理念。
對(duì)于勘察范圍比較廣的線狀工程，如跨海跨江大橋勘察中注意以下幾點(diǎn)：
（1）對(duì)于重大工程，如不得已需要?jiǎng)澐謳讉�(gè)標(biāo)段由不同的承包商來承擔(dān)勘察工作時(shí)，應(yīng)選用質(zhì)量有保障信譽(yù)好的勘察公司，為了后續(xù)資料的一致和統(tǒng)一，應(yīng)委托實(shí)力最強(qiáng)的勘察承包商為主體單位，負(fù)責(zé)最后勘察成果的統(tǒng)一、匯總和編寫。且應(yīng)實(shí)行勘察監(jiān)理制度。
（2）在正式勘察前，應(yīng)確保各家勘察承包商鉆探和原位測(cè)試等設(shè)備一致，如標(biāo)貫器等機(jī)具是否一致，且滿足國(guó)標(biāo)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
（3）正式勘察前，應(yīng)在工程地質(zhì)條件相同的地點(diǎn)，各家布置適量的鉆孔相互驗(yàn)證和校核，特別是對(duì)比SPT值，并規(guī)范土體的現(xiàn)場(chǎng)定名和地層劃分。
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