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)計院有限公司，上海200032；2中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，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，進而影響了SPT測試結(jié)果；泥漿濃度過低將不足以將孔底殘渣特別是顆粒較大的砂礫攜帶出鉆孔等等，這些因素的累計導致了兩家勘察公司N值出現(xiàn)了較大的差異。最后對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，進而加強勘察資料的可信度和實用性。
關(guān)鍵詞：標準貫入試驗；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
目前國內(nèi)有關(guān)SPT的論文和文獻更多熱衷于探索SPT和土體物理力學參數(shù)的關(guān)系式或經(jīng)驗公式，特別是通過SPT確定不同類型基礎(chǔ)的設(shè)計參數(shù)，而較少研究影響SPT的貫入擊數(shù)因素，尤其是對于深部鉆孔中的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，進而加強勘察資料的可信度和可用性。
標準貫入試驗（Standard Penetration Test, SPT）在國內(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度判別和獲取基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)。目前在跨海、跨河長大橋梁通道的工程地質(zhì)勘察中有關(guān)SPT研究鮮有報道，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100m以上，且砂性地層較多。在實際勘察中砂性土地層原狀土樣不易取，且擾動較大，即使取了大量的土樣，室內(nèi)試驗所得值和實際情況也有較大的差別，這樣以來實驗室獲得巖土體物理力學參數(shù)和實際情況存在較大的差異。
（2）國內(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候的難易程度。
可見，深入分析影響SPT因素，進而獲得合理可靠的SPT擊數(shù)及貫入度有利于合理準確的確定深層砂性土地層的物理力學性質(zhì)、有利于優(yōu)化樁基礎(chǔ)設(shè)計，也有利于指導后期打入樁的施工�；谝陨险J識，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
工程為中國境外一長度約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（BS5930:1999）�？辈旃ぷ饔�2家公司承擔（甲公司為中國、乙公司為該國當?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鉆孔，共4個位置，編號zk1～zk4。由于英標中基礎(chǔ)設(shè)計一般更多直接采用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 不做桿長修正。
工可地質(zhì)勘察表明，擬建橋位地層相對單一，由第四紀地層和花崗巖地層組成，基巖埋深大于100m。花崗巖是中生代時期侵入形成的；第四紀地層是全新世和更新世時代沉積形成的，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、灰褐色的中密實到密實粉質(zhì)細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、密實的中粗砂和礫砂�；鶐r為堅硬的花崗巖，強風化層的厚度在10m左右。從前期鉆孔來看，標準貫入值隨著鉆孔深度的增加呈現(xiàn)較明顯的增長趨勢，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，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對比鉆孔的SPT值統(tǒng)計圖，可見N值相差之明顯。由于同一位置兩個對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30擊；④乙公司多次連續(xù)出現(xiàn)N>50，且最厚的堅硬地層達25m，以上存在的差異將嚴重影響打入樁樁長、樁徑等其他設(shè)計參數(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要求，但標貫器刃口兩家均存在問題：甲公司標貫器刃口非常�。▓D2-a），只有0.6mm，小于英標1.6mm的要求；而乙公司為了提高標貫器擾動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，甲公司換了新的標貫頭，乙公司也取掉塑料倒鉤。重新鉆孔表明換了新的標貫頭，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貫頭，如刃口磨損嚴重，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 標貫頭照片
Fig. 2 cutting shoes’ photo of open-tube sampler
由于甲公司為國內(nèi)著名的勘察公司，信譽和質(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內(nèi)有差別，如套管直徑僅為75mm，在整個鉆探工程中，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貫處的巖土體受到了壓密擾動，且套管下到底后，在套管底部進行標貫試驗時，套管也限制了其下部土體的擠壓變形，所以SPT值會偏大，而且這是最主要的問題之一，這也是導致乙公司SPT值過大的最關(guān)鍵因素。這個可以從彈性力學中圓孔附近的應(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)就會相應(yīng)的減少。發(fā)現(xiàn)這個問題后，要求乙公司在下套管時候采用回旋鉆進，杜絕沖擊鉆進，且套管下的深度要小于實施標貫的深度，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。
在海上鉆探平臺檢查還發(fā)現(xiàn)乙公司的鉆工均為該國的外勞，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，鉆桿均沒有完全擰緊。在進行SPT時，如果鉆桿沒有完全擰緊，在錘擊時每根鉆桿連接處的微小錯動會消耗錘擊能量，所以發(fā)現(xiàn)這個問題后，要求乙公司在操作SPT時必須鉆桿擰緊，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配、顆粒的均勻性、含水量、密實度、顆粒的成分、顆粒之間的膠結(jié)等。經(jīng)過仔細分析鉆孔柱狀圖，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硬粘土層。
現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)，砂性土層中，乙公司通過標貫器取的擾動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?shù)卣惩练坌柽M口，價格和當?shù)卮竺變r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，泥漿的濃度比較稀薄，回收使用，且清孔時間較短。
由于泥漿太稀薄，所以在清孔的時候，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，導致SPT值嚴重失真。事實也如所料，當加大泥漿濃度后，即濃度以手伸入泥漿能掛手以標準，且鉆探機具和工藝等均按上述要求改進后，乙公司的SPT值顯著降低。通過以上對比工作，減小后續(xù)正式勘察工作中可能遇見隱患和風險。
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、泥漿濃度和清孔時間的影響尤為顯著，所以在實際工程中應(yīng)重點關(guān)注以上因素。
工程地質(zhì)勘察時，在深部砂性地層中合理的布置SPT測試，可以大量較少采樣數(shù)量，減少室內(nèi)土工試驗工作量，并可用于指導后期打入樁施工，降低施工風險。同時可減少勘察的外業(yè)作業(yè)時間，降低在大風大浪中勘察鉆探的施工風險，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)省租船等費用，具有明顯的經(jīng)濟效益。更深層次的意義在于優(yōu)化勘察手段，倡導新的勘察理念。
對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：
（1）對于重大工程，如不得已需要劃分幾個標段由不同的承包商來承擔勘察工作時，應(yīng)選用質(zhì)量有保障信譽好的勘察公司，為了后續(xù)資料的一致和統(tǒng)一，應(yīng)委托實力最強的勘察承包商為主體單位，負責最后勘察成果的統(tǒng)一、匯總和編寫。且應(yīng)實行勘察監(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試等設(shè)備一致，如標貫器等機具是否一致，且滿足國標或者行業(yè)標準的要求。
（3）正式勘察前，應(yīng)在工程地質(zhì)條件相同的地點，各家布置適量的鉆孔相互驗證和校核，特別是對比SPT值，并規(guī)范土體的現(xiàn)場定名和地層劃分。
參考文獻：
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[5]，袁鐘，李思源，申伯熙，標準貫入試驗的應(yīng)用及貫入擊數(shù)的影響因素，港工技術(shù)[J]，2002年12月，第4期，50～52
