孔壓靜力觸探試驗(yàn)(PCPT)在非均質(zhì)土勘察中的應(yīng)用

段存俊，吳朝東，趙 欣

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032)

非洲東北部亞丁灣西岸近海岸及海岸(吉布提共和國(guó)阿爾塔地區(qū))普遍分布較大厚度的含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂及含珊瑚礁砂質(zhì)黏土，厚度大于60 m，層底高程小于-75 m。該類土的特征為土顆粒(黏粒、粉粒及少量砂粒)局部膠結(jié)成塊狀，呈現(xiàn)非均質(zhì)性。

在巖土工程勘察時(shí)含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂很難采取到原狀土樣，即使采用雙管取樣器采取到土樣，由于含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)環(huán)刀無(wú)法切取試樣，因此無(wú)法進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，僅能進(jìn)行含水量、液塑限及顆粒分析試驗(yàn)。在該類土的巖土工程勘察中，一般常用的原位測(cè)試方法為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。孔壓靜力觸探試驗(yàn)(piezocone penetration test，簡(jiǎn)稱PCPT)可測(cè)得錐尖阻力(qc)、側(cè)壁阻力(fs)、探頭傾角(l)及動(dòng)孔隙水壓力(u2)。研究表明：土層中探頭附近孔壓的改變是由探頭擠土引起的八面體正應(yīng)力和探頭刺入剪切引起的八面體剪應(yīng)力共同作用的結(jié)果[1]。野外采集的PCPT原始數(shù)據(jù)通過(guò)CPT數(shù)據(jù)處理軟件[2]可計(jì)算出非均質(zhì)土的內(nèi)摩擦角(φ)、不排水抗剪強(qiáng)度(Su)等力學(xué)指標(biāo)及生成PCPT成果圖。另外，實(shí)測(cè)的探頭傾角可用于對(duì)試驗(yàn)深度進(jìn)行校正。特別是針對(duì)境外執(zhí)行美標(biāo)或歐標(biāo)的同類工程項(xiàng)目的巖土工程勘察[3-5]，PCPT原位測(cè)試相比標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)具有更廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)吉布提LNG工廠建設(shè)工程巖土勘察項(xiàng)目闡述PCPT在非均質(zhì)土勘察中的應(yīng)用，希望能為同類工程的勘察提供參考。

1 場(chǎng)地非均質(zhì)土分布與特征

采用的CONE GS10型孔壓靜力觸探探頭各傳感器位置見(jiàn)圖1。

圖1 探頭各傳感器位置

吉布提LNG工廠建設(shè)工程項(xiàng)目場(chǎng)地非均質(zhì)土分布與特征見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地非均質(zhì)土分布與特征

2 非均質(zhì)土孔壓靜力觸探試驗(yàn)方法

2.1 多重護(hù)管法

工程場(chǎng)地為近海岸，水深16～19 m，水底泥面高程為-17.1～-16.2 m，工程PCPT測(cè)試孔深度要求為50 m，需使用70 m長(zhǎng)的探桿。由于深度較大，探桿沒(méi)有橫向的邊界約束力，上部貫入推力極易對(duì)探桿造成不可逆轉(zhuǎn)的彎曲變形甚至折斷，導(dǎo)致PCPT測(cè)試無(wú)法到達(dá)設(shè)計(jì)終孔深度，故采用多重護(hù)管的施工方法(圖2)。

圖2 多重護(hù)管

以保護(hù)35.7 mm PCPT探桿、減少上部土層對(duì)探桿的摩阻力及導(dǎo)向?yàn)槟康模瑸镻CPT桿配置多重鋼護(hù)管(規(guī)格為φ146、φ108、φ73 mm)，其中φ73 mm護(hù)管底部配有合金鉆頭或復(fù)合片鉆頭(兼有鉆具功能)；鋼護(hù)管最上端設(shè)置卡扣將所有護(hù)管懸掛固定在鉆探平臺(tái)甲板上，以防止護(hù)管自沉擾動(dòng)土層。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施精確控制多重護(hù)管入泥深度，一般情況下，控制φ146 mm和φ108 mm護(hù)管嵌入軟土層至硬土層層頂為止，φ73 mm護(hù)管與PCPT探桿交替貫入，對(duì)于探桿嚴(yán)重反彈的情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加大φ146 mm和φ108 mm護(hù)管嵌入深度。

2.2 鉆機(jī)引孔配合施工工藝

從表1可知，場(chǎng)地分布的非均質(zhì)土主要為④2層含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂，以密實(shí)黏土質(zhì)砂為主，局部含有膠結(jié)碎塊與珊瑚礁，特別是當(dāng)探頭貫入至珊瑚礁時(shí)，孔壓靜力觸探探頭很難連續(xù)貫入，因此引入鉆機(jī)引孔施工工藝。

鑒于鉆機(jī)對(duì)含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂鉆進(jìn)適應(yīng)性較強(qiáng)，兼顧施工效率，引入GXY-1C型鉆機(jī)配合PCPT設(shè)備實(shí)施貫入，將配有滑道的鉆機(jī)設(shè)備裝載在鉆探平臺(tái)上，與PCPT設(shè)備相配合。

對(duì)于海底上部覆蓋軟層，使用PCPT探頭直接貫入，探頭進(jìn)入含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂后，當(dāng)錐尖阻力(qc)超過(guò)30 MPa或探頭傾角大于15°時(shí)，為防止探桿發(fā)生不可恢復(fù)的彎曲變形或探桿折斷，暫停試驗(yàn)，并記錄中止深度；然后起拔PCPT探桿，移開(kāi)PCPT貫入設(shè)備，通過(guò)滑道移動(dòng)鉆機(jī)至井口，鉆機(jī)直接對(duì)接φ73 mm鉆具實(shí)施鉆進(jìn)；根據(jù)土層的密實(shí)情況，采用φ73 mm鉆具鉆進(jìn)至探頭貫入深度以上0.5 m處或穿透局部珊瑚礁與膠結(jié)碎塊含量較多的層位，并記錄鉆探的深度，再下置探頭與探桿進(jìn)行孔壓靜力觸探試驗(yàn)，為了減少因鉆頭對(duì)試驗(yàn)土層擾動(dòng)影響PCPT數(shù)據(jù)，從本次鉆探引孔深度以下0.5 m開(kāi)始記錄；PCPT按每貫入1 cm采集1次數(shù)據(jù)，通過(guò)多次交替試驗(yàn)與鉆探引孔的方法，達(dá)到滿足PCPT試驗(yàn)深度的要求；由于孔壓靜力觸探探頭遇珊瑚礁或膠結(jié)碎塊時(shí)無(wú)法穿透需鉆探配合，導(dǎo)致孔壓靜力觸探的非連續(xù)性，因此在該類地層條件下，孔壓靜力觸探孔需布設(shè)在鉆探孔邊(影響范圍外)，與鉆探孔進(jìn)行對(duì)比。

3 孔壓靜力觸探試驗(yàn)成果的應(yīng)用

3.1 實(shí)例工程PCPT孔成果圖與其相鄰鉆孔地質(zhì)剖面圖對(duì)比分析

圖3為工程P8孔(PCPT)成果圖。P8孔位于鉆孔B105孔北側(cè)16 m，根據(jù)P8孔成果圖與B105～B2地質(zhì)剖面圖(圖4)對(duì)比，對(duì)④2、④3層PCPT指標(biāo)評(píng)價(jià)如下：

圖3 qc、fs 與u2成果圖

圖4 B2、B105孔地質(zhì)剖面(單位：m)

1)P8孔第④2層含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂的錐尖阻力qc最小值為2.22 MPa，最大值達(dá)49.8 MPa；側(cè)壁阻力fs最小值為0.05 MPa；最大值達(dá)0.94 MPa；摩阻比Rf最小值為0.12%，最大值為5.32%；動(dòng)孔隙水壓力u2在20 m以內(nèi)(高程-37 m)基本接近0或?yàn)樨?fù)壓，22 m(高程-39 m)以下反復(fù)振蕩，u2曲線呈鋸齒狀，局部接近0或?yàn)樨?fù)壓，充分表明土體以密實(shí)砂含致密膠結(jié)物為主，局部夾薄層黏性土，密實(shí)的膠結(jié)砂經(jīng)探頭刺入剪切破壞有剪脹效應(yīng)。

2)第④3層含珊瑚礁砂質(zhì)低液限黏土的錐尖阻力qc最小值為3.01 MPa，最大值達(dá)30.96 MPa；側(cè)壁阻力fs最小值為0.053 MPa；最大值達(dá)0.91 MPa；摩阻比Rf最小值為0.24%，最大值為6.99%；動(dòng)孔隙水壓力u2最大值為1.35 MPa，局部段基本接近0或?yàn)樨?fù)壓，平均值為0.07 MPa。

實(shí)例工程B105孔第④2層含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁黏土質(zhì)砂、④3層含珊瑚礁砂質(zhì)低液限黏土及⑤3層含珊瑚礁砂質(zhì)低液限黏土代表性芯樣見(jiàn)圖5。

圖5 各層代表性巖芯

3.2 工程場(chǎng)地非均質(zhì)土PCPT指標(biāo)

選取工程場(chǎng)地6個(gè)PCPT孔，對(duì)非均質(zhì)土PCPT指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 場(chǎng)地非均質(zhì)土PCPT指標(biāo)

3.3 非均質(zhì)土力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)

3.3.1非均質(zhì)土的內(nèi)摩擦角φ

采用的理論公式為：

(1)

表3 利用PCPT成果計(jì)算的內(nèi)摩擦角結(jié)果

3.3.2非均質(zhì)土的不排水抗剪強(qiáng)度Su

采用的理論公式為：

Su=(qc-σvz)/Nk

(2)

式中：Nk為孔壓圓錐系數(shù)，Nkmin=12，Nkmax=20；σvz為總豎向應(yīng)力，分別取表2中各土層統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值；經(jīng)計(jì)算各層不排水剪切強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 利用PCPT成果計(jì)算的不排水剪切強(qiáng)度結(jié)果

由于Nk是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并僅有最大、最小經(jīng)驗(yàn)值，因此在利用PCPT評(píng)價(jià)土的不排水剪切強(qiáng)度時(shí)，僅能評(píng)價(jià)一個(gè)范圍值，所以需要在借鑒國(guó)外已有成果的基礎(chǔ)上積累地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，利用PCPT成果還可評(píng)價(jià)土的密度ρ及土的應(yīng)力歷史如超固結(jié)比(OCR)等。

4 結(jié)語(yǔ)

1)PCPT探頭在測(cè)定錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs的同時(shí)測(cè)定了探頭周圍土體的動(dòng)孔隙水壓力u2及探頭傾斜角，特別是針對(duì)含有膠結(jié)碎塊與珊瑚礁的非均質(zhì)土，探頭易產(chǎn)生傾斜，通過(guò)實(shí)測(cè)的探頭傾角可對(duì)試驗(yàn)深度進(jìn)行校正，另外可對(duì)探頭貫入可行性進(jìn)行判斷，防止探桿產(chǎn)生永久彎曲變形甚至折斷。

2)含有珊瑚礁、膠結(jié)碎塊等的黏性、砂性非均質(zhì)土往往分布于近海岸、海岸區(qū)，由于該類土質(zhì)堅(jiān)硬或非常密實(shí)，PCPT探頭無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入。采用下置多重鋼套管結(jié)合φ73 mm鉆具分段貫入鉆探的施工工藝，解決了該類土層PCPT無(wú)法滿足設(shè)計(jì)深度要求的問(wèn)題，并獲得該非均質(zhì)土的錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs及動(dòng)孔隙水壓力u2。

3)含膠結(jié)碎塊、珊瑚礁非均質(zhì)土很難采取到原狀土樣，因此通過(guò)鉆探取樣手段難以獲得該類非均質(zhì)土的力學(xué)指標(biāo)，而利用PCPT成果計(jì)算可得該類非均質(zhì)土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ與不排水抗剪強(qiáng)度Su。