淺析如何提高海上標準貫入試驗精準度

申永斌, 曹方秀, 袁文雷

(山東省魯南地質工程勘察院,山東 濟寧 272100)

0 引 言

標準貫入試驗是在20世紀40年代末期逐步發展起來的,起初在美國和日本得到廣泛應用,60年代在國內普及,我國目前采用的SPT設備與國際標準一致,經過數十年的發展應用,國內外積累了大量的使用經驗,并建立了與巖土層物理、力學指標的經驗關系,使其成果運用更加廣泛,目前主要應用于判定粉土和砂土密實度,確定黏性土的狀態和無側限抗壓強度,確定地基承載力,確定土的抗剪強度,確定土的變性參數,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。海上勘探作業環境與陸地工程有較大差別,海上標準貫入試驗受海水、桿長等因素影響,與陸域存在差異。陸域勘察所使用的標準貫入設備用于海上勘察,試驗成果的差異無法具體量化,目前國內國際還沒有專門用于海上標準貫入試驗的設備,暫時采用陸域勘察的標準貫入設備。隨著我國建設海洋強國戰略的提出,強化海洋油氣勘探開發、海上風電基地建設、海上光伏發電基地化開發、跨海橋梁、人工島隧等的建設,越來越多的近海工程應運而生,近海工程的基礎形式多為樁基礎,國內海上項目樁基設計參考依據的規范包括《碼頭結構設計規范》[2](JTS167—2018)、《港口工程樁基規范》[5](JTS167-4—2012)、歐標及API(美國石油協會)規范等,這些主流規范砂類土的樁基設計參數、變形參數均是依據密實度劃分,而砂類土的密實度主要依據標準貫入試驗錘擊數,因此,海上標準貫入試驗的成果直接影響到近海工程基礎設計的質量,對保證海上工程建設的安全性、經濟性意義重大,提高海上標準貫入試驗精準度有很大的必要性。

1 海上標準貫入試驗的影響因素分析

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

1.1 影響試驗精準度的人員因素

1.1.1 責任心不強、質量意識差

現場操作人員工作態度不嚴謹,馬虎大意,得過且過,敷衍了事、不積極,缺乏認真負責精神。

1.1.2 操作不規范

部分現場操作人員一味追求進尺,追求施工速度,進行標準貫入試驗測試時貫入速率過快,導致測試數據失真;測試前清孔不到位或未清孔便直接進行測試,導致達不到預定測試深度;45cm刻度劃分不標準,更有甚者不用標尺標定,完全憑個人感覺劃定刻度線;在測試結束后未對貫入器中的土樣進行認真鑒別描述。

1.1.3 專業知識欠缺

從事勘察現場操作人員的技術水平差異較大,部分操作人員所具備的崗位專業知識不足,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程,理解不到測試的作用與目的,更意識不到規范操作的重要性。

1.2 影響試驗精準度的設備因素

1.2.1 鉆桿、標貫錘

1.2.2 導向桿

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

1.2.3 標貫器刃口

貫入器刃口缺口、變形或磨損嚴重,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,導致測試數據失真,錘擊數值偏大。

1.3 影響試驗精準度的客觀因素

1.3.1 海上特殊作業環境

在海上勘察施工時,勘察施工船或漂浮式平臺受風浪、潮流等影響起伏不定,鉆探設備隨之發生較大晃動,在進行標準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,影響記錄數據的準確性。

1.3.2 海底特殊地層

我國近海、淺海區域覆蓋層厚度范圍內主要為第四系全新統及上更新統沖海積沉積物,普遍分布有較多的粉砂、粉土層,該類土層厚度較大且易發生塌陷,在泥漿護壁不穩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,對后期測試數據的整理分析造成困難。

2 提高海上標準貫入試驗精準度的對策分析

2.1 針對人員因素的對策

2.1.1 增強作業人員責任心,提升質量意識

在每次項目開工前,對現場操作人員進行職業道德素質教育,營造進一步增強工作責任心的濃厚氛圍,讓操作人員認識到測試質量的重要性。創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境,促進責任心的增強。建立責任心問責監督機制,對操作人員責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 規范測試操作程序

將標準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交底,主要內容應包括:控制落錘速度,錘擊速率每分鐘不應超過30次;嚴格控制測試深度,貫入器下達后仔細檢驗是否下到預定測試深度,當發現孔底殘渣厚度超過5cm時,應重新清孔后再進行測試;規范刻度畫線方式,必須采用鋼尺量測,并做到畫線清晰,嚴禁隨手亂畫;提出并卸開貫入器,對貫入器內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;現場測試結束后,對測試擊數有疑義的部位,采取標貫擾樣進行室內常規土工試驗,后期可通過土工數據判斷該次測試結果是否具有代表性,有利于剔除異常數據。強調每一環節必須嚴格按照操作規程執行,現場地質工程師全程旁站監督,做到事前交底,事中監督,事后校核。

2.1.3 嚴格執行持證上崗制度

現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任相應崗位,嚴禁無證人員臨時頂替。應經常舉辦相應的規范知識培訓,提高技術人員專業素養,只有提高從業人員素質,才能加強專業技術人員的隊伍建設。

2.1.4N值的修正

針對標準貫入試驗錘擊數的修正問題,國內外的意見很不一致。國外采用的傳統修正方法包括地下水位的修正、有效上覆土壓力修正;我們國內一般不考慮這些修正,而主要考慮桿長修正,依據的是牛頓碰撞理論。我們國內一直采用修正后的標準貫入試驗錘擊數來評價地基承載力,采用實測錘擊數確定砂(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準貫入試驗實測錘擊數,這是基礎數據,在實際的工程應用時,應結合具體的工程問題,參考相關規范,考慮是否進行桿長修正或其他方式修正。

2.1.5N值的統計分析

巖土體具有非均勻性和各向異性,同時考慮到參數的不同測定方式、方法、條件和不同的工程類別等多種因素,導致巖土體測試數據的分散性和變異性較大。為確保測試數據的可靠性和實用性,需對測試數據進行統計和分析。應在合理分層的基礎上進行統計整理,根據測試次數、地層均勻性,選擇合理的統計方法,對每層土的測試數據進行統計分析和選取。在內業資料整理時,必須對所得到的大量測試數據進行整理分析,才能取得具有代表性的數據進行巖土工程設計計算。在分析測試數據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對測試數據的影響,②取值標準,③不同測試方法相互校核驗證,④測試數據的離散程度,⑤測試方法與計算模型的匹配性。

巖土體的測試數據應按場地的工程地質單元及層位分別進行統計。工程地質單元一般是指:在進行工程地質數據統計工作時,具有相似的地質條件,或者是在某方面具有相近的地質特征,即將其視為一個可統計單位的單元體。一般處于同一工程地質單元的巖土體特征如下:具有相同的地質年代和成因類型,并處于同一地貌單元;具有基本相同的性質特征,包括包含物的成分、狀態和物理力學性質;具有基本相似的影響巖土層工程地質性質的因素;部分構筑物的關鍵部位對不均勻變形比較敏感,這種情況應該視需求劃分出更小的單元體。對地質單元體內的測試數據逐個檢查,有明顯錯誤或測試方法有問題的數據應抽出檢查或將其舍棄。同一單元體內的測試數據應基本接近,測試數據的離散性只能是土質不均勻或測試誤差的隨機因素引起的,測試數據統計出來后,如果某組數據離散性較大,應分析造成誤差的原因,并剔除異常數據。

2.2 針對測試設備因素的對策分析

為了確保測試成果的準確性,標準貫入試驗設備必須符合規范標準,并做到對設備進行定期檢查,尤其是針對那些易損耗設備,如鉆桿、貫入器刃口等;在使用過程中應進行經常性檢查,貫入器刃口要做到每次測試前進行檢查,當發現鉆桿彎曲度≥1/1 000、貫入器刃口出現破損,應立即更換。

2.3 針對客觀因素的對策分析

2.3.1 針對海上特殊作業環境的對策分析

目前,克服海上惡劣作業環境的最有效方式,是在固定式平臺上進行勘察施工,但是普通的地質勘探孔幾乎都是一次性鉆孔,同一個位置不會重復勘探,搭建海上固定式平臺無法做到重復利用,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濟適用性上都不滿足實際需求。因此,克服海上特殊作業環境的主要策略,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浪對海上施工作業的影響,現有的波浪補償設備主要是應用于在海上懸吊貨物保持相對穩定,仔細了解其工作機理后,發現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:以位移傳感器現有的技術水平,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浪晃動,無法為傳感器提供一個能正常使用的環境,即便是激光位移傳感器,同樣需要先將激光發射裝置和位置感測裝置固定,并且激光的發生裝置相對比較復雜,體積較大,無法滿足勘察施工船或浮動式平臺的作業條件。因此,通過現有的位移傳感器量測標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面。為了固定套管,現在可將套管下入到穩定土層上,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定的狀態,測試時可將套管口作為固定基準面來量測貫入度。采用這種方法需要專門搭設鉆機平臺,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生碰撞。

在鉆探深度達到穩定土層以前,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面又成為新的問題。經過對微型無人機的配置與功能調研,發現在現有的微型無人機中,配有GPS款式機已經可以實現簡單的空中懸停,并且可以做到抵御四級風而保持穩定狀態。不穩定土層的標準貫入錘擊數一般較少,按每分鐘30擊的錘擊速率,一分鐘之內足夠完成錘擊測試,在不到一分鐘的時間內,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,一塊電池的續航時間可以達到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,在進行標準貫入試驗測試時,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。該方法的具體結構體系如圖1所示。

圖1 海上標準貫入試驗體系結構圖

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,合理選擇循環液,根據地層變化適時調整泥漿配比以確保護壁穩定,在砂類土中采用優質泥漿,并保證充分的循環時間,將清孔殘渣攜帶至地表;針對薄夾層多、包含物多的情況,在試驗結束后,根據錘擊數,配合對貫入器內巖芯樣的仔細鑒別,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注記錄,后期在統計成果數據時剔除異常值,以提高測試成果質量。

3 結束語

海上標準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與其他海上施工項目不同。由于現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度,浪高達到0.8m就很難做到高質量作業,有時甚至施工一天就要回港避風三天。如何在有限的作業窗口期內、惡劣的作業條件下確保測試成果的精準度,需要廣大從業人員加以注意。影響海上標準貫入試驗精準度的因素有很多,從測試的人員因素、設備因素、客觀因素等方面進行分析,并提出相應切實可行的對策,可為廣大從業人員提供參考,同時希望能為提高我國海上標準貫入試驗精準度盡一份綿薄之力。