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(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2. 長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

隨著人類社會的發(fā)展和資源的緊缺，海洋資源的開發(fā)利用得到重視，海上構(gòu)筑物越來越多，因此海洋工程地質(zhì)勘探與評價尤為重要，其中掌握海洋土物理力學(xué)性狀是關(guān)鍵。在海洋勘探中，一般采用原位測試方法測量并推算土體物理力學(xué)性質(zhì)。目前常用的原位測試手段主要有靜力觸探試驗、十字板剪切試驗、旁壓試驗、扁鏟試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和動力觸探試驗等。然而十字板剪切試驗測試深度較小；旁壓試驗和扁鏟側(cè)脹試驗在海洋土中的應(yīng)用經(jīng)驗不足；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和動力觸探應(yīng)用于深層測試時需要進(jìn)行桿長修正，但修正方法不明確。目前應(yīng)用較廣泛的方法是靜力觸探，但目前存在國外設(shè)備昂貴、國內(nèi)設(shè)備和技術(shù)欠缺的現(xiàn)狀。因此研制出一套新型的可行的原位測試系統(tǒng)是目前亟需解決的問題。上拔式靜力觸探是基于目前國內(nèi)外原位測試的現(xiàn)狀研制的一種新型測試方法，本文對該方法的可行性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗對比研究。

2 海洋靜力觸探的測試發(fā)展現(xiàn)狀

在國外靜力觸探技術(shù)起步較早，目前發(fā)展較為成熟[1]。1932年，荷蘭工程師P. Barentsen進(jìn)行了世界上第一個靜力觸探試驗，到20世紀(jì)60年代才開始出現(xiàn)用于淺海等水域的靜力觸探裝置[2]。1965年左右，荷蘭和法國開始用小型自升式平臺進(jìn)行靜力觸探試驗，觸探深度僅5 m左右。1966年，荷蘭輝固公司研制了沉放式靜力觸探機“Seaball”以及Ⅰ型繩索式井下靜力觸探“Wison”[3]。1974—1976年，荷蘭與挪威合作設(shè)計并試驗了潛水艙式觸探機。1977年，荷蘭試驗了套管式平臺觸探裝置。與此同時，英國、挪威、日本、加拿大、前蘇聯(lián)和美國等國家先后研制出了可應(yīng)用于海洋勘探的靜力觸探設(shè)備，并投入到了實際工程應(yīng)用中[4-5]。近年來，英國的DATEM公司生產(chǎn)的mini CPT已經(jīng)走向了商業(yè)化發(fā)展[2]。雖然國外應(yīng)用于海域的靜力觸探設(shè)備較為先進(jìn)且理論和技術(shù)較成熟，但國外設(shè)備造價昂貴，測試成本高。

我國海洋靜力觸探技術(shù)起步較晚，最早在1973年，中國科學(xué)院海洋研究所研制了沉放式水下靜力觸探。1976—1981年，交通部下屬的研究單位采用簡易水上觸探平臺，進(jìn)行了幾次水上靜力觸探試驗，但絕大部分水面到泥面間探桿失穩(wěn)、折斷而停止作業(yè)[4]。2003年，中國船舶工業(yè)勘察設(shè)計院結(jié)合MJ-II型頂壓式靜探機和靜探平臺研制出水域靜力觸探平臺[5]。2005年，吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所開發(fā)出“淺海域海底靜力觸探測試系統(tǒng)”[6]。2001—2005年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制出了以管內(nèi)液壓推進(jìn)系統(tǒng)為關(guān)鍵技術(shù)的海洋靜力觸探設(shè)備[7]。國內(nèi)海洋靜力觸探發(fā)展時間較短，目前設(shè)備和技術(shù)不成熟，國內(nèi)多數(shù)海洋勘探仍需要依靠國外進(jìn)口設(shè)備。

長江科學(xué)院研制的新型上拔式靜力觸設(shè)備[8]與傳統(tǒng)靜力觸探的不同之處是將下壓切割土體改為拉拔探頭切割土體的方式，該設(shè)備的探頭有2片剪切板(如圖1)，在上拔時可自動張開并刺入土體，在勻速上拔過程中所受阻力隨土層性質(zhì)改變，記錄拉拔阻力沿地層深度的變化曲線可推算土體物理力學(xué)性質(zhì)。這種上拔切割土體測試土體物理力學(xué)性質(zhì)的方法有效地解決了傳統(tǒng)靜力觸探探桿易失穩(wěn)的問題，同時該設(shè)備造價相較于國外設(shè)備更具有經(jīng)濟優(yōu)勢。為了驗證上拔式靜力觸探設(shè)備采用拉拔阻力體現(xiàn)土層性質(zhì)的可行性，在同一場地中分別進(jìn)行幾種原位測試，并對比幾種測試方法的測試參數(shù)隨土體深度的變化，驗證上拔式靜力觸探試驗基本參數(shù)與其他原位測試測試參數(shù)之間具有相似的變化規(guī)律。

圖1 上拔式靜力觸探探頭Fig.1 Probe of pull-out cone penetration test

圖2 原位測試場地土質(zhì)概況Fig.2 Profile of in-situ test soil strata

3 現(xiàn)場上拔式靜力觸探試驗論證

3.1 試驗場地土層概況

海洋地層原位測試環(huán)境惡劣，不能提供穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)，因此在陸地上選取了與海洋地層相類似的地層進(jìn)行原位試驗，這樣有利于控制試驗的不穩(wěn)定因素，增強試驗數(shù)據(jù)的可靠性。本文試驗所選的現(xiàn)場試驗場地揭露地層如圖2所示，地下水位在1.5 m附近隨降雨量有輕微波動。

該場地土層從上至下大體可分為3層，基本情況如下：

第1層為雜填土，成分多雜，結(jié)構(gòu)松散且疏密不均，具濕陷性，建筑性能較差，厚度0.7～1.0 m。

第2層為黏性土層，呈軟塑至可塑狀態(tài)，單層厚度小，承載力低，壓縮性中等或較高，建筑性能差或一般，厚度為13.0 m。該層從上至下細(xì)分為3小層：2-1層為軟塑至可塑黏土；2-2層為松散粉土(其中粉砂夾粉質(zhì)黏土)；2-3層為軟塑狀黏土夾粉土。

第3層為粉砂，該層從上至下細(xì)分為2小層：3-1層呈稍密狀態(tài)，厚度6.0 m左右；3-2層呈中密狀態(tài)，強度較高，壓縮性較低，建筑性能較好。

3.2 試驗方案

為對比上拔式靜力觸探與其他原位測試的基本參數(shù)關(guān)系，在該場地依次進(jìn)行了上拔式靜力觸探試驗、國產(chǎn)探頭的靜力觸探試驗、無電纜靜力觸探試驗、旁壓試驗以及鉆孔取樣和室內(nèi)試驗等。試驗方案如表1所示，各試驗的鉆孔點相對位置見圖3。

表1 試驗方案Table 1 Test schemes

圖3 各試驗的鉆孔點相對位置示意圖Fig.3 Locations of boreholes in different tests

圖4 拉拔靜力觸探上拔阻力隨深度變化的曲線Fig.4 Curves of pull-out force vs. depth

4 試驗成果

4.1 拉拔靜力觸探試驗

拉拔靜力觸探在3個孔中所測得的上拔力隨深度變化的曲線如圖4所示。其中1號孔為壓入式拉拔試驗，2號孔、3號孔為鉆孔式拉拔試驗。由圖4中可知2號孔、3號孔所測的拉拔力隨深度變化的曲線基本一致，說明上拔式靜力觸探試驗參數(shù)測量較穩(wěn)定，再現(xiàn)性較好。而1號孔所測拉拔力變化趨勢與2號孔、3號孔基本一致，但測得的值較小，這說明改變上拔式靜力觸探試驗方法對測試的值影響較大，但都能夠體現(xiàn)土層性質(zhì)隨深度的變化，將拉拔阻力應(yīng)用到推測土體力學(xué)性質(zhì)時的系數(shù)與經(jīng)驗公式有所不同。根據(jù)圖2土層概況和圖4拉拔阻力隨深度變化可知，上拔式靜力觸探探頭在2-1層和2-3層的飽和軟黏土中受阻力較小，在2-2層的粉土和3-1層的稍密粉砂中受阻力明顯更大。

4.2 國產(chǎn)探頭靜力觸探試驗

圖5 比貫入阻力與拉拔阻力隨深度變化的曲線Fig.5 Changes of specific penetration resistance and pull-out resistance against depth

圖6 錐尖阻力和拉拔阻力隨深度變化的曲線Fig.6 Changes of tip resistance and pull-out resistance against depth

采用國產(chǎn)靜力觸探微機和雙橋探頭進(jìn)行靜力觸探試驗，測試孔位置如圖3中的GC-1，得出靜力觸探錐尖阻力qc和側(cè)摩阻力fs隨深度變化的曲線。靜力觸探單橋探頭比貫入阻力ps是推求地層指標(biāo)的重要參數(shù)，因此通過雙橋靜力觸探的錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦力fs與比貫入阻力ps的關(guān)系式換算得到單橋靜力觸探的比貫入阻力ps。該比貫入阻力與1號孔(LCPT-1)拉拔阻力隨深度變化的曲線見圖5。由圖5可知，采用國產(chǎn)探頭靜力觸探得到的比貫入阻力與1號孔(LCPT-1)拉拔試驗的拉拔阻力基本一致，拉拔阻力隨深度的變化能夠反映土體力學(xué)性質(zhì)，上拔式靜力觸探試驗采用拉拔阻力這個測試參數(shù)判斷土層劃分、推測土層強度等是可行的。

根據(jù)圖2和圖5可知，在2-1層和2-3層的飽和軟黏土中，拉拔阻力比國產(chǎn)探頭靜力觸探比貫入阻力略小，在2-2層的粉土和3-1層、3-2層的粉砂中，除個別深度以外，拉拔阻力與比貫入阻力大小基本相同。

4.3 無電纜靜力觸探試驗

無電纜靜力觸探試驗的測孔為圖3中的CPT-1，與2號孔(LCPT-2)拉拔試驗較近，無電纜靜力觸探試驗所測的錐尖阻力與2號孔拉拔試驗所測的拉拔阻力隨深度的變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，錐尖阻力明顯比拉拔阻力小。錐尖阻力與拉拔阻力隨土體深度的變化趨勢基本一致，但存在深度方向上的錯位，可能需要對上拔式靜力觸探進(jìn)行深度修正。

4.4 旁壓試驗

圖7 旁壓模量和拉拔阻力隨深度變化的曲線Fig.7 Changes of lateral loading modulus and pull-out resistance against depth

旁壓試驗采用了法國APAGEO公司G-AM型旁壓儀，通過氮氣源分級加載，人工測讀的方式記數(shù)。2個孔的旁壓模量與2號孔(LCPT-2)拉拔試驗的拉拔阻力隨深度變化的曲線如圖7所示。在相同深度土體中，1號孔、2號孔旁壓試驗(PMT-1、PMT-2)所測旁壓模量基本一致。從圖7中可以看出旁壓模量曲線與拉拔阻力曲線重合部分較少，可能是由于旁壓試驗測點間距離比拉拔試驗的遠(yuǎn)，試驗所得旁壓模量曲線不能很好體現(xiàn)實際土體旁壓模量。在2-1層、2-3層黏土中，若僅比較旁壓試驗測點處的旁壓模量與對應(yīng)深度處的拉拔試驗的拉拔阻力，二者較為接近，但是在2-2層的粉土和3-1層、3-2層的粉砂中，拉拔阻力比旁壓模量略大。

5 結(jié) 論

本文歸納了海洋地層靜力觸探技術(shù)和應(yīng)用的現(xiàn)狀，針對國外海洋靜力觸探系統(tǒng)造價高、國內(nèi)海洋靜力觸探技術(shù)不成熟等問題，介紹了長江科學(xué)院提出的上拔式靜力觸探新方法。為驗證該方法的可行性，本文在同一場地分別進(jìn)行了3組拉拔試驗、2組靜力觸探試驗以及2組旁壓試驗，結(jié)合鉆孔取樣得到的試驗場地土層概況，對比幾種試驗的拉拔阻力、比貫入阻力、錐尖阻力以及旁壓模量隨深度的變化曲線，得到了以下幾個結(jié)論：

(1)拉拔試驗測得的拉拔阻力較為穩(wěn)定，再現(xiàn)性較好。拉拔探頭在軟黏土等力學(xué)性能較差的土層中受到的阻力比在密實砂土等力學(xué)性較好的土層中更大，這也是符合常理的。但是拉拔試驗方法對所測拉拔阻力影響較大，采用不同測試方法反映土體性質(zhì)時需要根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗公式或系數(shù)推算。

(2)在本文中幾組試驗中，壓入式拉拔試驗所測拉拔阻力與國產(chǎn)探頭的雙橋靜力觸探換算得到的比貫入阻力最為貼合，尤其是在粉土和砂土中。在軟黏土中，拉拔阻力與比貫入阻力相比略小。因此分別研究拉拔阻力在不同土體中采用的經(jīng)驗公式或系數(shù)。

(3)鉆孔式拉拔阻力與無電纜靜力觸探錐尖阻力相比明顯大得多，且隨深度方向變化趨勢相近但存在較小的錯位，在采用鉆孔式拉拔阻力反映土體力學(xué)性能時需要考慮深度修正。其次，拉拔阻力換算成錐尖阻力與換算成比貫入阻力的關(guān)系式有所區(qū)別。

(4)拉拔阻力與旁壓模量隨深度變化的曲線吻合度欠佳，可能是由于旁壓試驗測點距離太大，不能很好體現(xiàn)土體性質(zhì)。通過對比同深度測點處旁壓模量與拉拔阻力的大小可以看出二者之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。但是二者的相關(guān)關(guān)系在不同土層中不一樣，在軟黏土中二者基本相同，在粉土和砂土中拉拔阻力比旁壓模量更大。二者之間的換算公式隨不同性質(zhì)土層會改變。

通過現(xiàn)場試驗驗證了該方法的重復(fù)性、準(zhǔn)確性以及上拔式靜力觸探與傳統(tǒng)靜力觸探的高度一致性。上拔式靜力觸探采用拉拔阻力這個測試參數(shù)反映土層性質(zhì)是可行的，上拔式靜力觸探提供了一種經(jīng)濟可行的測試方案，未來對上拔式靜力觸探的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、測試參數(shù)與被測試土的力學(xué)特性之間相關(guān)規(guī)律的進(jìn)一步研究可促進(jìn)靜力觸探在海洋工程中的應(yīng)用，具有重要意義和實用價值。