吳早生 胡春東 白浩東 沙 鵬 黃 曼 王天佐

（1．華匯工程設計集團股份有限公司，浙江 紹興 312000；2．紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000）

0 引言

靜力觸探是目前巖土工程勘察的一種常用手段，是通過測定試驗過程中貫入阻力、側阻力以及孔隙水壓力等來劃分土層、判別土體液化以及某些基本物理力學特性的原位測試方法[1]。由于大多數(shù)靜力觸探理論研究均以阻力值為基礎，因此，保證探頭在貫入過程中阻力值有較高的準確度，有助于對靜力觸探理論研究。劉松玉、蔡國軍老師基于靜力觸探參數(shù)對江蘇地區(qū)土質特性進行多方面研究，包括軟土分層、判斷砂土液化及黏土的固結與滲透等[2-5]，很大程度上解決了江蘇地區(qū)由于土質特性導致的工程問題。Almeida 提出一個對錐尖阻力進行修正計算單樁側摩阻力和單樁端阻力的方法。Takesue 和Powell 分別剔除不同的新辦法，通過凈錐尖阻力得到單樁端阻力。綜上所述，能夠看出靜力觸探參數(shù)對理論研究的重要性，但是通過查閱文獻并沒有發(fā)現(xiàn)能夠確保靜力觸探參數(shù)具有高準確度的措施。因此，作者通過設計在靜力觸探貫入過程中深度與垂直度實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時掌握探頭的偏離角度和貫入的真實深度，提高靜力觸探的成果質量，對巖土工程勘察的發(fā)展具有重要的促進意義。

1 實時智能監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 設計原理

1.1.1 深度實時監(jiān)測

筆者對目前在靜力觸探試驗中深度記錄中所存在的不足進行分析，主要為無法保證深度記錄是否具有有效性和準確性，因此筆者設計一種深度實時監(jiān)測方法，該監(jiān)測方法主要采用拉線式位移傳感器和油壓傳感器，其原理為探頭在貫入過程中，地面貫入設備通過進行上下循環(huán)運動將探桿壓入土中，采用拉線式測距傳感器實時記錄貫入設備的位移且只需要采集向下運動的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算即可得出探頭的貫入深度。同時再采用油壓傳感器用來監(jiān)測拉線式測距傳感器和原有機械深度記錄器的工作，其原理為不同土層的軟硬程度不同，即探頭所受到阻力值不同，由于靜力觸探試驗在貫入過程中是保持勻速運動的，因此提供動力設備所需的油壓也就不用，因此只需要進行試驗采集不同土層的油壓數(shù)據(jù)，總結不同土層的油壓范圍，就可以達到監(jiān)測深度數(shù)據(jù)的目的。

1.1.2 垂直度實時監(jiān)測

由于無法對貫入過程中發(fā)生傾斜時進行糾正，因此只能采取對探桿的垂直度進行實時監(jiān)測，實時掌握到探桿的傾斜動態(tài)。作者設計了一種垂直度實時監(jiān)測方法，該監(jiān)測方法是通過含有陀螺儀的傾角傳感器對探桿傾角角度進行實時監(jiān)測，其原理為將帶有傾角傳感器的監(jiān)測模塊安裝在探頭與探桿之間的位置，其中傾角傳感器能夠持續(xù)監(jiān)測傾角角度并通過電信號傳至地面，形成時間-角度曲線，不僅能夠實時掌握到傾斜角度，還能設置預警值（由貫入深度和地質條件決定，通常為8°或者10°），當傾斜角度達到預警值時，能發(fā)出報警信號，及時停止靜力觸探試驗。

1.2 配置方案

深度監(jiān)測配置方案如下：所選用的油壓傳感器和拉線式測距傳感器如圖1 所示。其中油壓傳感器采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，保證測取油壓更加準確可靠。拉線式測距傳感器能夠將拉線的機械運動轉換為電信號，即可獲得繩端的位移。確定傳感器安裝位置時，首先需要確定控制貫入系統(tǒng)油管位置，通過觀察發(fā)現(xiàn)，油管與上部油壓表相連，因此設計油壓傳感器安裝在油壓表位置。選用拉線式測距傳感器的原因是其測量方式符合貫入系統(tǒng)中控制探桿上下位移的升降臺部位，因此該傳感器安裝在升降臺較為合適。

圖1 深度監(jiān)測傳感器安裝

垂直度監(jiān)測配置方案如下：由于靜力觸探探桿和探頭尺寸非常小且內(nèi)部可安裝傾角傳感器的空間更狹小，因此對傾角傳感器的尺寸要求極高。選用的傾角傳感器為九軸加速度計電子陀螺儀，其中裸板邊長僅為15 mm，厚度為2 mm。其中該模塊主要由連接鋼管和傾角傳感器模塊組成，如圖2 所示。

圖2 垂直度監(jiān)測配置方案

1.3 系統(tǒng)組成

上述深度和垂直度監(jiān)測內(nèi)容均為硬件方面，在該靜力觸探實時智能監(jiān)測系統(tǒng)中，同時還需要監(jiān)測軟件與其互相配合，達到智慧勘察的目的，該系統(tǒng)組成如圖3 所示，其中，數(shù)據(jù)收集和傳輸系統(tǒng)主要是由無紙記錄儀和DTU 組成的，無紙記錄儀的工作為收集和記錄傳感器數(shù)據(jù)，DTU 內(nèi)含4G 傳輸模塊，能夠進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖3 實時智能監(jiān)測系統(tǒng)

圖4 靜力觸探試驗場地

2 試驗應用案例

2.1 工程背景

靜力觸探深度與垂直度實時監(jiān)測系統(tǒng)首先被應用于浙江省紹興市平原地區(qū)，其平原地區(qū)位于紹興市偏北部，主要分布在越城區(qū)、上虞區(qū)和柯橋區(qū)大部。該文中應用案例為該地區(qū)內(nèi)天圣齊賢工業(yè)園區(qū)巖土勘察項目，其中靜力觸探孔為26 個。

2.2 試驗結果

在所設計的實時監(jiān)測系統(tǒng)中，探頭垂直度是需要在試驗過程中實時監(jiān)測的，既能防止探頭扭斷，又能保證靜探數(shù)據(jù)的準確性，圖5 為該試驗場地14 號孔探頭傾角的變化情況。

圖5 探頭實時傾斜角度

深度監(jiān)測模塊的功能是保證深度的有效性和精確劃分土層的準確性，既可以在試驗過程中實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以在試驗后對獲得的數(shù)據(jù)進行分析判斷有效性，同樣以14 號孔為例，其油壓在貫入過程中的變化如圖6（b）所示并且與靜力觸探在沒有阻力狀態(tài)下油壓變化的進行對比。

圖6 油壓變化對比

由圖6（a）可知，整體曲線變化規(guī)律可以看作是循環(huán)運動，取一個完整的運動過程進行分析，其無阻力狀態(tài)下油壓變化分為4 個階段，下壓階段Ⅰ對應的為貫入設備由上向下位移的過程，油壓為1.6MPa~1.8MPa，空檔階段II 對應的為貫入設備靜止狀態(tài)的過程，油壓為0.7MPa~0.8MPa，上升階段III 為貫入設備由下往上位移的過程，油壓為8.9MPa~9.1MPa，到達頂部和底部時階段IV 油壓為10.3MPa~10.4MPa。對比圖6（b）能夠看出，階段Ⅰ雜填土、階段Ⅱ黏質粉土、階段Ⅲ淤泥質粉質黏土、階段Ⅳ粉質黏土、階段Ⅴ黏土和階段Ⅵ粉細砂和中細砂層的油壓不同，其中在雜填土貫入過程中，油壓范圍為2.5MPa~2.7MPa，在黏質粉土中油壓范圍為2.7MPa~3.3MPa，淤泥質粉質黏土中油壓范圍為2.55MPa~2.8MPa，粉質黏土中油壓范圍為3.6MPa~3.9MPa，黏土中油壓范圍為3.3MPa~3.7MPa，砂層的油壓范圍為4MPa~6MPa，明顯看出不同土層的油壓范圍不同且跟土層的軟硬程度存在一定的相似關系，能夠達到監(jiān)測深度有效性的目的。

通過上述對油壓進行分析，可得出靜力觸探探頭在沒有阻力狀態(tài)下，貫入油壓范圍為1.6 MPa~1.8 MPa，在真實貫入土層狀態(tài)下油壓一般大于2.5 MPa，因此在對拉線式測距傳感器進行深度計算時，對貫入狀態(tài)下油壓小于2.2 MPa的位移階段視作無效位移，不做深度計算，相反貫入狀態(tài)下油壓大于2.2 MPa的位移階段視作為有效位移，其有效位移階段中可近似看作為由多個上下移動的循環(huán)運動組成，在每個循環(huán)運動中最大位移記作si，最小位移記作si'，其中i為第i次循環(huán)運動，深度用d表示，貫入狀態(tài)時的油壓記作o，則靜探孔深度如公式（1）所示。

同樣以14 號孔為例，該孔拉線式測距傳感器位移圖如圖7（a）所示，圖7（b）為（a）的局部放大圖。

圖7 拉線式測距傳感器位移監(jiān)測

由上述公式計算可得，該孔深度為46.39 m，已知原有的機械深度記錄器測量深度為46.30 m并且對試驗中所有靜探孔深進行計算和對比，得到拉線式測距位移傳感器與機械深度記錄器之間的誤差僅為0.02 %，因此，證明由油壓和拉線位移組成的深度監(jiān)測系統(tǒng)可行且能夠達到監(jiān)測深度有效性的目的。

3 結論

該文設計一套靜力觸探深度與垂直度實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，并對現(xiàn)有的工程地質勘察項目進行應用分析，對其總結主要分為以下2 個結論：1）根據(jù)當前無法保證獲取靜力觸探參數(shù)具有高準確度的問題，設計了一套由傾角傳感器、油壓傳感器和位移傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無紙記錄儀和DTU 組成的數(shù)據(jù)集成和傳輸系統(tǒng)和遠端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件的深度與垂直度實時智能監(jiān)測系統(tǒng)。2）將這套系統(tǒng)進行靜力觸探現(xiàn)場應用可知，傳感器能夠實時顯示探頭兩個方向的傾斜角度并且能夠設置預警值，很好地達到了垂直度監(jiān)測的目的。將靜力觸探貫入設備在無阻力狀態(tài)下運動和實際阻力狀態(tài)下的油壓變化進行對比，可知只有當油壓o＞2.2 MPa 時，拉線式測距傳感器的位移記錄才能視為有效位移，并列出深度計算公式，通過數(shù)據(jù)整理對比分析深度誤差只有0.02 %，即能達到對深度實時監(jiān)測的目的。