王云南 張 龍 鄭建國(guó) 劉爭(zhēng)宏 于永堂 門青波
(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710043)
巖土原位測(cè)試相比室內(nèi)試驗(yàn)具有免取樣、擾動(dòng)少的特點(diǎn),最大限度保持了巖土參數(shù)的客觀性。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,巖土原位測(cè)試方法從機(jī)械式到電測(cè)技術(shù)與信息化相結(jié)合,再到向智能化轉(zhuǎn)變,變得越來(lái)越便捷、高效,在巖土工程領(lǐng)域的影響程度逐步加深。我國(guó)海外工程逐漸增多,國(guó)際工程更加重視原位測(cè)試成果,而國(guó)內(nèi)諸如川藏鐵路等重大、復(fù)雜的工程,也需要先進(jìn)的、適合的原位測(cè)試手段解決工程中面臨的問(wèn)題。但由于對(duì)巖土原位測(cè)試技術(shù)的最新進(jìn)展沒(méi)有充分掌握,目前國(guó)內(nèi)多數(shù)勘察企業(yè)運(yùn)用的現(xiàn)場(chǎng)勘探手段仍停留在20世紀(jì)末的水平,無(wú)法滿足當(dāng)前工程的需求。
因此,根據(jù)上述實(shí)際情況,本文在鄭建國(guó)發(fā)表的《巖土原位測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展》(地基處理,1993年,第4 卷,第1 期)一文基礎(chǔ)上,通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外權(quán)威文獻(xiàn),從變形特性試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、觸探試驗(yàn)等幾個(gè)方面概述了巖土原位測(cè)試技術(shù)的新進(jìn)展,為企業(yè)認(rèn)知最新的原位測(cè)試技術(shù),運(yùn)用或研發(fā)滿足工程需要的原位測(cè)試方法提供幫助。
變形特性試驗(yàn)是在外界荷載作用下測(cè)求巖土的變形,得出巖土的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線,據(jù)此分析巖土的變形特性。試驗(yàn)包括載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)等。
載荷試驗(yàn)從20世紀(jì)30年代起就已成為地基原位測(cè)試的一種手段。近年載荷試驗(yàn)有了新進(jìn)展:長(zhǎng)春工程學(xué)院研制出了深層平板載荷試驗(yàn)裝置SP-1,測(cè)深達(dá)100 m,可消除測(cè)深對(duì)位移、傳力柱和孔壁摩擦對(duì)荷載測(cè)量值的影響,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)顯示、儲(chǔ)存和打印功能[1?3]。還有學(xué)者研制了一種不受場(chǎng)地限制的簡(jiǎn)易型平板載荷試驗(yàn)裝置,該裝置利用試驗(yàn)點(diǎn)周圍土體作為配重的反力,實(shí)現(xiàn)了在交通不便地區(qū)開(kāi)展測(cè)試[4]。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家載荷試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),具有試驗(yàn)絕對(duì)可控、運(yùn)行高效的特點(diǎn),操作人員無(wú)需置身高危環(huán)境進(jìn)行近距離操作。韓國(guó)海洋大學(xué)(2014)[4]研制了一種小型螺旋板載荷試驗(yàn)儀,將傳統(tǒng)的螺旋板尺寸由160 mm 減小至75 mm,可以直接在鉆孔中進(jìn)行載荷試驗(yàn),同時(shí)采用液壓代替氣缸裝置,減輕了試驗(yàn)儀器的重量。
但總體上,平板載荷試驗(yàn)存在操作相對(duì)繁瑣、儀器笨重和試驗(yàn)成本較高的缺點(diǎn)。
旁壓儀起源于20世紀(jì)30年代,包括預(yù)鉆式、自鉆式和壓入式三種。其中壓入式對(duì)土體的擠壓效應(yīng)明顯,很少使用。
預(yù)鉆式旁壓儀以法國(guó)梅納旁壓儀為代表,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化功能(法國(guó)Apageo公司生產(chǎn)的Geospad2 梅納旁壓儀、GeoPAC 自動(dòng)控制梅納旁壓儀等),包括數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、試驗(yàn)按設(shè)定步驟自動(dòng)執(zhí)行、自主的彈性膜約束力和綜合變形的校正等技術(shù)。
自鉆式旁壓儀是將鉆孔、旁壓器設(shè)備、定位、試驗(yàn)一次性完成,具有對(duì)孔壁土體擾動(dòng)程度小的特點(diǎn),以20世紀(jì)70年代的法國(guó)道橋式(PAF)和英國(guó)劍橋式(Camkometer)旁壓儀為代表,經(jīng)過(guò)了數(shù)代產(chǎn)品更新,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化,操作靈活、精度較高,而且獲得的參數(shù)不需要經(jīng)驗(yàn)校正。
此外,旁壓儀的應(yīng)用范圍也拓展到了隧道巖體中,以20世紀(jì)90年代日本和美國(guó)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超高壓旁壓儀為代表,深度可達(dá)1 km,壓力超過(guò)100 MPa[5]。
多功能旁壓儀方面:法國(guó)第三代道橋式旁壓儀(PAF-76 型)探頭可以調(diào)換成其他功能裝置(如剪切儀、滲透儀和摩擦儀等),達(dá)到了一孔多用的目的[6]。20世紀(jì)90年代末,徐光黎、前田良刀等開(kāi)發(fā)了原位剪切聯(lián)合旁壓試驗(yàn)儀,能同時(shí)測(cè)出抗剪強(qiáng)度、變形模量等力學(xué)參數(shù),后改進(jìn)成自鉆式原位剪切旁壓儀。
旁壓試驗(yàn)應(yīng)用廣泛,但經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展,依然沒(méi)有改變橫向加載的特征,對(duì)于具有各向異性的土體,不能獲取全面的土體參數(shù)。
扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)由意大利人Silvano Marchetti 于1980年發(fā)明的一種原位測(cè)試方法。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)最大的特點(diǎn)之一就是能夠提供土體的應(yīng)力歷史信息,基于此,對(duì)于處于超固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài)土體的壓縮模量的估算都能夠很好地將應(yīng)力歷史的影響考慮進(jìn)去[7]。
目前市場(chǎng)上主流的扁鏟側(cè)脹設(shè)備包括兩種:標(biāo)準(zhǔn)扁鏟側(cè)脹儀(DMT)和地震扁鏟側(cè)脹儀(SDMT)[8],其中地震扁鏟側(cè)脹儀除了常規(guī)的測(cè)試指標(biāo)外,還能夠提供場(chǎng)地的地震剪切波速Vs。該試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)便、連續(xù)測(cè)試、擾動(dòng)小、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),可用靜探貫入設(shè)備或鉆機(jī)將扁鏟直接壓入土中,廣泛應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,并編入歐洲的Eurocode7、美國(guó)的ASTM(2002)等規(guī)范中。我國(guó)于1988年引入該技術(shù),21世紀(jì)初在上海地區(qū)進(jìn)行了大量研究,積累了不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、固結(jié)系數(shù)等經(jīng)驗(yàn),并編入當(dāng)?shù)匾?guī)范[9?10]。黃土地區(qū)也有應(yīng)用,但效果不理想[11?12]。
扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的局限性和旁壓試驗(yàn)類似,即土體受力方向與實(shí)際土體受荷載方向不一致,而且試驗(yàn)成果都是基于統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)公式,成果存在地域?qū)傩浴?/p>
原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)儀器對(duì)土體進(jìn)行剪切,從而獲取土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。主要包括原位剪切試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)和鉆孔剪切試驗(yàn),其中鉆孔剪切試驗(yàn)的最新研究成果相對(duì)豐富,其余兩項(xiàng)進(jìn)展緩慢。
原位剪切試驗(yàn)分為直剪試驗(yàn)和水平推剪試驗(yàn)。近些年,各大高校和科研單位相繼研制出了一系列改進(jìn)的直剪、推剪儀器[13?15]。目前的原位直剪試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制,包括數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和儲(chǔ)存,并且試驗(yàn)精度較高(位移精度0.01 mm,荷載精度0.02 kN),避免了人工操作帶來(lái)的誤差[16]。但原位剪切試驗(yàn)只能對(duì)淺表層的土體進(jìn)行試驗(yàn),而且儀器笨重、不便攜帶,試驗(yàn)造價(jià)也較高,僅科研高校應(yīng)用相對(duì)較多。
十字板剪切試驗(yàn)是1928年由瑞士的John Olsson 提出,目前市場(chǎng)上主要分為機(jī)械式、電測(cè)式和電動(dòng)式。國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,利用機(jī)械式和電測(cè)式兩種十字板剪切試驗(yàn)求算地基承載力、圍堤穩(wěn)定、軟黏土的靈敏度及固結(jié)歷史等地基參數(shù),提出了兩種十字板剪切試驗(yàn)在該地區(qū)十字板剪切試驗(yàn)指標(biāo)綜合應(yīng)用的相應(yīng)關(guān)系式。荷蘭的GVT-100 電動(dòng)式十字板剪切儀實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)采集全部由專門軟件控制,旋轉(zhuǎn)速度可以自定義,測(cè)試精度也有所提高。已有學(xué)者專家對(duì)十字板試驗(yàn)測(cè)試的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化、智能化創(chuàng)新,以期實(shí)現(xiàn)十字板剪切試驗(yàn)的信息化。
但十字板剪切試驗(yàn)僅適用于軟土地區(qū),而且由于土的黏結(jié)性,十字板在剪切時(shí)的破壞面比十字板直徑要大,導(dǎo)致測(cè)得的強(qiáng)度參數(shù)存在偏差,應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行修正[17?21]。以上問(wèn)題是十字板剪切試驗(yàn)的局限性,也是十字板剪切試驗(yàn)未來(lái)研究中需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)。
鉆孔剪切試驗(yàn)由Handy[22]1967年首次提出,目前主要有美國(guó)的Iowa 鉆孔剪切試驗(yàn)儀和法國(guó)的Phicometer 鉆孔剪切試驗(yàn)儀,其中Iowa 鉆孔剪切試驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)了力的施加、數(shù)據(jù)采集和循環(huán)加載的自動(dòng)化控制[23?24]。
Handy 等(1976)[25]研發(fā)了一套巖石鉆孔剪切儀,賈志欣等(2013)[26]在巖石鉆孔剪切儀的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了巖體鉆孔彈性模量測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了同步獲取巖體力學(xué)和變形參數(shù)。西南交通大學(xué)(2018)[27]也針對(duì)我國(guó)鉆孔的大孔徑特征,自主研發(fā)了一套鉆孔剪切設(shè)備,并成功應(yīng)用在實(shí)際工程中。機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司(2016)[28?29]通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備,在黃土地區(qū)的測(cè)試深度達(dá)到22.8 m,并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):與室內(nèi)三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)相比,該試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出了c值降低、φ值增高的特征。
目前鉆孔剪切試驗(yàn)還存在諸多難點(diǎn),包括如何規(guī)避剪切板嵌入巖土體過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;計(jì)算公式中,試驗(yàn)的剪切面積等于剪切板面積是否合理;獲取的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如何合理使用等。
巖土原位滲透試驗(yàn)分為抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)三類,其中壓水試驗(yàn)是測(cè)定巖石滲透性最常用的一種試驗(yàn)方法,抽水試驗(yàn)一般用于解決水文地質(zhì)參數(shù)問(wèn)題,土工界應(yīng)用較多的是注水試驗(yàn)。
但目前廣泛應(yīng)用的原位滲透試驗(yàn),普遍存在工作量較大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn),如鉆孔注水試驗(yàn)、鉆孔抽水試驗(yàn);或者僅能獲取淺表層土體的滲透參數(shù),如試坑注水(滲水)試驗(yàn)。針對(duì)上述問(wèn)題,浙江大學(xué)巖土工程研究所聯(lián)合荷蘭IFCO 公司(2005)[30]引進(jìn)了瑞典工程師Bengt-Arne Torstensson 的BAT 系統(tǒng)[31],并加以改進(jìn)研制成IFCO BAT 滲透系數(shù)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)測(cè)試簡(jiǎn)單,耗時(shí)短,結(jié)果可靠,但僅適用于飽和軟土地區(qū)。
總體上,原位滲透試驗(yàn)進(jìn)展較緩慢,實(shí)際工程應(yīng)用中主要還是延用過(guò)去的試驗(yàn)方法和設(shè)備。
觸探試驗(yàn)是在外力的作用下,使一定規(guī)格的錐頭貫入土中,測(cè)出土的貫入阻力,以此確定土的物理力學(xué)性質(zhì)[32]。主要包括靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)。
靜力觸探試驗(yàn)起源于20世紀(jì)30年代的荷蘭,歷經(jīng)了機(jī)械式(1932?1948年)、電測(cè)式(1948?1970年)、電子式(1970?1985年)和數(shù)字式(1985年至今)等四代的發(fā)展,其中19世紀(jì)60年代(電測(cè)靜力觸探)和19世紀(jì)80年代(孔壓靜力觸探CPTU)是兩個(gè)標(biāo)志性階段。時(shí)至今日,已經(jīng)形成了一系列成熟的技術(shù)產(chǎn)品(探頭),包括國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和專業(yè)的原位測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)公司研制了用于CPTU 的多功能、數(shù)字化的新型傳感器,見(jiàn)表1[33?34]。靜力觸探技術(shù)目前在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工業(yè)污染場(chǎng)地環(huán)境評(píng)價(jià)與海洋工程勘察等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
表1 CPT/CPTU 測(cè)試技術(shù)列表
當(dāng)前的靜力觸探貫入設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了集成化和自動(dòng)化,如履帶式靜力觸探、全地形靜力觸探車、集裝箱貫入式、全自動(dòng)式連續(xù)靜力觸探設(shè)備和車載式CPTU 系統(tǒng)等相繼出現(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)工作一天觸探深度達(dá)300 m 左右,并自動(dòng)記錄、打印和處理成果。部分設(shè)備可進(jìn)行無(wú)線操作,如瑞典的Geotech AB 公司生產(chǎn)的Cpt-Nova Acoustic。
但影響靜力觸探結(jié)果的因素很多,要建立一個(gè)把所有因素都考慮在內(nèi)的理論公式是很難實(shí)現(xiàn)的,所以,靜力觸探目前依然只是一種經(jīng)驗(yàn)方法。
標(biāo)貫試驗(yàn)起源于1902年。由于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)無(wú)法像靜力觸探一樣得到類似于貫入阻力等定量化的指標(biāo),為此,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列標(biāo)貫試驗(yàn)的定量化研究,如在鉆桿中安裝加速度傳感器和測(cè)力計(jì)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)量,進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到錘擊能量,通過(guò)能量值完成對(duì)土體力學(xué)效應(yīng)分析[44?46]。通過(guò)錘擊能量也能將國(guó)內(nèi)外標(biāo)貫成果互相轉(zhuǎn)化,為開(kāi)展國(guó)際項(xiàng)目提供有利條件。這方面研究以南京大學(xué)[47]和美國(guó)PDI 公司研發(fā)的設(shè)備為代表,均取得了一定的研究成果。
目前,對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)的質(zhì)量控制也是重點(diǎn)研究方向之一,包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)貫試驗(yàn)過(guò)程并自動(dòng)記錄試驗(yàn)的測(cè)試深度、錘擊數(shù)、每一錘的貫人度、鉆桿所承受的每一錘沖擊力等,并且可以計(jì)算出各錘的能量傳遞率[48]。
圓錐動(dòng)力觸探起源于20世紀(jì)50年代,由于標(biāo)貫試驗(yàn)對(duì)碎石類土不適用,英國(guó)帕爾曼(Palmar)和司度特(Stuart)提出用60°圓錐頭替代標(biāo)貫管靴,自此,圓錐動(dòng)力觸探登上歷史舞臺(tái)。
目前圓錐動(dòng)力觸探設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多方面的技術(shù)升級(jí),具備了取土樣、遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析和處理等功能,典型代表為法國(guó)Apageo 公司的APAFOR?50 和APAFOR100 動(dòng)力觸探儀。
針對(duì)動(dòng)力觸探進(jìn)行傾斜平面探測(cè),國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了研究,如法國(guó)Sol-solution 公司的輕型可變能量動(dòng)力觸探儀(PANDA 2 型號(hào),總重21 kg)[49?50],可進(jìn)行水平和傾斜方向的勘探。國(guó)內(nèi)北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司(2015)[51]也構(gòu)想了利用動(dòng)力做功代替重力,并提出了錘擊修正公式,為動(dòng)力觸探應(yīng)用在非水平探測(cè)面(如暗挖隧道的掌子面、垃圾堆積體、高填方和邊坡的坡面等)提供了理論基礎(chǔ)。
但截至目前,動(dòng)力觸探成果依然比較粗糙,屬于經(jīng)驗(yàn)性總結(jié),缺乏定量數(shù)據(jù)的支持。
從20世紀(jì)90年代初至今,巖土原位測(cè)試技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了巨大進(jìn)步,表現(xiàn)出以下特征:
(1)自動(dòng)化:儀器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和儲(chǔ)存功能,甚至整個(gè)流程均可由計(jì)算機(jī)控制完成,減輕了人力勞動(dòng),提高了測(cè)試準(zhǔn)確性。
(2)信息化:數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸功能,為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)下載提供便利,提高了工作效率。
(3)多功能化:靜力觸探設(shè)備、旁壓試驗(yàn)設(shè)備、鉆孔剪切試驗(yàn)設(shè)備等測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多功能測(cè)試,避免了以往一種試驗(yàn)只能測(cè)試一種(類)參數(shù)的局面,可以縮短工期,降低試驗(yàn)成本。
(4)技術(shù)升級(jí)化:多款試驗(yàn)設(shè)備在測(cè)試范圍、方法和性能方面實(shí)現(xiàn)了全面升級(jí)和拓展,為后續(xù)的原位測(cè)試研究提供了基礎(chǔ)。
目前的原位測(cè)試依然存在以下問(wèn)題:
(1)成本較高:如應(yīng)用較廣泛的載荷試驗(yàn),操作相對(duì)繁瑣,儀器笨重,耗費(fèi)大量人力物力。
(2)理論基礎(chǔ)薄弱:大部分觸探試驗(yàn)得到的依然是經(jīng)驗(yàn)性成果,缺乏理論基礎(chǔ),成果缺乏普遍適用性。
(3)試驗(yàn)自身局限性:如十字板剪切試驗(yàn)僅適用于飽和軟土地區(qū);扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)的加載方向與土體真實(shí)受力方向不一致等。
(4)國(guó)內(nèi)原位測(cè)試技術(shù)進(jìn)展緩慢:國(guó)內(nèi)的原位測(cè)試儀器設(shè)備和方法基本都是延用國(guó)外數(shù)十年前的產(chǎn)品和技術(shù),明顯滯后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。
(1)加強(qiáng)理論基礎(chǔ):對(duì)諸如鉆孔剪切試驗(yàn)等破壞機(jī)理存疑的試驗(yàn),需要開(kāi)展課題深入研究,為試驗(yàn)成果尋求可靠的理論依據(jù)。
(2)加強(qiáng)數(shù)字化和信息化:對(duì)已經(jīng)使用數(shù)字信息技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí);對(duì)未采用數(shù)字信息化的設(shè)備盡快更新,實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能,為后期全面的數(shù)字化、信息化建設(shè)提供基礎(chǔ)。
(3)加強(qiáng)多功能設(shè)備研發(fā):目前的多功能勘探設(shè)備還處于初期應(yīng)用階段,隨著新型傳感技術(shù)的突破,像多功能靜力觸探一樣擁有更多功能的多功能原位測(cè)試設(shè)備將陸續(xù)出現(xiàn),并且有將多種原位測(cè)試技術(shù)進(jìn)行整合的趨勢(shì)。
(4)由陸地向其他區(qū)域拓展:隨著人類活動(dòng)區(qū)域向海洋、極地、甚至太空拓展,勘探技術(shù)扮演的角色會(huì)越發(fā)重要,相關(guān)測(cè)試設(shè)備及技術(shù)也應(yīng)跟上時(shí)代的腳步。