發(fā)布時(shí)間：2022-04-23所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 對(duì)近年來以孔壓靜力觸探為代表的原位測(cè)試技術(shù)和部分工程物探方法的應(yīng)用實(shí)踐及研究成果進(jìn)行回顧。從降低工程建設(shè)成本、確保工程勘察可靠性，滿足巖土工程分析和環(huán)境巖土工程評(píng)價(jià)新需求的角度，闡述如何大力推進(jìn)原位測(cè)試技術(shù)的研究及其在實(shí)際工程中的更廣泛和更深
摘要: 對(duì)近年來以孔壓靜力觸探為代表的原位測(cè)試技術(shù)和部分工程物探方法的應(yīng)用實(shí)踐及研究成果進(jìn)行回顧。從降低工程建設(shè)成本、確保工程勘察可靠性，滿足巖土工程分析和環(huán)境巖土工程評(píng)價(jià)新需求的角度，闡述如何大力推進(jìn)原位測(cè)試技術(shù)的研究及其在實(shí)際工程中的更廣泛和更深入運(yùn)用。
關(guān)鍵詞: 原位測(cè)試技術(shù); 工程物探方法; 場(chǎng)地特征分析
引 言
巖土工程勘察是巖土工程設(shè)計(jì)與治理及地基基礎(chǔ)( 地下結(jié)構(gòu)) 設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)，通過工程勘察對(duì)擬建場(chǎng)地特征進(jìn)行鑒別分析( site characterization study) ，為巖土工程設(shè)計(jì)模型及其參數(shù)和分析方法的正確選擇劃分出工程地質(zhì)、水文地質(zhì)單元，提供合理的巖土層與地下水的空間分布數(shù)據(jù)信息，對(duì)擬建場(chǎng)區(qū)的穩(wěn)定性和巖土體的巖土工程特性進(jìn)行分析，并提供適用的巖土工程設(shè)計(jì)所需的巖土體指標(biāo)和針對(duì)潛在關(guān)鍵問題的對(duì)策、措施建議[1-2]。近年來，穿越工程地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的大規(guī)模陸路、水路交通工程建設(shè)和環(huán)境巖土工程項(xiàng)目的不斷增多，使得傳統(tǒng)巖土工程勘察在以鉆探、取樣和試驗(yàn)為主要依據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)原位觸探技術(shù)及其與工程物探技術(shù)相結(jié)合的“現(xiàn) 代 方 法” ( “modern approach”) 的合理運(yùn)用更加關(guān)注[1]。
因可避免巖土樣的運(yùn)輸過程擾動(dòng)、含水量損失等產(chǎn)生的問題，取得巖土材料在現(xiàn)場(chǎng)的原位特性指標(biāo)和獲得相對(duì)連續(xù)的巖土特性分布信息，以及相對(duì)工期較短的優(yōu)勢(shì)，原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用與研究一直受到業(yè)界的重視，成為勘察的重要輔助或者主導(dǎo)方法。國(guó)際上對(duì)原位測(cè)試裝置的發(fā)展研究一直保持著比較良好的態(tài)勢(shì)，近年的原位測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用一是主要以孔壓靜力觸探( CPTU) 為代表的有損型( invasive) 、半無損( semi-destructive) 方法( 可配多種新型傳感器) ，應(yīng)用于直接的巖土工程設(shè)計(jì)、海洋工程勘察與環(huán)境巖土工程領(lǐng)域; 二是以工程地球物理勘探技術(shù)的應(yīng)用研究為代表的無損型( non-invasive，nondestructive) 探測(cè)方法，應(yīng)用于工程勘察和施工、城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)防范中的復(fù)雜巖土體及空洞分布的探( 預(yù)) 測(cè)，以及環(huán)境巖土工程等新領(lǐng)域。按照目的劃分，近年關(guān)于原位測(cè)試的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用研究大體可分為圖 1 所示的 4 種類型。本文重點(diǎn)對(duì)近年來上述兩類原位測(cè)試技術(shù)發(fā)展中的代表性成果進(jìn)行介紹。
1 原位觸探測(cè)試技術(shù)原位觸探測(cè)試技術(shù)
由于其不需取樣、可連續(xù)測(cè)試等優(yōu) 點(diǎn)，在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。 Dejong 等把原位測(cè)試方法分為 4 類: 無損或半無損型、貫入型、組合型[3-4]。表 1 為目前主要原位觸探試驗(yàn)的適用性 與 可 靠 性[5]。下面重 點(diǎn) 介 紹 多 功 能 CPTU、 FFP、MIP 等新技術(shù)及其發(fā)展。
1. 1 近年原位觸探測(cè)試技術(shù)發(fā)展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測(cè)試技術(shù)，具有快速便捷、不需取樣、采集數(shù)據(jù)量大、干擾小及費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)。圖 2 為 CPT 測(cè)試技術(shù)“家族”發(fā)展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代國(guó)際上興起的原位測(cè)試技術(shù)[6]，可以同時(shí)測(cè)定孔隙水壓力，應(yīng)用于土層劃分、土類判別、求取原位固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)、動(dòng)力參數(shù)和承載力特性等。近年來，隨著巖土工程特別是環(huán)境巖土工程的發(fā)展，國(guó)際不少研究機(jī)構(gòu) ( 如英屬哥倫比亞大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、荷蘭代爾夫特大學(xué)等) 和專業(yè)原位測(cè)試儀器開發(fā)公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制開發(fā)了用于 CPTU 的新傳感器，促使 CPTU 向多功能和數(shù)字化方向發(fā)展[7]，進(jìn)一步拓寬了 CPTU 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
1. 2 近年原位觸探測(cè)試技術(shù)發(fā)展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測(cè)試技術(shù)，具有快速便捷、不需取樣、采集數(shù)據(jù)量大、干擾小及費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)。圖 2 為 CPT 測(cè)試技術(shù)“家族”發(fā)展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代國(guó)際上興起的原位測(cè)試技術(shù)[6]，可以同時(shí)測(cè)定孔隙水壓力，應(yīng)用于土層劃分、土類判別、求取原位固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)、動(dòng)力參數(shù)和承載力特性等。近年來，隨著巖土工程特別是環(huán)境巖土工程的發(fā)展，國(guó)際不少研究機(jī)構(gòu) ( 如英屬哥倫比亞大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、荷蘭代爾夫特大學(xué)等) 和專業(yè)原位測(cè)試儀器開發(fā)公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制開發(fā)了用于 CPTU 的新傳感器，促使 CPTU 向多功能和數(shù)字化方向發(fā)展[7]，進(jìn)一步拓寬了 CPTU 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
1. 2. 1 地震波 SCPTU 技術(shù)
地震波孔壓靜力觸探( SCPTU) 是在 CPTU 貫入過程中，通過置于探頭中力傳感器上方的檢波器量測(cè)地表激振系統(tǒng)產(chǎn)生的剪切波傳播時(shí)間計(jì)算土層的剪切波速，測(cè)試原理與方法如圖 3 所示[8]。SCPTU 可以提供 4 個(gè)沿深度變化的讀數(shù)，貫入數(shù)據(jù)( qt，fs，u2 ) 反映土的應(yīng)力破壞狀態(tài)，剪切波速 Vs 可提供低應(yīng)變剛度，土體孔壓消散過程可反映土的滲透性質(zhì)。
1. 2. 2 電阻率 RCPTU 技術(shù)
加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)( UBC) Campanella 等 1990 年研發(fā)出電阻率孔壓靜力觸探( RCPTU) 探頭[9]，可以同時(shí)測(cè)出錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力、水電阻率和土電阻率( 圖 4) 。后來還研制出可測(cè)溫度和傾斜的探頭。所有的測(cè)試通道均可以連續(xù)監(jiān)測(cè)，每 25mm 或 50mm 采集一組數(shù)據(jù)。對(duì)可能的污染采用普通傳感器進(jìn)行測(cè)試，在探頭后面還可安裝化學(xué)傳感器，對(duì)給定的污染種類實(shí)施特殊測(cè)試[10]。UBC 電極環(huán)具有直接和土體耦合、自動(dòng)凈化的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
1. 2. 3 可視化 CPT 技術(shù)
美國(guó)密歇根大學(xué)( University of Michigan) 開發(fā)的可視化靜力觸探技術(shù)( VisCPT) [11-14]通過兩個(gè)不同放大倍數(shù)的微型照相系統(tǒng)( 圖 5) 在探頭連續(xù)貫入過程中連續(xù)照相，連續(xù)獲取土層的數(shù)字化數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為圖像，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)審視、分析，可觀察到土層中的薄夾層、透鏡體、裂隙等( 圖 6) 。
1. 2. 4 全流觸探 FFP 測(cè)試技術(shù)
全流觸探 FFP( full flow penetrometer) 測(cè)試技術(shù)在近海場(chǎng)地勘察中得到更加廣泛的應(yīng)用，通過穿過軟土?xí)r產(chǎn)生類似于黏性流體圍繞貫入探頭的流動(dòng)，獲得超軟土的不排水抗剪強(qiáng)度。最早由 Stewart 和 Randolph [15]研發(fā)了 T 形觸探頭( 平面應(yīng)變流) ，20 世紀(jì) 90 年代后擴(kuò)展至球形探頭( 軸對(duì)稱應(yīng)變流) [16-17]( 探頭結(jié)構(gòu)及測(cè)試中 的 土 體 流 見 圖 7 ) 。FFP 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要包括[18]: ①在非常軟的土中，精確性得到改進(jìn)( 相比于 CPTU) ; ②對(duì)上覆應(yīng)力的修正降低至最小; ③貫入阻力較少受到土的剛度、應(yīng)力各向異性的影響( 對(duì) 比 于 CPT /CPTU) ; ④較好定義的破壞機(jī)理; ⑤重塑強(qiáng)度可以快速而精確地測(cè)定( 相對(duì)于 FVT) 。
最近將孔壓測(cè)試元件與球形探頭相結(jié)合[19-20]，孔壓過濾環(huán)可安設(shè)于球形探頭的“赤道”、中部和頂部 ( 圖 8) 。
1. 2. 5 海底自由落體貫入式觸探技術(shù) FFCPT( Free Fall Cone Penetrometer Test)
海底土體的工程性質(zhì)受到許多因素影響，常規(guī)鉆孔取樣很難獲得海底土體原始狀態(tài)指標(biāo)。FFCPT 技術(shù)可較準(zhǔn)確地獲得海底淺層土體的原位特性參數(shù)和土體擾動(dòng)后的參數(shù)，有效縮短勘察時(shí)間、降低勘察成本。FFCPT 探頭、操作示意和測(cè)試指標(biāo)的解譯結(jié)果見圖 9 ～ 圖 11。
海底深層土體的原位測(cè)試也采用 CPT Stinger 技術(shù)( 圖 12) ，直接利用 Jumbo Piston Core 設(shè)備取樣，建立海底土體的 CPT 資料與強(qiáng)度關(guān)系。
1. 2. 6 多摩擦筒 CPT 技術(shù)
Frost 和 Martinez[21]提出的多摩擦筒軸向扭剪孔壓貫 入 系 統(tǒng) ( Multi-piezo-friction sleeve penetrometer) ( 圖 13) 集成了表面紋路不同的摩擦筒和孔隙水壓力傳感器( 圖 14) ，提供了原位抗剪強(qiáng)度隨摩擦筒紋路高度變化的函數(shù)，可對(duì)不同豎向應(yīng)力和水平向應(yīng)力對(duì)側(cè)壁摩阻力的影響進(jìn)行研究，為劃分土類和土層提供了新的視角[22]。
1. 2. 7 探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度 CPT 技術(shù)
越來越多的城市地下空間的開發(fā)建設(shè)需要對(duì)地下障礙物埋藏位置和區(qū)域進(jìn)行合理判別，保證勘察的安全并服務(wù)于地下工程的設(shè)計(jì)。針對(duì)可能存在電磁場(chǎng)的地下設(shè)施，探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的 CPT 技術(shù)采用霍爾傳感器( Hall sensor) 進(jìn)行探測(cè)，獲得三維磁場(chǎng)的分布( 圖 15) 。霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可在狹窄間隙中進(jìn)行測(cè)量，頻率響應(yīng)寬，并可測(cè)量非均勻磁場(chǎng)。
1. 2. 8 旋轉(zhuǎn) CPT 技術(shù)
鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司開發(fā)成功將靜力觸探技術(shù)和鉆探的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合的旋轉(zhuǎn)觸探系統(tǒng)( 圖 16) [23-24]。該系統(tǒng)可記錄旋轉(zhuǎn)貫入過程中的雙螺旋錐形探頭貫入阻力、土在破壞過程中的抵抗力矩及排土水壓力，克服了孔壓靜力觸探僅適用于地下水埋藏較淺的飽水地區(qū)的不足，試驗(yàn)深度一般達(dá) 60 ～ 70m( 最大測(cè)深達(dá) 86m) ，較好地滿足了工程的需要。 2011 年以來，鐵三院繼續(xù)進(jìn)行體系完善研究工作，包括相關(guān)力學(xué)模型分析、測(cè)試參數(shù)與地層物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系和在分析鉆孔灌注樁承載力、路基沉降中的應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定[25]。
1. 2. 9 熒光探頭 LIF 技術(shù)( Laser-induced fluorescence)
最早是由 Hirshfield 等[26]和 Chudyk 等[27]進(jìn)行研究，目前主要的 LIF 系統(tǒng)是由美國(guó)陸軍事工程師航道站( WES) 發(fā)展的( 圖 17) ，主要用于探測(cè)分析地下水的烴污染狀況和石油、木餾油、五氯苯酚等能發(fā)出熒光的苯酚類污染物質(zhì)。
1. 2. 10 薄膜界面探頭 MIP 技術(shù)( Membrane Interface Probe)
由 Geoprobe 公司開發(fā)的薄膜界面 MIP 探頭( 帶加熱功能) 可用于探測(cè)地表下?lián)]發(fā)性有機(jī)化合物( VOC) 和有毒性的揮發(fā)性有機(jī)化合物( PVOC) 污染物的位置及濃度。為了加速污染物的擴(kuò)散滲流，探頭的標(biāo)準(zhǔn)溫度為 121℃ ( 圖 18、圖 19) 。
1. 3 代表性的應(yīng)用研究成果
近年來，國(guó)際上原位觸探測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比較有代表性的新探索有地震災(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。以下原位觸探測(cè)試技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用研究與實(shí)踐，具有比較突出的代表性，是很有市場(chǎng)價(jià)值和技術(shù)發(fā)展空間的應(yīng)用研究方向。——論文作者：沈小克1 蔡正銀2 蔡國(guó)軍3
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