浅析如何提高海上标准贯入试验精准度

申永斌, 曹方秀, 袁文雷

(山东省鲁南地质工程勘察院,山东 济宁 272100)

0 引 言

标准贯入试验是在20世纪40年代末期逐步发展起来的,起初在美国和日本得到广泛应用,60年代在国内普及,我国目前采用的SPT设备与国际标准一致,经过数十年的发展应用,国内外积累了大量的使用经验,并建立了与岩土层物理、力学指标的经验关系,使其成果运用更加广泛,目前主要应用于判定粉土和砂土密实度,确定黏性土的状态和无侧限抗压强度,确定地基承载力,确定土的抗剪强度,确定土的变性参数,估算单桩承载力,计算剪切波速,评价砂粉土的地震液化等方面。海上勘探作业环境与陆地工程有较大差别,海上标准贯入试验受海水、杆长等因素影响,与陆域存在差异。陆域勘察所使用的标准贯入设备用于海上勘察,试验成果的差异无法具体量化,目前国内国际还没有专门用于海上标准贯入试验的设备,暂时采用陆域勘察的标准贯入设备。随着我国建设海洋强国战略的提出,强化海洋油气勘探开发、海上风电基地建设、海上光伏发电基地化开发、跨海桥梁、人工岛隧等的建设,越来越多的近海工程应运而生,近海工程的基础形式多为桩基础,国内海上项目桩基设计参考依据的规范包括《码头结构设计规范》[2](JTS167—2018)、《港口工程桩基规范》[5](JTS167-4—2012)、欧标及API(美国石油协会)规范等,这些主流规范砂类土的桩基设计参数、变形参数均是依据密实度划分,而砂类土的密实度主要依据标准贯入试验锤击数,因此,海上标准贯入试验的成果直接影响到近海工程基础设计的质量,对保证海上工程建设的安全性、经济性意义重大,提高海上标准贯入试验精准度有很大的必要性。

1 海上标准贯入试验的影响因素分析

影响试验精准度的因素有多种,下面从人员因素、设备因素、客观因素三方面进行分析。

1.1 影响试验精准度的人员因素

1.1.1 责任心不强、质量意识差

现场操作人员工作态度不严谨,马虎大意,得过且过,敷衍了事、不积极,缺乏认真负责精神。

1.1.2 操作不规范

部分现场操作人员一味追求进尺,追求施工速度,进行标准贯入试验测试时贯入速率过快,导致测试数据失真;测试前清孔不到位或未清孔便直接进行测试,导致达不到预定测试深度;45cm刻度划分不标准,更有甚者不用标尺标定,完全凭个人感觉划定刻度线;在测试结束后未对贯入器中的土样进行认真鉴别描述。

1.1.3 专业知识欠缺

从事勘察现场操作人员的技术水平差异较大,部分操作人员所具备的岗位专业知识不足,甚至有些施工班组为临时拼凑人员组成,此类人员不了解具体的测试操作规程,理解不到测试的作用与目的,更意识不到规范操作的重要性。

1.2 影响试验精准度的设备因素

1.2.1 钻杆、标贯锤

1.2.2 导向杆

导向杆弯曲,导向杆长时间未使用产生锈迹,无法保持穿心锤与导向杆的润滑度,这些情况都会增加标贯锤下落的阻力,测试时无法使标贯锤达到自由落体状态,使锤击能量偏小,最终导致锤击数偏少。

1.2.3 标贯器刃口

贯入器刃口缺口、变形或磨损严重,使刃口与岩土体的接触面积增大,降低了刃口切削土层的能力,导致测试数据失真,锤击数值偏大。

1.3 影响试验精准度的客观因素

1.3.1 海上特殊作业环境

在海上勘察施工时,勘察施工船或漂浮式平台受风浪、潮流等影响起伏不定,钻探设备随之发生较大晃动,在进行标准贯入试验测试时无法找到固定参照物,会给记录测试贯入深度带来很大难度,影响记录数据的准确性。

1.3.2 海底特殊地层

我国近海、浅海区域覆盖层厚度范围内主要为第四系全新统及上更新统冲海积沉积物,普遍分布有较多的粉砂、粉土层,该类土层厚度较大且易发生塌陷,在泥浆护壁不稳的情况下容易造成塌孔、孔底残渣较厚,对测试前的清孔工作造成很大难度;海相沉积物中局部包含较多贝壳、蚝壳等碎屑,且薄夹层、互层情况较多,对后期测试数据的整理分析造成困难。

2 提高海上标准贯入试验精准度的对策分析

2.1 针对人员因素的对策

2.1.1 增强作业人员责任心,提升质量意识

在每次项目开工前,对现场操作人员进行职业道德素质教育,营造进一步增强工作责任心的浓厚氛围,让操作人员认识到测试质量的重要性。创建合理的管理制度和管理办法,给员工提供一个良好的成长环境,促进责任心的增强。建立责任心问责监督机制,对操作人员责任心进行不定期的抽查,对多次检查不合格人员及时淘汰。

2.1.2 规范测试操作程序

将标准贯入试验操作要点制作成册并做到人手一本,每天开工前进行安全技术交底,主要内容应包括:控制落锤速度,锤击速率每分钟不应超过30次;严格控制测试深度,贯入器下达后仔细检验是否下到预定测试深度,当发现孔底残渣厚度超过5cm时,应重新清孔后再进行测试;规范刻度画线方式,必须采用钢尺量测,并做到画线清晰,严禁随手乱画;提出并卸开贯入器,对贯入器内土样进行有效长度测量,可作为实际贯入深度的参考,来校核读数时的贯入深度误差;贯入器中土样需单独记录并详细描述,并留存影像资料以备后查;现场测试结束后,对测试击数有疑义的部位,采取标贯扰样进行室内常规土工试验,后期可通过土工数据判断该次测试结果是否具有代表性,有利于剔除异常数据。强调每一环节必须严格按照操作规程执行,现场地质工程师全程旁站监督,做到事前交底,事中监督,事后校核。

2.1.3 严格执行持证上岗制度

现场操作人员必须持证上岗,取得钻工证、编录证等证件后方可担任相应岗位,严禁无证人员临时顶替。应经常举办相应的规范知识培训,提高技术人员专业素养,只有提高从业人员素质,才能加强专业技术人员的队伍建设。

2.1.4N值的修正

针对标准贯入试验锤击数的修正问题,国内外的意见很不一致。国外采用的传统修正方法包括地下水位的修正、有效上覆土压力修正;我们国内一般不考虑这些修正,而主要考虑杆长修正,依据的是牛顿碰撞理论。我们国内一直采用修正后的标准贯入试验锤击数来评价地基承载力,采用实测锤击数确定砂(粉)土密实度、判别场地土层液化。因此,勘察报告中必须提供标准贯入试验实测锤击数,这是基础数据,在实际的工程应用时,应结合具体的工程问题,参考相关规范,考虑是否进行杆长修正或其他方式修正。

2.1.5N值的统计分析

岩土体具有非均匀性和各向异性,同时考虑到参数的不同测定方式、方法、条件和不同的工程类别等多种因素,导致岩土体测试数据的分散性和变异性较大。为确保测试数据的可靠性和实用性,需对测试数据进行统计和分析。应在合理分层的基础上进行统计整理,根据测试次数、地层均匀性,选择合理的统计方法,对每层土的测试数据进行统计分析和选取。在内业资料整理时,必须对所得到的大量测试数据进行整理分析,才能取得具有代表性的数据进行岩土工程设计计算。在分析测试数据的可靠性和适用性时,主要考虑以下因素:①测试方法和其他原因对测试数据的影响,②取值标准,③不同测试方法相互校核验证,④测试数据的离散程度,⑤测试方法与计算模型的匹配性。

岩土体的测试数据应按场地的工程地质单元及层位分别进行统计。工程地质单元一般是指:在进行工程地质数据统计工作时,具有相似的地质条件,或者是在某方面具有相近的地质特征,即将其视为一个可统计单位的单元体。一般处于同一工程地质单元的岩土体特征如下:具有相同的地质年代和成因类型,并处于同一地貌单元;具有基本相同的性质特征,包括包含物的成分、状态和物理力学性质;具有基本相似的影响岩土层工程地质性质的因素;部分构筑物的关键部位对不均匀变形比较敏感,这种情况应该视需求划分出更小的单元体。对地质单元体内的测试数据逐个检查,有明显错误或测试方法有问题的数据应抽出检查或将其舍弃。同一单元体内的测试数据应基本接近,测试数据的离散性只能是土质不均匀或测试误差的随机因素引起的,测试数据统计出来后,如果某组数据离散性较大,应分析造成误差的原因,并剔除异常数据。

2.2 针对测试设备因素的对策分析

为了确保测试成果的准确性,标准贯入试验设备必须符合规范标准,并做到对设备进行定期检查,尤其是针对那些易损耗设备,如钻杆、贯入器刃口等;在使用过程中应进行经常性检查,贯入器刃口要做到每次测试前进行检查,当发现钻杆弯曲度≥1/1 000、贯入器刃口出现破损,应立即更换。

2.3 针对客观因素的对策分析

2.3.1 针对海上特殊作业环境的对策分析

目前,克服海上恶劣作业环境的最有效方式,是在固定式平台上进行勘察施工,但是普通的地质勘探孔几乎都是一次性钻孔,同一个位置不会重复勘探,搭建海上固定式平台无法做到重复利用,并且搭建海上固定式平台难度大、耗时久、成本高,无论从工期上还是经济适用性上都不满足实际需求。因此,克服海上特殊作业环境的主要策略,还是要放在如何在勘察施工船或浮动式平台上提高量测贯入度的准确性上。下面对以下几种方法的适用性进行分析:①使用波浪补偿器,②使用位移传感器,③固定套管。

使用波浪补偿器:波浪补偿器一般的理解是用来降低风浪对海上施工作业的影响,现有的波浪补偿设备主要是应用于在海上悬吊货物保持相对稳定,仔细了解其工作机理后,发现波浪补偿器对于降低漂浮式平台或勘察施工船本身晃动效果不明显,因此,采用现有的波浪补偿装备的方法不适用。

使用位移传感器:以位移传感器现有的技术水平,使用前需要先将传感器的本体安装在一个固定的位置,采集原件可以安装在钻杆上,然而勘察施工船或浮动式平台上所有的物体都在随着风浪晃动,无法为传感器提供一个能正常使用的环境,即便是激光位移传感器,同样需要先将激光发射装置和位置感测装置固定,并且激光的发生装置相对比较复杂,体积较大,无法满足勘察施工船或浮动式平台的作业条件。因此,通过现有的位移传感器量测标贯进尺贯入度是行不通的。

固定套管:在海上勘察施工时,一般情况下要防止套管脱落。套管是与船体固定连接的,这种情况下套管会随着船体上下起伏,套管口无法作为测试的固定基准面。为了固定套管,现在可将套管下入到稳定土层上,并下入足够的土层深度,让套管与船体脱离,仅在套管口用钢丝绳连接,并将钢丝绳预留出1m的富余长度,防止套管最终坠落,这种情况下套管处于一种相对稳定的状态,测试时可将套管口作为固定基准面来量测贯入度。采用这种方法需要专门搭设钻机平台,将钻机抬高,使钻机底部与套管口保持1m左右的距离,以免钻机随着船体下浮时与套管发生碰撞。

在钻探深度达到稳定土层以前,套管还是需要与船体或平台固定,在这期间该如何寻找固定基准面又成为新的问题。经过对微型无人机的配置与功能调研,发现在现有的微型无人机中,配有GPS款式机已经可以实现简单的空中悬停,并且可以做到抵御四级风而保持稳定状态。不稳定土层的标准贯入锤击数一般较少,按每分钟30击的锤击速率,一分钟之内足够完成锤击测试,在不到一分钟的时间内,两米左右的飞行高度情况下,微型无人机做到垂直精度厘米级的悬停不难实现,一块电池的续航时间可以达到30分钟,基于此,可以采用微型无人机配合迷你激光笔,将迷你激光笔固定在微型无人机上,在进行标准贯入试验测试时,将迷你激光笔的光点投在测试用钻杆上,以迷你激光笔的光点作为固定基准点进行测试贯入度的测量。因此,利用微型无人机配合固定套管的方法是可行的。该方法的具体结构体系如图1所示。

图1 海上标准贯入试验体系结构图

2.3.2 针对海相沉积层的对策分析

针对砂类土层较厚的情况,合理选择循环液,根据地层变化适时调整泥浆配比以确保护壁稳定,在砂类土中采用优质泥浆,并保证充分的循环时间,将清孔残渣携带至地表;针对薄夹层多、包含物多的情况,在试验结束后,根据锤击数,配合对贯入器内岩芯样的仔细鉴别,判断是否是变层交界线,是否有薄夹层,是否包含大量贝壳碎屑等,对情况异常的部位进行标注记录,后期在统计成果数据时剔除异常值,以提高测试成果质量。

3 结束语

海上标准贯入试验是非常重要的海上岩土工程原位测试方法,在海上进行勘察作业与其他海上施工项目不同。由于现有的勘察施工船或浮动平台吨位较小,为了达到钻探测试的精准度,浪高达到0.8m就很难做到高质量作业,有时甚至施工一天就要回港避风三天。如何在有限的作业窗口期内、恶劣的作业条件下确保测试成果的精准度,需要广大从业人员加以注意。影响海上标准贯入试验精准度的因素有很多,从测试的人员因素、设备因素、客观因素等方面进行分析,并提出相应切实可行的对策,可为广大从业人员提供参考,同时希望能为提高我国海上标准贯入试验精准度尽一份绵薄之力。