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摘 要： 摘要: 對近年來以孔壓靜力觸探為代表的原位測試技術(shù)和部分工程物探方法的應(yīng)用實踐及研究成果進行回顧。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)境巖土工程評價新需求的角度，闡述如何大力推進原位測試技術(shù)的研究及其在實際工程中的更廣泛和更深
摘要: 對近年來以孔壓靜力觸探為代表的原位測試技術(shù)和部分工程物探方法的應(yīng)用實踐及研究成果進行回顧。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)境巖土工程評價新需求的角度，闡述如何大力推進原位測試技術(shù)的研究及其在實際工程中的更廣泛和更深入運用。
關(guān)鍵詞: 原位測試技術(shù); 工程物探方法; 場地特征分析
引 言
巖土工程勘察是巖土工程設(shè)計與治理及地基基礎(chǔ)( 地下結(jié)構(gòu)) 設(shè)計、施工的基礎(chǔ)，通過工程勘察對擬建場地特征進行鑒別分析( site characterization study) ，為巖土工程設(shè)計模型及其參數(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，對擬建場區(qū)的穩(wěn)定性和巖土體的巖土工程特性進行分析，并提供適用的巖土工程設(shè)計所需的巖土體指標和針對潛在關(guān)鍵問題的對策、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、取樣和試驗為主要依據(jù)的基礎(chǔ)上，對原位觸探技術(shù)及其與工程物探技術(shù)相結(jié)合的“現(xiàn) 代 方 法” ( “modern approach”) 的合理運用更加關(guān)注[1]。
因可避免巖土樣的運輸過程擾動、含水量損失等產(chǎn)生的問題，取得巖土材料在現(xiàn)場的原位特性指標和獲得相對連續(xù)的巖土特性分布信息，以及相對工期較短的優(yōu)勢，原位測試技術(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。國際上對原位測試裝置的發(fā)展研究一直保持著比較良好的態(tài)勢，近年的原位測試技術(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、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) 探測方法，應(yīng)用于工程勘察和施工、城市基礎(chǔ)設(shè)施運營風(fēng)險防范中的復(fù)雜巖土體及空洞分布的探( 預(yù)) 測，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。本文重點對近年來上述兩類原位測試技術(shù)發(fā)展中的代表性成果進行介紹。
1 原位觸探測試技術(shù)原位觸探測試技術(shù)
由于其不需取樣、可連續(xù)測試等優(yōu) 點，在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。 Dejong 等把原位測試方法分為 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的適用性 與 可 靠 性[5]。下面重 點 介 紹 多 功 能 CPTU、 FFP、MIP 等新技術(shù)及其發(fā)展。
1. 1 近年原位觸探測試技術(shù)發(fā)展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測試技術(shù)，具有快速便捷、不需取樣、采集數(shù)據(jù)量大、干擾小及費用低廉的優(yōu)點。圖 2 為 CPT 測試技術(shù)“家族”發(fā)展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術(shù)是 20 世紀 80 年代國際上興起的原位測試技術(shù)[6]，可以同時測定孔隙水壓力，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，國際不少研究機構(gòu) ( 如英屬哥倫比亞大學(xué)、美國佐治亞理工學(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]，進一步拓寬了 CPTU 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
1. 2 近年原位觸探測試技術(shù)發(fā)展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測試技術(shù)，具有快速便捷、不需取樣、采集數(shù)據(jù)量大、干擾小及費用低廉的優(yōu)點。圖 2 為 CPT 測試技術(shù)“家族”發(fā)展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術(shù)是 20 世紀 80 年代國際上興起的原位測試技術(shù)[6]，可以同時測定孔隙水壓力，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，國際不少研究機構(gòu) ( 如英屬哥倫比亞大學(xué)、美國佐治亞理工學(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地表激振系統(tǒng)產(chǎn)生的剪切波傳播時間計算土層的剪切波速，測試原理與方法如圖 3 所示[8]。SCPTU 可以提供 4 個沿深度變化的讀數(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]，可以同時測出錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力、水電阻率和土電阻率( 圖 4) 。后來還研制出可測溫度和傾斜的探頭。所有的測試通道均可以連續(xù)監(jiān)測，每 25mm 或 50mm 采集一組數(shù)據(jù)。對可能的污染采用普通傳感器進行測試，在探頭后面還可安裝化學(xué)傳感器，對給定的污染種類實施特殊測試[10]。UBC 電極環(huán)具有直接和土體耦合、自動凈化的獨特優(yōu)點。
1. 2. 3 可視化 CPT 技術(shù)
美國密歇根大學(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，進行現(xiàn)場審視、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 測試技術(shù)
全流觸探 FFP( full flow penetrometer) 測試技術(shù)在近海場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，獲得超軟土的不排水抗剪強度。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 90 年代后擴展至球形探頭( 軸對稱應(yīng)變流) [16-17]( 探頭結(jié)構(gòu)及測試中 的 土 體 流 見 圖 7 ) 。FFP 技術(shù)的優(yōu)點主要包括[18]: ①在非常軟的土中，精確性得到改進( 相比于 CPTU) ; ②對上覆應(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 比 于 CPT /CPTU) ; ④較好定義的破壞機理; ⑤重塑強度可以快速而精確地測定( 相對于 FVT) 。
最近將孔壓測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。FFCPT 技術(shù)可較準確地獲得海底淺層土體的原位特性參數(shù)和土體擾動后的參數(shù)，有效縮短勘察時間、降低勘察成本。FFCPT 探頭、操作示意和測試指標的解譯結(jié)果見圖 9 ～ 圖 11。
海底深層土體的原位測試也采用 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) ，提供了原位抗剪強度隨摩擦筒紋路高度變化的函數(shù)，可對不同豎向應(yīng)力和水平向應(yīng)力對側(cè)壁摩阻力的影響進行研究，為劃分土類和土層提供了新的視角[22]。
1. 2. 7 探測磁場強度 CPT 技術(shù)
越來越多的城市地下空間的開發(fā)建設(shè)需要對地下障礙物埋藏位置和區(qū)域進行合理判別，保證勘察的安全并服務(wù)于地下工程的設(shè)計。針對可能存在電磁場的地下設(shè)施，探測磁場強度的 CPT 技術(shù)采用霍爾傳感器( Hall sensor) 進行探測，獲得三維磁場的分布( 圖 15) 。霍爾傳感器對磁場敏感，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可在狹窄間隙中進行測量，頻率響應(yīng)寬，并可測量非均勻磁場。
1. 2. 8 旋轉(zhuǎn) CPT 技術(shù)
鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司開發(fā)成功將靜力觸探技術(shù)和鉆探的優(yōu)點有機結(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，試驗深度一般達 60 ～ 70m( 最大測深達 86m) ，較好地滿足了工程的需要。 2011 年以來，鐵三院繼續(xù)進行體系完善研究工作，包括相關(guān)力學(xué)模型分析、測試參數(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)標準的制定[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]進行研究，目前主要的 LIF 系統(tǒng)是由美國陸軍事工程師航道站( WES) 發(fā)展的( 圖 17) ，主要用于探測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) 可用于探測地表下?lián)]發(fā)性有機化合物( VOC) 和有毒性的揮發(fā)性有機化合物( PVOC) 污染物的位置及濃度。為了加速污染物的擴散滲流，探頭的標準溫度為 121℃ ( 圖 18、圖 19) 。
1. 3 代表性的應(yīng)用研究成果
近年來，國際上原位觸探測試技術(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)險評估、工業(yè)污染場地環(huán)境評價與海洋工程勘察。以下原位觸探測試技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用研究與實踐，具有比較突出的代表性，是很有市場價值和技術(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 蔡國軍3
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