鉆桿撓曲變形對(duì)淺海深孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的影響

柴建峰，陳智勇

（1.網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京　100161；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00032）

鉆桿撓曲變形對(duì)淺海深孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的影響

柴建峰1，陳智勇2

（1.網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京100161；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

分析某填海工程勘察資料中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值差異現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)除了鉆探工藝、鉆桿直徑、泥漿濃度、清孔情況、時(shí)間效應(yīng)、鉆桿和套管匹配等因素影響SPT擊數(shù)外，重錘擊打時(shí)鉆桿的多次撓曲或彎曲回彈、船載式平臺(tái)波動(dòng)、鉆桿振動(dòng)和晃動(dòng)、重錘擊打頻率等也顯著影響測試結(jié)果，提出了相應(yīng)的改進(jìn)和后續(xù)研究建議，可提高地質(zhì)勘察資料的準(zhǔn)確性。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；長細(xì)桿；撓曲；擊打頻率；錘擊能量

0　引言

深厚覆蓋層在我國長江口、珠江口及東南沿海廣泛分布，深度可達(dá)百余米。目前深厚覆蓋層上的水利、風(fēng)電、碼頭、橋梁、隧道、人工島填海等工程越來越多，查明大埋深下覆蓋層的工程地質(zhì)特性是勘察關(guān)鍵問題之一。目前國內(nèi)工程地質(zhì)勘察，20 m深度以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（Standard Penetration Test，SPT）擊數(shù)的修正，采用 GB 50021—2012《巖土工程勘察規(guī)范》相應(yīng)的桿長修正規(guī)定，相關(guān)研究也較多。對(duì)于深度大于50 m的砂性土，由于取樣難度大，加之靜力觸探CPT貫入能力所限，更多采用SPT，但工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，影響SPT擊數(shù)原因復(fù)雜，甚至同一工程場地，不同鉆探機(jī)組所測的擊數(shù)值相差也較大，其準(zhǔn)確性和可利用性值得深入研究。

查閱文獻(xiàn)[1-5]發(fā)現(xiàn)，影響SPT測試精度的研究主要側(cè)重于鉆探設(shè)備差異導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，如鉆桿直徑、鉆桿和套管尺寸匹配情況、時(shí)間效應(yīng)、錘墊質(zhì)量、標(biāo)貫頭尺寸等，相關(guān)研究已獲得了不同鉆桿直徑SPT值的換算公式、不同規(guī)范和器具之間的經(jīng)驗(yàn)公式等，系統(tǒng)偏差一般在10%左右，萬江南、廖先斌等[5-6]研究了擊打能量的測試，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)對(duì)于深厚覆蓋層中（50m以上）的SPT研究相對(duì)較少，類似研究也多未考慮鉆桿的撓曲變形和海域船載式平臺(tái)的晃動(dòng)等因素。研究影響SPT精度因素，在勘察過程中盡可能克服或減小其影響，不僅有助于查清深層砂性土的工程地質(zhì)特性，也有利于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)后期打樁施工。

基于以上認(rèn)識(shí)，首先分析工程現(xiàn)場中遇到的問題及長細(xì)鉆杠撓曲特征，然后探討形成原因，最后定性提出改進(jìn)和研究思路?；诠ぷ鹘?jīng)驗(yàn)所限，以下探討范圍限于淺海、船載式勘探平臺(tái)和深厚覆蓋層中的砂性土地層。

1　工程實(shí)例分析

圖1為某海域A地塊SPT測試結(jié)果，鉆孔間距約20 m，對(duì)貫入深度未達(dá)30 cm，擊數(shù)n>50擊時(shí)，通過公式，換算貫入深度為30 cm的錘擊數(shù)N，共統(tǒng)計(jì)錘擊數(shù)約1 400個(gè)，變異系數(shù)為0.4。A地塊地層30m以下為砂性土，覆蓋層最厚可達(dá)100多m。地層和沉積環(huán)境相對(duì)簡單，高潮時(shí)水深10 m，均采用船載式鉆探平臺(tái)。由圖1分析不難發(fā)現(xiàn)：1）同一地層條件下，隨著測試深度增加，SPT離散性愈發(fā)明顯，如深度大于60 m后，N變化幅度在30～60之間，區(qū)間跨度較大；2）同一深度區(qū)間，SPT值相差也較大。

圖1 A地塊SPT值統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Fig.1　Scatter diagram of SPT in A site

A地塊SPT貫入擊數(shù)的差異現(xiàn)象，顯然大大超過了由于鉆桿直徑差異、標(biāo)準(zhǔn)不同、施工機(jī)械不同等引起的系統(tǒng)誤差。經(jīng)過現(xiàn)場分析和調(diào)研，認(rèn)為鉆桿撓曲、彎曲振動(dòng)、晃動(dòng)、可能是引起上述差異的主要原因，加之船載式勘探平臺(tái)隨著波浪的起伏晃動(dòng)難免會(huì)引起重錘擊打產(chǎn)生偏差或者打歪。實(shí)施SPT時(shí)鉆桿功能主要是傳遞能量[7]，在63.5 kg重錘沖擊下鉆桿先產(chǎn)生沿著鉆桿傳播的壓縮波，經(jīng)過時(shí)間l/c（l為鉆桿長度，c為彈性波速）傳遞到孔底，同時(shí)消耗了一部分能量。能量一部分再以張力波反射，沿著鉆桿向上傳遞，經(jīng)過時(shí)間2l/c，張力波到達(dá)鉆桿頂部，由于其大于此時(shí)鉆桿頂部的壓縮波，可能致使重錘和鉆探跳開。錘擊的能量不能高效傳遞給鉆桿，而變小了的張力波在鉆桿頂部反射為第二壓縮波，再沿著鉆桿向下傳遞。如此反復(fù)循環(huán)，直到壓縮波完全消耗在貫入器上，不再反射為止。上述為鉆桿保持垂直時(shí)、理想狀態(tài)下的“第一次碰撞”分析結(jié)果。錘與鉆桿跳開后的第二次擊打，即“第二碰撞”受第一次碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波影響，往往由于難以計(jì)算而忽略不計(jì)。

實(shí)際工程中，隨著鉆桿長度增加，撓曲現(xiàn)象，甚至是彎曲再回彈不可避免，船載式平臺(tái)的晃動(dòng)無疑又放大了這一不利因素。鉆桿在彈性回彈過程中，往往又承受一定的拉應(yīng)力，對(duì)孔底土體中標(biāo)貫器的工作狀態(tài)可能也會(huì)產(chǎn)生一定影響，甚至有拉拔效應(yīng)出現(xiàn)。目前有關(guān)SPT的牛頓碰撞理論、波在彈性介質(zhì)中傳遞理論均未考慮鉆桿撓曲振動(dòng)及彎曲再回彈。

現(xiàn)場技術(shù)工人通過操作卷揚(yáng)機(jī)起落重錘，實(shí)施SPT擊打，熟練操作者1 min可擊打20次左右，但不同設(shè)備配置和不同操作人員導(dǎo)致每次擊打時(shí)間間隔有異，差異往往很大，這時(shí)鉆桿中的彈性波對(duì)“第二次碰撞”的影響也會(huì)不同。圖2為同一地塊相鄰鉆孔、不同勘察機(jī)組的SPT測試結(jié)果，變異系數(shù)分別為0.28和0.36。

圖2 相鄰鉆孔SPT變化情況Fig.2　Contrast cu rve of SPT-N in two ad joining boreholes

由圖2不難發(fā)現(xiàn)甲機(jī)組的SPT擊數(shù)明顯大于乙機(jī)組的，相同地質(zhì)條件下，偏差較大。結(jié)合圖1和圖2分析可知，已有偏差顯然超出了鉆桿直徑差異等因素的影響。

2　鉆桿的撓曲變形

馮銘璋等對(duì)鉆桿撓曲變形進(jìn)行了研究[8]，將鉆桿的撓曲形象比喻為鉆桿“凸肚”現(xiàn)象，并相對(duì)量化研究了鉆桿彎曲“凸肚”和孔壁的相互作用力，并給出了不同桿長區(qū)間對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，如桿長45～50 m時(shí)，SPT擊數(shù)折減系數(shù)為0.69，即有約30%的能量損耗在鉆桿和孔壁之間的碰撞、摩擦上，用于貫入的有效功減少明顯。鑒于當(dāng)時(shí)工程規(guī)模所限，勘察測試深度未超過50m。

工勘鉆桿屬于典型的細(xì)長桿，在質(zhì)量63.5 kg（重量約635 N）錘擊下將發(fā)生彈性屈服，桿件處于臨界狀態(tài)下靜荷載FPcr可通過歐拉公式[9]計(jì)算。

式中：E為壓桿材料的彈性模量；I為壓桿橫截面的形心主慣性矩；D為鉆桿外徑；d為鉆桿內(nèi)徑；μ為長度系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)貫入測試時(shí)候，鉆桿類似兩端鉸接，取μ=1.0。將鉆桿φ42mm內(nèi)徑32mm、鉆桿φ50 mm內(nèi)徑38.8 mm，分別代入式（1），可獲得不同長度鉆桿撓曲所需的豎向靜荷載。

圖3為不同直徑鉆桿撓曲時(shí)所需的臨界豎向靜荷載。

圖3　鉆桿長度和撓曲臨界靜荷載關(guān)系曲線Fig.3　Relation curvebetween the length of rod and critical load of flexural deflection

本次僅探討φ42mm和φ50 mm鉆桿，由圖3分析可見：1）在63.5 kg靜荷載作用下，除了φ50mm鉆桿在25 m以內(nèi)不發(fā)生撓曲外，其余工況均會(huì)發(fā)生撓曲，顯而易見在重錘的沖擊荷載作用下，鉆桿均會(huì)發(fā)生撓曲，甚至大尺度的彎曲變形。2）不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于深孔，隨著鉆桿長度加大，φ42和φ50撓曲所需的FPcr十分接近，深孔測試時(shí)，φ42和φ50鉆桿抵抗撓曲變形的差距不大。

除了鉆桿和孔壁之間的碰撞、摩擦損耗，進(jìn)而影響錘擊能量的有效傳遞，通過多個(gè)工地現(xiàn)場觀察和研究認(rèn)為鉆桿撓曲后的再回彈、鉆桿振動(dòng)噪音、甚至彎曲振動(dòng)和錘擊頻率等也是影響貫入擊數(shù)的關(guān)鍵因素之一，尤其是船載式平臺(tái)晃動(dòng)和波動(dòng)，加之不同測試設(shè)備、不同測試習(xí)慣往往導(dǎo)致了單位時(shí)間內(nèi)重錘擊打次數(shù)不同，則不可避免發(fā)生錘擊和撓曲回彈在某一時(shí)間發(fā)生疊加和相互影響。

3　結(jié)語

1）就現(xiàn)今的勘察市場環(huán)境和勘察技術(shù)水平而言，不可否認(rèn)SPT仍為相對(duì)粗糙的原位測試手段，測試深度越大，偏差愈明顯。在工程實(shí)踐中，宜結(jié)合CPT等其他原位測試手段進(jìn)行對(duì)比校核。

2）考到到鉆桿的撓曲彎曲不可避免，同一工程應(yīng)統(tǒng)一設(shè)備、規(guī)范錘擊頻率等操作流程。目前淺海工程勘察船載式平臺(tái)的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)開始試用，隨著應(yīng)用日益廣泛和成熟，有望減少鉆探船的晃動(dòng)，有助于減少鉆桿的晃動(dòng)等不良影響因素。

3）雖然影響SPT擊數(shù)最根本因素是巖土體的物質(zhì)組成及歷史沉積環(huán)境，但勘察過程中，機(jī)械配置、操作習(xí)慣和工藝等顯著影響著SPT值。

4）建議后續(xù)對(duì)“重錘-錘墊-鉆桿-測試土體”沖擊模型進(jìn)行系統(tǒng)的理論模型分析和相應(yīng)的數(shù)值仿真分析。研發(fā)相應(yīng)的信號(hào)采集系統(tǒng)，不僅可測試錘擊處的加速度、速度和能量等信息，也可測試出標(biāo)貫器處相應(yīng)的參數(shù)，并能考慮長細(xì)桿撓曲振動(dòng)等因素。

本文只是定性指出了鉆探的撓曲、彎曲振動(dòng)等可能是影響深孔SPT質(zhì)量的主要原因，今后應(yīng)對(duì)此進(jìn)行定量化的研究。

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Influence of drill rod′s flexural deflection on standard penetration test in deep bore-holes in maritime spaces

CHAIJian-feng1,CHEN Zhi-yong2
（1.Technology Center,State Grid Xinyuan Company Ltd.,Beijing 100161,China; 2.CCCCThird Harbor ConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on the difference value of standard penetration test in one coastal reclamation engineering geological exploration data,we found that the drilling technology,diameter of drill rod,mud density,borehole cleaning,time effect，the distance between the rod and casing affect the count of hammering numbers,and the flexural deflection of rod,the bending spring back of rod,the fluctuating of ship p latform,the vibration and shake of rod and the frequency of hammering also significantly affect the test results.We put forward corresponding improvement and further research suggestions,which can improve the accuracy of the geologicalexp loration data.

standard penetration test;length rod;flexural deflection;hitting frequency;hammer energy

U655.4

A

2095-7874（2016）10-0040-04

10.7640/zggw js201610009

2016-07-27

柴建峰（1977—），男，陜西西安市人，博士，高級(jí)工程師，注冊土木工程師（巖土），主要從事工程地質(zhì)勘察工作。E-mail：623509677@qq.com