發布時間：所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
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和部分工程物探方法的應用實踐及研究成果進行回顧。從降低工程建設成本、確保工程勘察可靠性，滿足巖土工程分析和環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和部分工程物探方法的應用實踐及研究成果進行回顧。從降低工程建設成本、確保工程勘察可靠性，滿足巖土工程分析和環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的研究及其在實際工程中的更廣泛和更深入運用。
關鍵詞: 原位測試技術; 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計與治理及地基基礎( 地下結構) 設計、施工的基礎，通過工程勘察對擬建場地特征進行鑒別分析( site characterization study) ，為巖土工程設計模型及其參數和分析方法的正確選擇劃分出工程地質、水文地質單元，提供合理的巖土層與地下水的空間分布數據信息，對擬建場區的穩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計所需的巖土體指標和針對潛在關鍵問題的對策、措施建議[1-2]。近年來，穿越工程地質條件復雜地區的大規模陸路、水路交通工程建設和環境巖土工程項目的不斷增多，使得傳統巖土工程勘察在以鉆探、取樣和試驗為主要依據的基礎上，對原位觸探技術及其與工程物探技術相結合的“現 代 方 法” ( “modern approach”) 的合理運用更加關注[1]。
因可避免巖土樣的運輸過程擾動、含水量損失等產生的問題，取得巖土材料在現場的原位特性指標和獲得相對連續的巖土特性分布信息，以及相對工期較短的優勢，原位測試技術的應用與研究一直受到業界的重視，成為勘察的重要輔助或者主導方法。國際上對原位測試裝置的發展研究一直保持著比較良好的態勢，近年的原位測試技術研究與應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) ，應用于直接的巖土工程設計、海洋工程勘察與環境巖土工程領域; 二是以工程地球物理勘探技術的應用研究為代表的無損型( non-invasive，nondestructive) 探測方法，應用于工程勘察和施工、城市基礎設施運營風險防范中的復雜巖土體及空洞分布的探( 預) 測，以及環境巖土工程等新領域。按照目的劃分，近年關于原位測試的技術發展和工程應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發展中的代表性成果進行介紹。
1 原位觸探測試技術原位觸探測試技術
由于其不需取樣、可連續測試等優 點，在巖土工程中得到了廣泛應用和發展。 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 等新技術及其發展。
1. 1 近年原位觸探測試技術發展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測試技術，具有快速便捷、不需取樣、采集數據量大、干擾小及費用低廉的優點。圖 2 為 CPT 測試技術“家族”發展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術是 20 世紀 80 年代國際上興起的原位測試技術[6]，可以同時測定孔隙水壓力，應用于土層劃分、土類判別、求取原位固結系數、滲透系數、動力參數和承載力特性等。近年來，隨著巖土工程特別是環境巖土工程的發展，國際不少研究機構 ( 如英屬哥倫比亞大學、美國佐治亞理工學院、荷蘭代爾夫特大學等) 和專業原位測試儀器開發公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制開發了用于 CPTU 的新傳感器，促使 CPTU 向多功能和數字化方向發展[7]，進一步拓寬了 CPTU 技術應用領域。
1. 2 近年原位觸探測試技術發展概要
圓錐靜力觸探( CPT) 作為主要的原位測試技術，具有快速便捷、不需取樣、采集數據量大、干擾小及費用低廉的優點。圖 2 為 CPT 測試技術“家族”發展圖。孔壓靜力觸探( CPTU) 技術是 20 世紀 80 年代國際上興起的原位測試技術[6]，可以同時測定孔隙水壓力，應用于土層劃分、土類判別、求取原位固結系數、滲透系數、動力參數和承載力特性等。近年來，隨著巖土工程特別是環境巖土工程的發展，國際不少研究機構 ( 如英屬哥倫比亞大學、美國佐治亞理工學院、荷蘭代爾夫特大學等) 和專業原位測試儀器開發公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制開發了用于 CPTU 的新傳感器，促使 CPTU 向多功能和數字化方向發展[7]，進一步拓寬了 CPTU 技術應用領域。
1. 2. 1 地震波 SCPTU 技術
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產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，貫入數據( qt，fs，u2 ) 反映土的應力破壞狀態，剪切波速 Vs 可提供低應變剛度，土體孔壓消散過程可反映土的滲透性質。
1. 2. 2 電阻率 RCPTU 技術
加拿大英屬哥倫比亞大學( UBC) Campanella 等 1990 年研發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監測，每 25mm 或 50mm 采集一組數據。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傳感器，對給定的污染種類實施特殊測試[10]。UBC 電極環具有直接和土體耦合、自動凈化的獨特優點。
1. 2. 3 可視化 CPT 技術
美國密歇根大學( University of Michigan) 開發的可視化靜力觸探技術( VisCPT) [11-14]通過兩個不同放大倍數的微型照相系統( 圖 5) 在探頭連續貫入過程中連續照相，連續獲取土層的數字化數據并轉換為圖像，進行現場審視、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
全流觸探 FFP( full flow penetrometer) 測試技術在近海場地勘察中得到更加廣泛的應用，通過穿過軟土時產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]研發了 T 形觸探頭( 平面應變流) ，20 世紀 90 年代后擴展至球形探頭( 軸對稱應變流) [16-17]( 探頭結構及測試中 的 土 體 流 見 圖 7 ) 。FFP 技術的優點主要包括[18]: ①在非常軟的土中，精確性得到改進( 相比于 CPTU) ; ②對上覆應力的修正降低至最小; ③貫入阻力較少受到土的剛度、應力各向異性的影響( 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合[19-20]，孔壓過濾環可安設于球形探頭的“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 FFCPT( Free Fall Cone Penetrometer Test)
海底土體的工程性質受到許多因素影響，常規鉆孔取樣很難獲得海底土體原始狀態指標。FFCPT 技術可較準確地獲得海底淺層土體的原位特性參數和土體擾動后的參數，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果見圖 9 ～ 圖 11。
海底深層土體的原位測試也采用 CPT Stinger 技術( 圖 12) ，直接利用 Jumbo Piston Core 設備取樣，建立海底土體的 CPT 資料與強度關系。
1. 2. 6 多摩擦筒 CPT 技術
Frost 和 Martinez[21]提出的多摩擦筒軸向扭剪孔壓貫 入 系 統 ( 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，可對不同豎向應力和水平向應力對側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
越來越多的城市地下空間的開發建設需要對地下障礙物埋藏位置和區域進行合理判別，保證勘察的安全并服務于地下工程的設計。針對可能存在電磁場的地下設施，探測磁場強度的 CPT 技術采用霍爾傳感器( 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，結構簡單，體積小，可在狹窄間隙中進行測量，頻率響應寬，并可測量非均勻磁場。
1. 2. 8 旋轉 CPT 技術
鐵道第三勘察設計院集團有限公司開發成功將靜力觸探技術和鉆探的優點有機結合的旋轉觸探系統( 圖 16) [23-24]。該系統可記錄旋轉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，鐵三院繼續進行體系完善研究工作，包括相關力學模型分析、測試參數與地層物理力學性質的關系和在分析鉆孔灌注樁承載力、路基沉降中的應用以及相關技術標準的制定[25]。
1. 2. 9 熒光探頭 LIF 技術( Laser-induced fluorescence)
最早是由 Hirshfield 等[26]和 Chudyk 等[27]進行研究，目前主要的 LIF 系統是由美國陸軍事工程師航道站( WES) 發展的( 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、五氯苯酚等能發出熒光的苯酚類污染物質。
1. 2. 10 薄膜界面探頭 MIP 技術( Membrane Interface Probe)
由 Geoprobe 公司開發的薄膜界面 MIP 探頭( 帶加熱功能) 可用于探測地表下揮發性有機化合物( VOC) 和有毒性的揮發性有機化合物( 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 代表性的應用研究成果
近年來，國際上原位觸探測試技術應用于許多領域，比較有代表性的新探索有地震災害風險評估、工業污染場地環境評價與海洋工程勘察。以下原位觸探測試技術在工程勘察中的應用研究與實踐，具有比較突出的代表性，是很有市場價值和技術發展空間的應用研究方向。——論文作者：沈小克1 蔡正銀2 蔡國軍3
相關期刊推薦：《工程與建設》創刊于1998年，由安徽省工程勘察設計協會、安徽省城建檔案學會主辦。本刊面向建筑工程、道路橋梁工程、水利水電工程、交通工程、市政工程以及環境工程等各個專業，竭誠為工程建設界的科研、技術、管理人員以及高校相關專業師生服務。
