中外标准在港口工程勘察中的应用对比研究

2022-04-11陈志新彭满华张海顺黄成志

岩土工程技术 2022年2期

陈志新彭满华张海顺黄成志

（中船勘察设计研究院有限公司，上海 200063）

0 引言

随着“一带一路”政策的深入推进，越来越多的技术人员走出国门从事国外项目的勘察工作，因此，掌握并正确使用国外规范对国外项目的建设起着至关重要的作用。

在“一带一路”沿线国家中，进行工程建设所采用的标准除了项目所在国规范外，有部分国家采用欧洲标准（Eurocode 7）或美国标准（ASTM 或API RECOMMENDED PRACTICE 2A-WSD），采用欧洲标准的国家主要是欧盟成员国及埃塞俄比亚、肯尼亚等国家，采用美国标准的国家主要为美洲国家及部分非洲、中东、南亚及东南亚国家。

目前，已有许多学者和工程技术人员对国外规范进行了研究，如程新生对中外水运工程勘察标准体系进行了对比研究[1]，成利民和孙宁对中、美、欧岩土工程勘察规范差异性进行了研究[2]，得出了在规范的独立性、集成度、资料引用方面存在有较大差异的结论，郭晓亮对中塞两国勘察标准与手段进行了对比分析[3]，得出中国铁路勘察规范全面、可操作性强，但工程标准条款结论多，容易死搬硬套，应加快国际国外先进标准的采用和转化工作；冯蓓蕾和周伟兵对基于土壤分类的ASTM（美国标准）与国标之异同进行了初步研究[4]。

本文在前人研究的基础上，主要从港口工程项目勘察的主要要素角度对中外标准进行对比研究。

1 勘察工作量的布置

在明确了项目的勘察目的及技术要求后，需要布置合理的勘察工作量，而勘察工作量往往与勘察阶段相适应。在勘察阶段的划分上，中国标准分为四阶段，欧洲标准分为三阶段，美国标准分为四阶段（见表1）。

表1 中、欧、美勘察阶段划分

在勘察点的平面布置及深度布置方面，中国标准根据各拟建物性质、所处的勘察阶段均有详细的规定，其可操作性较强；而欧洲标准仅根据设计阶段对不同建筑物的勘探孔孔距和深度布置提出了建议，没有针对港口工程建构筑物的布置建议；美国标准在勘探孔间距方面也只提出了设置合理间距的要求，在勘探孔孔深上提出不小于结构荷载的影响深度的简单原则。三种规范都提出可根据实际情况对勘探孔孔深进行适当调整。因此对比中、欧、美标准可知，中国标准针对不同的勘察阶段及拟建物提出了具体的勘察要求，需按标准执行，而欧、美标准仅提出原则性要求，勘察技术人员需根据不同条件并结合自身工程经验，进行相应的勘察工作。故在实际应用上，以中国标准的可操作性较强，而欧、美标准的可操作性相对较差。

2 勘察手段

在勘察手段上，各国规范都较为相似，均采用钻探、原位测试和室内试验相结合的手段。

2.1 钻探、取样及岩土分类

2.1.1 钻探和取样

在钻探方面，三种标准基本一致，但在钻具及岩芯管规格上略有差别，其中中国标准所采用的钻具和岩芯管规格都能满足欧洲标准和美国标准的要求。在取样方面，其工艺和取样方法相同，对薄壁取土，均要求采用静力压入法，对厚壁取土，均要求采用重锤少击，且它们适用的地层相同。

因此，在钻探手段和钻具及取样上，中国标准与欧洲标准、美国标准差别不大，可以满足欧美标准的要求。

2.1.2 岩土分类

岩土分类是对岩土认识的一种重要方法，也是进一步研究岩土工程特性的基础，属于港工岩土工程勘察的重要内容，需正确认识中、欧、美三种标准在岩土体分类上的异同。

2.1.2.1 土的分类

在土的分类上，宏观的分类标准基本相同，中国标准根据地质成因、沉积时代、颗粒级配、塑性指数、孔隙比、含水量及有机质进行分类；欧洲标准[6,8-9]和美国标准[7,10-11]则是根据地质成因、粒径及级配、含水量和有机质进行分类。尽管宏观的分类原则相同，但在微观的分类标准上差异较大（见表2-表4）。

表2 JTS 133-2013 中粒组划分mm

表3 Eurocode 7 中粒组划分mm

表4 ASTM D2487-11 中粒组划分mm

另外，美国标准ASTM D2487-11 对土的分类更详细，共分为三大类15 个基本组，分组代号分别为GW（级配良好砾）、GP（级配不良砾）、GM（粉土质砾）、GC（黏土质砾）、SW（级配良好砂）、SP（级配不良砂）、SM（粉土质砂）、SC（黏土质砂）、CL（低液限黏土）、ML（粉土）、OL（低液限有机质黏土和低液限有机质粉土）、CH（高液限黏土）、MH（高液限粉土）、OH（高液限有机质黏土和高液限有机质粉土）、PT（泥炭土）。又经过各种变化，产生了11 个组合代号，故该标准中共有26 个分组代号。

三种规范在微观分类标准上存在差异，意味着三者采用的试验方法或试验仪器设备等差异较大。

2.1.2.2 岩体分类

JTS 133-2013 中的岩体分类主要按风化程度、岩石质量指标、岩体结构类型、岩层的单层厚度、岩体完整程度等分类。岩石主要按成因、坚硬程度及软化系数分类。而欧州标准[6,12]主要是按单一岩体指标对应分类，分类的指标有形成模式、颗粒尺寸、矿物质组成、孔隙度、单轴压缩强度、岩石类型、结构、非连续性、蚀变及地下水。美国标准[13]则采用一些定量评价体系，如岩体评级体系（RMR）、岩石结构评级体系（RSR）、Q-体系（NGI）、统一岩石分类体系（URCS）、岩石现场材料分类系统（RMFCS），单个体系中包含了多种参数。

在岩石坚硬程度划分上，欧洲标准比中国标准多2 级，对层理厚度多3 类。

2.2 原位测试

在港口工程勘察中，最常用的原位测试手段主要有标准贯入试验、静力触探试验以及十字板剪切试验等。

2.2.1 标准贯入试验

标准贯入试验是中、欧、美标准中广泛采用的一种原位测试手段，三种标准对所采用的试验设备规格作了明确规定（见表5）。

表5 中、欧、美标准中标准贯入试验设备规格

从表5可以看出，除了贯入器对开管和管靴长度、刃口单刃厚上稍有差别外，其他基本相同，因此在设备上可以认为是相通的。

从试验流程上比较，三种标准均要求钻孔到一定深度后，预打15 cm，然后以小于30 击/min 锤击，记录每打入10 cm 的锤击数，以打入30 cm 作为标贯击数，三者是相同的。

从成果的应用上比较，JTS133-2013 规定根据具体情况进行修正。而在欧美标准中要求经能效及上覆土压力修正的锤击数，并形成了用标贯来评估粗粒土内摩擦角的相关关系，如Peck 公式、Meyerhof 公式等。

因此，从试验结果的应用上看，欧美标准得出的标贯成果原位性更好，经验公式更值得推广，是国内标贯发展的方向。

2.2.2 静力触探试验

静探也是在中、欧、美在工程实践中应用较为广泛的一种原位测试方法，在探头规格上，中、美基本相同，均采用锥形，圆锥锥头底面积为10 cm2或15 cm2，锥尖角为60°，贯入速度1.2±0.3 m/s，而欧洲标准采用的探头形式更为多样，可以是锥形、球形、圆板形等，因此欧洲标准的探头形式涵盖了中、美标准。

在成果应用上，三种规范存在有一定的差异性，在美国标准中，要求对深度小于8 倍桩径的地层进行折减，而且在使用时，中、美标准采用静探的侧壁摩阻力确定桩的侧壁摩阻力，而欧洲标准则采用锥头阻力确定桩的侧壁摩阻力，同时欧洲标准还给出了用锥头阻力确定砂的有效内摩擦角、模量、固结系数及桩基承载力等。

因此，如果将中、美标准中的探头看成是欧洲标准中的一种，则静探所得测试结果可以通用，只需在应用时加以区分。

2.2.3 十字板剪切试验

港口工程勘察中经常碰到巨厚层软土层，十字板剪切试验可以确定软土的不排水抗剪强度，应用广泛。表6为中、欧、美标准十字板剪切试验对比。

据表6，三种标准中的十字板剪切试验在仪器上有细微差异，其他规定基本一致，其试验结果通用。

表6 中、欧、美国标准中十字板剪切试验对比

3 强度参数选取

设计工况不同，所采用的室内试验强度指标也不同，根据JTS147-2017[18]规定，持久状况室内细粒土的试验强度指标可采用直剪固结快剪强度指标或三轴固结不排水强度指标，短暂状况室内试验强度指标可以采用三轴不固结不排水强度指标，有经验时可采用直剪快剪强度指标。

受设备限制，主要采用直剪仪进行测试。由于直剪试验剪切面限定为上下盒之间的平面，而不是土样破坏时的最薄弱面，因此用剪切速度大小来模拟剪切过程中的排水条件，误差比较大，不能反应实际状况下的强度指标。

欧、美标准对饱和软黏土采用了三轴固结压缩试验设备去消除直剪设备所产生的不足。由于在试验中土样应力状态明确，可以严格控制土样的排水条件，并测量土样中孔隙水压力，其薄弱面在最软弱处，不需要将剪切面限定在上下盒之间，故三轴试验是测定土的抗剪强度指标较为完善的方法。三轴试验可获得原位性更好的不固结不排水三轴剪切强度指标作为短暂状况下施工期的强度计算参数，更能反映实际及设计要求的固结不排水三轴剪切总应力强度和有效应力强度指标，以作为持久状况下工后期的强度计算参数。

4 单桩竖向抗压承载力计算

中、欧、美三种标准的单桩竖向抗压承载力计算上存在相同之处，如首选静载试验来确定单桩竖向承载力，并通过静载试验结果来修正其他方法。计算公式的形式相同，都由桩的侧阻和端阻力组成，但在设计理念上，三种标准有异同，JTS 167-2018[19]采用抗力分项系数法，欧洲标准Eurocode 7 -Geotechnical design-Part 1[20]亦采用了抗力分项系数法，而美国标准API RECOMMENDED PRACTICE 2AWSD[21]则采用安全系数法。

三种标准的抗力分项系数或安全系数见表7-表9。