便攜式聲波鉆機(jī)在水利工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用效果研究

楊正春 徐連鋒 伍宛生 王根華 李劍修

便攜式聲波鉆機(jī)在水利工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用效果研究

楊正春 徐連鋒 伍宛生 王根華 李劍修

水利工程中淤質(zhì)軟土、松砂的地質(zhì)勘察取樣是工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，一般應(yīng)用螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，再使用薄壁取土器取樣，存在鉆探效率低和軟弱夾層、薄層中取樣困難，甚至難以取樣等問題。

根據(jù)水利部科技推廣計(jì)劃，中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司引進(jìn)加拿大制造的便攜式聲波鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用聲波鉆進(jìn)技術(shù)具有連續(xù)取樣、鉆進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外已廣泛應(yīng)用于湖底沉積物勘察、海洋地質(zhì)調(diào)查、土壤研究、砂金礦床開采等領(lǐng)域的礦物成分分析、地層編錄等，為了探討該設(shè)備取樣效果，評(píng)估其取樣過程對(duì)土樣擾動(dòng)影響，此次結(jié)合引江濟(jì)淮工程勘察工作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆探、取樣及室內(nèi)試驗(yàn)，分析與常規(guī)鉆機(jī)取樣試驗(yàn)指標(biāo)的差異程度，以便在水利工程地質(zhì)勘察中推廣應(yīng)用。

一、試驗(yàn)場(chǎng)地鉆探取樣情況

引江濟(jì)淮工程西淝河下段輸水線路工程需疏浚河道，位于淮北沖積平原，屬西肥河漫灘相沉積，河道長(zhǎng)度12.65km。疏浚段河槽開挖段查明淤泥質(zhì)土、砂性土的分布、物理力學(xué)指標(biāo)是進(jìn)行河底開挖、坡比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是工程勘察工作的重點(diǎn)，為此在工程關(guān)鍵部位采用便攜式鉆機(jī)鉆探。為了對(duì)比不同鉆機(jī)取樣效果，此次采用與常規(guī)鉆機(jī)同步鉆探對(duì)比，共進(jìn)行2組對(duì)比鉆探孔，每組2孔，孔間距約5m，對(duì)比層位主要為②層淤泥質(zhì)輕粉質(zhì)壤土，該層土為第四系全新統(tǒng)沖積成因，灰色，軟塑狀態(tài)，厚度3.5m左右，一般分布在疏浚河道的岸坡下部，是影響岸坡穩(wěn)定的關(guān)鍵位置。

鉆探過程常規(guī)鉆機(jī)采用錘擊式連續(xù)取樣，長(zhǎng)度0.3m，然后進(jìn)行清孔，到達(dá)預(yù)定深度后，再次取樣，直到預(yù)定位置；使用便攜式鉆機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)取樣后，送到室內(nèi)，結(jié)合記錄及常規(guī)鉆探取樣位置截取土樣，盡量采取同樣深度土樣，以排除取樣地層不同和深度變化對(duì)試驗(yàn)成果的影響。

二、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

此次僅對(duì)第②層淤泥質(zhì)輕粉質(zhì)壤土土樣試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，物理指標(biāo)主要包括含水率、干密度、孔隙比，力學(xué)指標(biāo)主要包括壓縮系數(shù)、壓縮模量和粘聚力、內(nèi)摩擦角（直剪）。試驗(yàn)結(jié)果表明，物理試驗(yàn)指標(biāo)、壓縮試驗(yàn)指標(biāo)兩種方法所取土樣的試驗(yàn)指標(biāo)相差較小，兩種方法取樣的試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值基本重疊，說明取樣方法對(duì)上述指標(biāo)沒有影響，或者說擾動(dòng)程度一樣，其中1組干密度試驗(yàn)指標(biāo)室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比見圖1。

剪切試驗(yàn)指標(biāo)影響略大，粘聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)1組室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比見圖2、3。從圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，兩種指標(biāo)數(shù)據(jù)大部分重疊性較好，僅在埋深2.5m深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。

圖1　干密度對(duì)比圖

圖2　內(nèi)摩擦角對(duì)比圖

圖3　粘聚力對(duì)比圖

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)公式，對(duì)兩種所取土樣的含水率、干密度和壓縮系數(shù)、壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中含水率和干密度總體分布狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本一致，壓縮系數(shù)和壓縮模量也基本一致，試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　土樣物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值總體分布狀態(tài)對(duì)比分析表

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中含水率、干密度等物理指標(biāo)的變異系數(shù)小，壓縮系數(shù)、壓縮模量變異系數(shù)稍大，粘聚力、內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)較大。

為了檢驗(yàn)試驗(yàn)參數(shù)的結(jié)果總體均值是否相等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體均值檢驗(yàn)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中均值之差U檢驗(yàn)法，設(shè)置信水平α=0.05，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表，得知Uα/2=1.96，即在保證率為95%，兩種土樣相關(guān)程度系數(shù)小于1.96，說明兩種土樣試驗(yàn)成果一致性很好。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除內(nèi)摩擦角外，其他各試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.057～1.468，均小于1.96，故常規(guī)鉆機(jī)取樣和便攜式聲波鉆機(jī)取樣的土樣土工試驗(yàn)所得結(jié)果是基本相等的。含水率、干密度的相對(duì)偏差小于3%，試驗(yàn)結(jié)果符合性好，壓縮系數(shù)、壓縮模量相對(duì)偏差小于8%，試驗(yàn)結(jié)果符合性較好。

內(nèi)摩擦角相對(duì)偏差較大，相關(guān)程度系數(shù)為4.059左右，根據(jù)圖2中可見在2.5m深度的土樣內(nèi)摩擦角試驗(yàn)值明顯偏高，達(dá)25.6°，而該土樣的粘聚力為7.14kPa，明顯偏低，但總體抗剪強(qiáng)度與其他土樣相差有限，雖然內(nèi)摩擦角參數(shù)本身有一定的離散性，若剔除不合理指標(biāo)，二者的相似程度會(huì)提高，作為軟土層常規(guī)鉆機(jī)取樣保證率低，便攜式鉆機(jī)可以作為補(bǔ)充取樣手段，結(jié)合軟土原位試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)經(jīng)過修正后有一定的參考價(jià)值。

三、結(jié)論與建議

（1）便攜式聲波鉆機(jī)取樣與常規(guī)鉆機(jī)取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)對(duì)比，其含水率、干密度等物理試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果符合性好，壓縮系數(shù)、壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果符合性較好，可達(dá)到常規(guī)鉆機(jī)取樣試驗(yàn)效果。粘聚力、內(nèi)摩擦角相對(duì)偏差略大，修正后仍有一定的參考價(jià)值。

（2）常規(guī)鉆機(jī)在軟土中取樣保證率低，而便攜式聲波鉆機(jī)可以快速鉆探、連續(xù)取樣，更可實(shí)現(xiàn)軟弱夾層、薄層的完整取樣，同時(shí)具有輕便、場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低特點(diǎn)，是水利工程勘察中值得推廣的一種勘探設(shè)備

（注：本項(xiàng)研究得到水利部“948”項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，項(xiàng)目編號(hào)201313）

（作者單位：中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司230000）