鉆探和試坑取樣對(duì)黃土試驗(yàn)結(jié)果的影響

王浩杰

(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊 830011)

黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)和物理力學(xué)參數(shù)一般通過(guò)取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的方法獲取[1-2]，受到人為、機(jī)械及取樣工藝等因素的影響，易使土樣受到不同程度的擾動(dòng)，影響土樣的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而影響對(duì)黃土工程地質(zhì)特性的分析判斷。因此，分析鉆探和試坑兩種不同取樣方式所造成土樣室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的差異性，可獲取鉆探取樣的擾動(dòng)形式及解決方案。

1 工程概況

西安至法門(mén)寺至機(jī)場(chǎng)城際鐵路(下簡(jiǎn)稱西法城際鐵路)位于關(guān)中盆地，途經(jīng)陜西省西安市、咸陽(yáng)市、寶雞市。新建線路自銀西高鐵乾縣車(chē)站引出，向西經(jīng)臨平、召公鎮(zhèn)至扶風(fēng)縣法門(mén)寺；在法門(mén)寺設(shè)站后折向南行，于扶風(fēng)縣西側(cè)跨渭河，經(jīng)眉縣、太白山、周至、樓觀臺(tái)、戶縣引入新西安南站。本項(xiàng)目是關(guān)中城際鐵路網(wǎng)“核心環(huán)”的重要組成部分，是關(guān)中城際網(wǎng)中的骨干線路和旅游環(huán)線。研究區(qū)域主要為乾縣境內(nèi)約23 km長(zhǎng)的一段，線路走向見(jiàn)圖1。

圖1 乾縣境內(nèi)線路示意

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

乾縣境內(nèi)線路所經(jīng)區(qū)域?qū)儆谖急迸_(tái)塬之一級(jí)黃土臺(tái)塬區(qū)，漠谷河及支溝和泔河流經(jīng)塬面，線路由東向西走行于黃土臺(tái)塬上。塬面地形平坦開(kāi)闊，地表多為耕地。村莊較密集，人口稠密，交通便利。

2.2 地層巖性

區(qū)段內(nèi)地層主要為第四系堆積物，黃土塬地段分布第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土。

①上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土(Q3eol)

分布于黃土臺(tái)塬地表，厚約5～20 m，棕黃色，含零星姜石，硬塑為主，軟塑層主要分布在地下水位線以下，層厚1～3 m，一般1～2層。

②中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土(Q2eol)

下伏于上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土層，厚大于60 m，棕褐色為主，土質(zhì)不均，含零星姜石，硬塑為主，軟塑層主要分布在地下水位線以下，層厚1～3 m，一般2～3層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

所在區(qū)域大地構(gòu)造屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)南部， 區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造(多表現(xiàn)為隱伏斷裂)為主。上覆巨厚層第四系堆積物，構(gòu)造活動(dòng)對(duì)工程基本無(wú)影響。

2.4 不良地質(zhì)和特殊巖土

不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為老鴉咀水庫(kù)兩側(cè)岸坡的滑坡和溜坍，線路已經(jīng)繞避。特殊巖土主要有濕陷性黃土、膨脹土和松軟土等，濕陷性黃土主要為黏質(zhì)黃土，多具Ⅱ～Ⅳ級(jí)自重濕陷性，厚10～30 m。沿線風(fēng)積黃土層中分布的古土壤多具弱膨脹性。地表分布的第四系全新統(tǒng)沖積黃土、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土屬松軟土。

3 黃土濕陷性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 兩種取樣方法概述

(1)鉆探取樣

本段線路所經(jīng)地貌類型為黃土臺(tái)塬區(qū)，使用外徑≥130 mm的黃土薄壁取土器，采用連續(xù)靜壓法和重錘少擊法取土[3-4]。一般情況下，上部第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土相對(duì)松散，鉆探所使用的XY-150型鉆機(jī)可以均勻連續(xù)地壓入土層，當(dāng)取樣深度大于10 m或達(dá)到第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土層中，受鉆機(jī)自身重量及功率限制，所提供的靜壓力不足，只能選用重錘少擊法取樣，原則上要求必須在小于3錘的情況下完成取樣。

(2)試坑取樣

利用直徑約0.8 m的機(jī)械洛陽(yáng)鏟成孔，由操作熟練的工人利用專業(yè)的取土刀在井壁切取土樣，然后用絞繩吊籃運(yùn)至地面，裝入土樣桶后用散土填實(shí)蠟封。

相較于鉆探取樣，試坑取樣主要有以下特點(diǎn)，①成孔過(guò)程中機(jī)械洛陽(yáng)鏟對(duì)井壁的震動(dòng)和擠密擾動(dòng)較小，所取樣品的質(zhì)量較高。②試坑取樣深度由鋼尺精確量取，取樣深度更為準(zhǔn)確可靠。③試坑只能采取地下水位以上的土樣，常規(guī)取樣深度有限，深度大于20 m時(shí)，需使用專門(mén)的通風(fēng)送氧設(shè)備，以保證取樣人員的人身安全。

3.2 黃土濕陷性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

本次研究選取相同地貌單元內(nèi)地下水位以上相同深度的鉆探土樣及試坑土樣的試驗(yàn)結(jié)果(篩除了鉆探取樣中由于土樣皮卷入土樣中造成其嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的試樣數(shù)據(jù))進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)。

表1 土樣試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量統(tǒng)計(jì)

在黃土濕陷性系數(shù)、自重濕陷量、總濕陷量和濕陷土層厚度統(tǒng)計(jì)中，由于數(shù)值變化幅度大，本次使用平均值和范圍值的方法對(duì)91孔/667組鉆孔土樣和106孔/914組試坑土樣的濕陷性判定結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。

鉆孔土樣測(cè)得的濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)大多小于相近里程試坑土樣的測(cè)試結(jié)果，濕陷系數(shù)平均值降低幅度為33.3%～42.6%。其中，自重濕陷量平均值降低幅度為14.3%～43%，總濕陷量平均值降低幅度為13%～23.8%。進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)判定的濕陷土層厚度和濕陷等級(jí)相較于試坑土樣的判定結(jié)果較小，主要表現(xiàn)為：①部分段落試坑土樣判定具濕陷性而鉆孔土樣判定不具濕陷性；②在兩者均判定具有濕陷性的情況下，多數(shù)鉆孔判定的濕陷等級(jí)及濕陷土層厚度較試坑所判定的結(jié)果小。

4 黃土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比分析

4.1 同深度黃土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

黃土的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，直接或間接地反映黃土的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而綜合反映出黃土的工程地質(zhì)特性。在黃土的各項(xiàng)物性指標(biāo)中，天然密度、相對(duì)密度和含水率是基本指標(biāo)，必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，其中相對(duì)密度主要取決于土的礦物成分[5-7]。統(tǒng)計(jì)表明，兩種取樣方法所測(cè)得的相對(duì)密度差異很小。干密度、孔隙比、飽和度從一定意義上能夠反映出土體的物質(zhì)組成情況及結(jié)構(gòu)特征。液限、塑限能夠較好地反映土體礦物成分。壓縮系數(shù)和壓縮模量都可以用于評(píng)價(jià)土的壓縮性質(zhì)，兩者存在一定的關(guān)系，隨著壓縮系數(shù)的增大，壓縮模量減小。本次研究選取壓縮系數(shù)作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

對(duì)鉆孔和試坑兩種取樣方法所取土樣的室內(nèi)試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3)，發(fā)現(xiàn)鉆探取樣所測(cè)得的天然含水率、天然密度、干密度、飽和度、界限含水率等指標(biāo)均較大，而孔隙比和壓縮系數(shù)較小。其中天然含水率提高幅度為1.56%～13.05%，天然密度提高幅度為3.63%～9.78%，干密度提高幅度為1.26%～7.79%，飽和度提高幅度為6.92%～28.39%，塑限提高幅度為4.67%～7.45%，液限提高幅度為5.05%～7.85%，而孔隙比降低幅度為6.57%～16.30%，壓縮系數(shù)降低幅度為2.56%～6.25%。

表3 兩種取樣方法相同取樣深度黃土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.2 差異性分析

黃土土體的結(jié)構(gòu)對(duì)其工程地質(zhì)性質(zhì)影響較大，土體的孔隙比和壓縮性在很大程度上影響其工程性質(zhì)[8]。鉆探取土?xí)r，取土器對(duì)土樣的錘擊擠密造成了土樣的壓密擾動(dòng)[9]，使土樣的孔隙比、壓縮系數(shù)偏小，密度、含水率等指標(biāo)偏大。由此可見(jiàn)，造成鉆探土樣試驗(yàn)誤差較大的原因?yàn)殄N擊擠密。相比之下， 試坑取樣對(duì)土樣的擾動(dòng)較小，室內(nèi)測(cè)試所得的物理力學(xué)參數(shù)也更加接近現(xiàn)實(shí)情況，用其評(píng)價(jià)黃土的濕陷性和壓縮性更為可靠。

通過(guò)分析鉆孔和試坑兩種取樣方法所測(cè)得物理參數(shù)的差值幅度隨取樣深度的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

圖2 天然含水率差值幅度隨取樣深度變化

圖3 天然密度隨取樣深度變化

圖4 孔隙比隨取樣深度變化

圖5 飽和度隨取樣深度變化

(1)由圖2～圖5可知，隨著取樣深度的增加，兩種取樣方式所測(cè)得的含水率和飽和度都逐漸增大，而天然密度和孔隙比都逐漸減小，但兩種取樣方式的差值幅度隨取樣深度的增加而逐漸減小，說(shuō)明隨著深度的增加，土體結(jié)構(gòu)越來(lái)越密實(shí)，鉆孔取樣對(duì)其壓密擾動(dòng)也相對(duì)減小，造成兩者試驗(yàn)結(jié)果趨于接近。當(dāng)取樣深度在20～30 m之間時(shí)(接近研究區(qū)地下水位)，其含水率和飽和度試驗(yàn)結(jié)果趨于一致。

(2)由圖6及表3可知，隨取樣深度的增加，塑限和液限指標(biāo)差值幅度比較穩(wěn)定。

圖6 塑限隨取樣深度變化

(3)由圖7可知，隨著取樣深度的增加，土的壓縮系數(shù)逐漸降低，15 m深度內(nèi)鉆孔與試坑取樣測(cè)得參數(shù)差值幅度隨取樣深度的增加沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明15 m以下土體本身結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，鉆孔取樣對(duì)土的壓密擾動(dòng)較小。研究區(qū)第四系上更新統(tǒng)黃土平均層厚20 m，且黃土中鈣質(zhì)結(jié)核含量較少，相對(duì)較松軟，而20 m以下第四系中更新統(tǒng)黃土密實(shí)度較好，鈣質(zhì)結(jié)核含量較高，相對(duì)堅(jiān)硬，故抗擾動(dòng)能力較強(qiáng)。

圖7 壓縮系數(shù)隨取樣深度變化

5 取樣過(guò)程中存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

5.1 鉆探取樣過(guò)程中存在的問(wèn)題

(1)地表以下15～20 m深度范圍內(nèi)鉆探取樣會(huì)對(duì)土樣造成較顯著的壓密擾動(dòng)，主要由以下兩個(gè)原因造成：

①黃土層中含有粒徑10～60 mm的鈣質(zhì)結(jié)核，靜壓法無(wú)法完成取樣(只能換用重錘法)，重錘法取樣(錘擊數(shù)≥10)會(huì)給黃土的原生孔隙結(jié)構(gòu)造成壓密破壞。

②取樣時(shí)，上次取土器內(nèi)留存的殘土未按要求及時(shí)清理，造成取樣時(shí)過(guò)度壓入或錘擊，從而對(duì)土樣造成壓密擾動(dòng)。

(2)鉆孔所取樣品的天然含水率和飽和度較大，除了受壓密擾動(dòng)外，還可能受到人為灑水的滲透擾動(dòng)。

5.2 試坑成孔取樣過(guò)程中存在的問(wèn)題

在試坑取樣過(guò)程中，人工挖探對(duì)土體擾動(dòng)最小，但其挖探深度有限，效率較低。采用機(jī)械洛陽(yáng)鏟進(jìn)行挖取，在成孔過(guò)程中會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生輕微的擾動(dòng)，主要擾動(dòng)形式為鏟刀頭部下降時(shí)的動(dòng)能對(duì)孔底及孔壁產(chǎn)生的沖擊震動(dòng)。

5.3 改進(jìn)措施

(1)在交通條件好汽車(chē)鉆可進(jìn)場(chǎng)的地段布置取樣試驗(yàn)孔，利用汽車(chē)鉆功率強(qiáng)、重量大的特點(diǎn)[13]，選取靜壓法取樣，對(duì)土樣擾動(dòng)較小。鉆孔取樣和試坑取樣應(yīng)交叉進(jìn)行，對(duì)兩者取樣試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。

(2)嚴(yán)格執(zhí)行任務(wù)書(shū)上的鉆探技術(shù)要求，做好對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施鉆人員的培訓(xùn)和監(jiān)督工作[14]，避免因違規(guī)操作或取樣工藝不合理而造成的土樣擾動(dòng)。

(3)在進(jìn)行試坑成孔時(shí)，首先要將三腳架嵌入土體中一定深度并固定。在成孔過(guò)程中，要經(jīng)常調(diào)節(jié)落錘高度并控制鏟刀不搖晃擺動(dòng)，保持孔樁中心不偏移，保證鏟刀不沖擊孔壁。

(4)所有樣品在裝車(chē)卸車(chē)時(shí)都要輕拿輕放，運(yùn)輸過(guò)程中要盡量控制顛簸，避免樣品受到二次擾動(dòng)。

[1] 王帥帥.陜北黃土工程地質(zhì)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016

[2] 王爭(zhēng)鳴.關(guān)中城市群城際鐵路建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2013，35(12):1-5

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012

[4] 山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DBJ04/T312—2015 濕陷性黃土場(chǎng)地勘察及地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015

[5] 石書(shū)云，王通.黃土濕陷性系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)分析[J].山西建筑，2017，43(27):78-79

[6] 胡清波.山西中南部鐵路通道黃土臺(tái)垣區(qū)選線勘察[J].鐵道勘察，2018(1):55-58

[7] 張婉，張愛(ài)軍，陳佳玫，等.含水率和密度對(duì)伊犁黃土濕陷系數(shù)的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，45(5):211-220

[8] 王吉慶，劉昭，宋勇軍.不同取樣方式對(duì)黃土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].甘肅水利水電技術(shù)，2012，48(1)：33-34，50

[9] 高紅靈.濕陷性黃土地基鉆探取樣技術(shù)有待進(jìn)一步提高[J].西部探礦工程，2006(6):172-173

[10] 余珍友.鄭州西區(qū)濕陷性黃土不同法取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[J].山西建筑，2006(5):81-82

[11] 陳偉.甘肅濕陷性黃土地區(qū)公路工程地質(zhì)分區(qū)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2016

[12] 張濤，張偉林，馬麗芳.西寧盆地科學(xué)鉆探中黃土地層段泥漿體系的初步研究與應(yīng)用[J].地質(zhì)論評(píng)，2013，59(5):852，908

[13] 周孟超.探究鐵路工程地質(zhì)與鉆探的結(jié)合[J].鐵道勘察，2008，34(6):64-67

[14] 張志潼，高勤運(yùn).黃土地區(qū)的工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策(新建鐵路鄭州至西安客運(yùn)專線陜西境內(nèi)段)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(1):21-30