基于扁鏟側(cè)脹試驗材料指數(shù)的巖土類別研究

劉曉明，黃正花

(中機三勘巖土工程有限公司，湖北 武漢 430030)

傳統(tǒng)深層巖土勘探模式下，一般采用鉆孔巖心試驗室分析法；鉆孔內(nèi)物探方法包括貫入法、動錐法等。巖心試驗室分析法精度較高，但需要撤出鉆桿，試驗周期較長，鉆孔維護難度較大。貫入法、動錐法的可靠性較低，容易發(fā)生巖土類別的誤判。近年來，部分物探現(xiàn)場采用扁鏟側(cè)脹法，相關(guān)文獻研究表明，扁鏟側(cè)脹法在鉆孔內(nèi)判斷巖土類別的敏感度特異度均遠高于貫入法和動錐法，具有在大面積物探工程中取代或部分取代鉆孔巖心試驗室分析法的實踐意義。

該研究通過現(xiàn)場試驗，對比分析同一鉆孔同一深度下鉆孔巖心試驗室分析法和扁鏟側(cè)脹試驗法對巖土類別的分析結(jié)果，系統(tǒng)分析通過扁鏟側(cè)脹試驗材料指數(shù)推斷巖土類別的物探工程方案。

1 試驗方法與原始數(shù)據(jù)

依據(jù)《土工試驗方法標準》(GBT 50123—1999)，在武漢地區(qū)厚第4系分布地區(qū)布置1 000個測試鉆孔，鉆孔深度300～500 m，扁鏟側(cè)脹試驗深度200～500 m，同步使用巖心鉆頭獲取巖土巖心用于試驗室試驗。1 000個測試鉆孔中布置3 500個測試點，用于扁鏟側(cè)脹試驗材料指數(shù)與巖土類別的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)研究。用于數(shù)據(jù)參照的貫入試驗與動錐試驗數(shù)據(jù)直接使用扁鏟探頭的尖端進行輔助試驗數(shù)據(jù)采集。其中，材料指數(shù)為根據(jù)《土工試驗方法標準》規(guī)定的計算方法按照扁鏟側(cè)脹試驗數(shù)據(jù)獲得的測試結(jié)果。試驗系統(tǒng)與試驗原理如圖1所示。

圖1 扁鏟側(cè)脹試驗系統(tǒng)與試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat dilatometer test system and experimental principle

由圖1可知，扁鏟側(cè)脹實驗的本質(zhì)，是利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動扁鏟側(cè)脹1.1 mm前后應力傳感器捕捉的與數(shù)據(jù)獲得材料指數(shù)()，從而推斷扁鏟處于土層的巖土類別。該實驗主要在強風化地層或第4系沉積地層中測試巖土類別。

根據(jù)上述試驗設(shè)計，3 500個測點獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果，不同粒徑土壤顆粒含量情況下的材料指數(shù)分布情況如圖2所示。

由圖2可知，當土壤顆粒粒徑小于0.002 mm及位于0.002～0.050 mm的情況下，材料指數(shù)與土壤顆粒含量的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系有較為顯著的差異性。如土壤粒徑小于0.002 mm時，二者關(guān)系接近冪次關(guān)系；而土壤粒徑位于0.002～0.050 mm時，數(shù)據(jù)主要分為2段，特別當顆粒含量在20%～80%時，數(shù)據(jù)聚類為材料指數(shù)大于1.5的逆態(tài)線性關(guān)系和材料指數(shù)小于1.5的正態(tài)線性關(guān)系。從數(shù)據(jù)聚類關(guān)系來看，當顆粒粒徑小于0.002 mm時，數(shù)據(jù)在顆粒含量小于20%且材料指數(shù)大于1.0的投影區(qū)域有密度較大的落點聚類；當顆粒粒徑位于0.002～0.050 mm時，數(shù)據(jù)形成2組聚類，其中一組位于顆粒含量小于20%，材料指數(shù)在2.0～3.0的區(qū)域；另一組位于顆粒含量在60%～80%，材料指數(shù)在1.0～2.0的區(qū)域。

圖2 不同粒徑土壤顆粒含量情況下的材料指數(shù)(ID)的分布情況原始數(shù)據(jù)圖Fig.2 Distribution of material index ID under the condition of soil particle content with different particle sizes

2 實驗數(shù)據(jù)的巖土工程意義

單純從前文圖2數(shù)據(jù)分析，因為巖土材料中包含多種粒徑的土壤顆粒，且因為數(shù)據(jù)的相互干擾，難以通過材料指數(shù)反推土壤中不同粒徑的顆粒粒徑和顆粒含量。但是巖土成分的含量并不連續(xù)，而是形成一定的聚類特征，即根據(jù)扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)的落點位置推斷其聚類從屬關(guān)系，從而判斷扁鏟側(cè)脹試驗獲得的材料指數(shù)數(shù)據(jù)代表的巖土分類。綜合分析上述試驗數(shù)據(jù)，該關(guān)聯(lián)關(guān)系如表1所示。

表1 巖土分類標準(依據(jù)GBT 50123—1999)Tab.1 Geotechnical classification standard (according to GBT 50123—1999)

由表1可知，使用貫入法、動錐法獲得的巖土力學參數(shù)為塑性指數(shù))，使用扁鏟側(cè)脹法獲得的巖土力學參數(shù)為材料指數(shù)。塑性指數(shù)的數(shù)據(jù)分布與材料指數(shù)存在顯著差異性，如數(shù)據(jù)聚類方面當塑性指數(shù)聚類在17～27時，材料指數(shù)分為2段，分別在0.09～0.37和0.37～0.43。分析上述12種不同巖土成分下塑性指數(shù)、材料指數(shù)和巖土分類之間的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

表2 塑性指數(shù)、材料指數(shù)和巖土分類之間的關(guān)系表Tab.2 Relationship between plasticity index IP,material index ID and geotechnical classification

由表2可知，塑性指數(shù)、材料指數(shù)、巖土分類之間的關(guān)系可以歸納為以下規(guī)律：扁鏟側(cè)脹試驗獲得的材料指數(shù)對黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土的數(shù)據(jù)敏感度較強，其中敏感度最強的巖土分類為黏土，數(shù)據(jù)分布在0～0.1。而對砂土的敏感度略低，數(shù)據(jù)分布在1.8～10.0，該數(shù)據(jù)范圍中，塑性指數(shù)的數(shù)據(jù)存在不同巖土分類的數(shù)據(jù)交叉，敏感度較弱；圓礫土、卵石土等大直徑顆粒發(fā)育較強的巖土分類并不適用扁鏟側(cè)脹法測量，其主要原因為扁鏟測量探頭有可能被圓礫、卵石等大粒徑大硬度顆粒損壞，即扁鏟側(cè)脹法的適用范圍為顆粒粒徑較小(<2 mm)且硬度較小的土層；武漢地區(qū)，以及外擴至漢江一級、二級階地地區(qū)，第4系發(fā)育厚度較大，土層以淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和砂土為主要成分，前文中適應性較差的圓礫土、卵石土等土層在該地區(qū)并不多見，所以該地區(qū)第4系及淺層風化層(<500 m)物探中，扁鏟側(cè)脹法的推廣價值較大。

3 結(jié)語

扁鏟側(cè)脹法獲得的材料指數(shù)在較軟土層中與土壤顆粒粒徑和不同粒徑土壤顆粒含量之間存在較為復雜的非線性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，深入分析這種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)材料指數(shù)推測土壤的巖土分類，分析敏感度與鉆孔巖心實驗室分析法基本一致且具有數(shù)據(jù)聚類相關(guān)性。因為扁鏟側(cè)脹法相關(guān)測量儀器的安裝過程及施工工藝較為簡單，效率極高，所以使用扁鏟側(cè)脹法取代部分鉆孔巖心法，對提升物探效率有促進作用。受制于儀器硬件安全性，扁鏟側(cè)脹法在圓礫土、卵石土等有大顆粒成分的土層中并不使用，所以其地域適用范圍較小。該研究選擇的武漢地區(qū)，以及外擴至漢江一級、二級階地地區(qū)，對扁鏟側(cè)脹法的適應度較高。