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。
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。
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。
(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)