便攜式聲波鉆機在水利工程地質勘察中應用效果研究

楊正春 徐連鋒 伍宛生 王根華 李劍修

便攜式聲波鉆機在水利工程地質勘察中應用效果研究

楊正春 徐連鋒 伍宛生 王根華 李劍修

水利工程中淤質軟土、松砂的地質勘察取樣是工程地質勘察的重點和薄弱環節，一般應用螺旋鉆機回轉鉆進，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。

根據水利部科技推廣計劃，中水淮河規劃設計研究有限公司引進加拿大制造的便攜式聲波鉆機，該鉆機采用聲波鉆進技術具有連續取樣、鉆進速度快等優點。國外已廣泛應用于湖底沉積物勘察、海洋地質調查、土壤研究、砂金礦床開采等領域的礦物成分分析、地層編錄等，為了探討該設備取樣效果，評估其取樣過程對土樣擾動影響，此次結合引江濟淮工程勘察工作進行現場鉆探、取樣及室內試驗，分析與常規鉆機取樣試驗指標的差異程度，以便在水利工程地質勘察中推廣應用。

一、試驗場地鉆探取樣情況

引江濟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，河道長度12.65km。疏浚段河槽開挖段查明淤泥質土、砂性土的分布、物理力學指標是進行河底開挖、坡比設計的關鍵，也是工程勘察工作的重點，為此在工程關鍵部位采用便攜式鉆機鉆探。為了對比不同鉆機取樣效果，此次采用與常規鉆機同步鉆探對比，共進行2組對比鉆探孔，每組2孔，孔間距約5m，對比層位主要為②層淤泥質輕粉質壤土，該層土為第四系全新統沖積成因，灰色，軟塑狀態，厚度3.5m左右，一般分布在疏浚河道的岸坡下部，是影響岸坡穩定的關鍵位置。

鉆探過程常規鉆機采用錘擊式連續取樣，長度0.3m，然后進行清孔，到達預定深度后，再次取樣，直到預定位置；使用便攜式鉆機，現場取樣后，送到室內，結合記錄及常規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試驗成果的影響。

二、室內試驗數據分析

此次僅對第②層淤泥質輕粉質壤土土樣試驗指標進行對比，物理指標主要包括含水率、干密度、孔隙比，力學指標主要包括壓縮系數、壓縮模量和粘聚力、內摩擦角（直剪）。試驗結果表明，物理試驗指標、壓縮試驗指標兩種方法所取土樣的試驗指標相差較小，兩種方法取樣的試驗指標數值基本重疊，說明取樣方法對上述指標沒有影響，或者說擾動程度一樣，其中1組干密度試驗指標室內試驗成果對比見圖1。

剪切試驗指標影響略大，粘聚力、內摩擦角指標1組室內試驗成果對比見圖2、3。從圖中試驗數據可以看到，兩種指標數據大部分重疊性較好，僅在埋深2.5m深度的試驗數據差異較大。

圖1　干密度對比圖

圖2　內摩擦角對比圖

圖3　粘聚力對比圖

根據數理統計的相關公式，對兩種所取土樣的含水率、干密度和壓縮系數、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等物理力學指標進行統計，其中含水率和干密度總體分布狀態和統計數據基本一致，壓縮系數和壓縮模量也基本一致，試驗成果統計見表1。

表1　土樣物理力學參數試驗值總體分布狀態對比分析表

經統計，試驗數據中含水率、干密度等物理指標的變異系數小，壓縮系數、壓縮模量變異系數稍大，粘聚力、內摩擦角的變異系數較大。

為了檢驗試驗參數的結果總體均值是否相等，試驗數據的總體均值檢驗采用統計學中均值之差U檢驗法，設置信水平α=0.05，查標準正態分布函數表，得知Uα/2=1.96，即在保證率為95%，兩種土樣相關程度系數小于1.96，說明兩種土樣試驗成果一致性很好。

統計結果表明，除內摩擦角外，其他各試驗參數相關系數為0.057～1.468，均小于1.96，故常規鉆機取樣和便攜式聲波鉆機取樣的土樣土工試驗所得結果是基本相等的。含水率、干密度的相對偏差小于3%，試驗結果符合性好，壓縮系數、壓縮模量相對偏差小于8%，試驗結果符合性較好。

內摩擦角相對偏差較大，相關程度系數為4.059左右，根據圖2中可見在2.5m深度的土樣內摩擦角試驗值明顯偏高，達25.6°，而該土樣的粘聚力為7.14kPa，明顯偏低，但總體抗剪強度與其他土樣相差有限，雖然內摩擦角參數本身有一定的離散性，若剔除不合理指標，二者的相似程度會提高，作為軟土層常規鉆機取樣保證率低，便攜式鉆機可以作為補充取樣手段，結合軟土原位試驗，力學試驗指標經過修正后有一定的參考價值。

三、結論與建議

（1）便攜式聲波鉆機取樣與常規鉆機取樣進行土工試驗對比，其含水率、干密度等物理試驗指標結果符合性好，壓縮系數、壓縮模量試驗結果符合性較好，可達到常規鉆機取樣試驗效果。粘聚力、內摩擦角相對偏差略大，修正后仍有一定的參考價值。

（2）常規鉆機在軟土中取樣保證率低，而便攜式聲波鉆機可以快速鉆探、連續取樣，更可實現軟弱夾層、薄層的完整取樣，同時具有輕便、場地適應能力強、成本低特點，是水利工程勘察中值得推廣的一種勘探設備

（注：本項研究得到水利部“948”項目經費資助，項目編號201313）

（作者單位：中水淮河規劃設計研究有限公司230000）