綜合分析方法在地層判識中的應用

單 波，李黨民，龍鵬偉

(西北電力設計院，陜西 西安 710032)

在工程建設過程中，前期的工程地質勘察工作極為重要，一般勘察會借助鉆探、井探等手段并采取樣品，對于第四紀地層，如果沉積環境相對多變，薄層較多，利用鉆探、物探等綜合方法進行勘察會獲取更多地層參數，利于后續的解釋判別分析，以便查明工程地質條件，分析存在的地質問題，做出合適的工程地質評價。

下面通過某一實際變電站工程場地多個鉆孔的地層資料、物探實測數據，利用物理力學指標，標準貫入試驗和波速測試等原位測試指標，并結合靜力觸探數據、和電法測試數據等多個方面進行資料對比分析，以達到綜合判別地層，合理評價的目的。

1 巖土工程條件

該擬建站址位于渭河北岸沖洪積平原區，地貌單元屬于渭河階地。地下水屬第四系孔隙潛水，地下水位埋深1.5～2.0 m，主要依靠大氣降水的垂直補給、農業灌溉補給以及鄰近的排水渠的側向補給，以人工開采、蒸發及向下游徑流、滲流形式排泄。

鉆孔勘察深度內，巖性分布自上而下主要以第四系沖、洪積成因的黃土狀粉質粘土、粉質粘土、粉土等。其分布特征分述如下：

①黃土狀粉質粘土(Q4al+pl)：黃褐色、褐黃色，濕，可塑，局部軟塑，具微層理，蟲孔及孔隙不甚發育，偶見蝸牛殼和白色絲狀鈣質，土質不均勻。該層在場地內均有分布。

②黃土狀粉質粘土(Q4al+pl)：黃褐色，很濕－飽和，軟塑－可塑，局部流塑狀，具微層理，土質不均勻，局部含粘土團塊，蟲孔及孔隙不發育。該層主要分布于地下水位以下，場地內廣泛分布。

③黃土狀粉質粘土(Q4al+pl)：褐黃色，很濕－飽和，可塑，局部軟塑，具微層理，土質不均勻，含粘土團塊，蟲孔及孔隙不發育，局部含鈣質結核顆粒，底部見有鐵錳質斑點或條紋。該層在場地內均有分布。

④粉土(Q3al+pl)：黃灰－淺灰色，很濕，中密－密實，土質較均勻，結構較致密，含氧化鐵斑點，局部夾20～30 cm厚的粉砂、粘性土薄層，該層以粉土為主，表現為粉土與粉質粘土互層狀，該層在場地內均有分布。

④1粉質粘土(Q3al+pl)：淺灰色，很濕，可塑－硬塑，具微層理，土質均勻，切口有光澤。呈透鏡體分布于④粉土中上部。

⑤粉土(Q3al+pl)：灰褐－青灰色，很濕，密實，土質較均勻，結構較致密，夾有20～30 cm厚紅褐色粘土薄層數層，局部與粉質粘土呈互層。

通過上述的鉆孔地層資料可以看出，該站址所在區域為第四紀沉積，薄層、互層較多，各層物性參數、力學性質較為接近，地層劃分有一定難度，因此可以采用多種手段、方法綜合判別、分析地層信息，確定工程地質條件。

2 綜合分析方法

2.1 地基土物理力學指標

在地基土物理力學性質指標中，主要對關鍵性的孔隙比、密度、壓實系數、壓縮模量等進行對比分析研究，根據現場勘探點土樣試驗結果分析如下：

(1)孔隙比

孔隙比指材料中孔隙體積與材料中顆粒體積之比，是反應材料密實程度的重要物理性質指標。孔隙比e越大材料越疏松，反之越密實(一般e<0.6表示地層屬于密實的低壓縮性土，e>1.0則表示地層為疏松的高壓縮性土)。主要用于評價天然土層的密實程度。對場地內典型勘探點的試驗孔隙比分析見圖1～圖3。

圖1 KT107勘探點孔隙比

圖2 KT112勘探點孔隙比

圖3 KT121勘探點孔隙比

以上勘探點孔隙比的對比分析可以發現，在0～20 m左右的深度土層孔隙比相似，20 m以下出現較為明顯的互層狀指標。該試驗結果與地層中0～20 m范圍內多以可塑－軟塑的黃土狀粉質粘土為主、20 m以下多為密實狀粉土與粉質粘土互層的地基土為主的勘探結果一致。

(2)密度

密度是指物質每單位體積內的質量。對場地內典型勘探點的式樣密度分析見圖4～圖6。

圖4 KT107勘探點孔隙比

圖5 KT112勘探點孔隙比

圖6 KT121勘探點孔隙比

從密度分析結果來看，在地層深度20 m上下存在數值上的區別，有一個大致的拐點，但不是非常顯著，表明土層性質存在一定差異，但不存在顯著差異。

(3)壓縮指標

壓縮指標主要對比壓縮系數和壓縮模量。土的壓縮系數是描述土體壓縮性大小的物理量，被定義為壓縮試驗所得e－p曲線上某一壓力段的割線的斜率。壓縮系數愈大，土的壓縮性愈高。土的壓縮模量指在側限條件下土的垂直向應力與應變之比，是通過室內試驗得到的，是判斷土的壓縮性和計算地基壓縮變形量的重要指標之一。壓縮模量越大，土越堅硬。現場幾個勘探點的壓縮系數和壓縮模量的試驗結果見圖7～圖9。

圖7 KT107勘探點壓縮指標

圖8 KT112勘探點壓縮指標

圖9 KT121勘探點壓縮指標

從圖中可以清晰的發現，在壓縮指標中20 m附近大致可分為上下兩個區域，20 m 以上的區域壓縮系數大、壓縮模量小，相對抗壓性較差，20 m以下土層抗壓能力較強，該指標地質分層情況相對顯著。

2.2 標準貫入試驗

根據地層資料，由于工程場地以粉土、粉質粘土為主，原位測試主要采用標準貫入試驗SPT，見圖10～圖12，通過三個對比試驗孔的標貫數據分析可以看出，在20 m以內標準貫入擊數相對比較穩定數值較低，而20 m以下擊數明顯增加，且出現鋸齒形波段，與粉土、粘土地層互層的實際情況相吻合。

2.3 靜力觸探試驗指標

將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中量測其貫入阻力、錐頭阻力及側壁摩阻力的過程稱為靜力觸探試驗。靜力觸探成果應用很廣，主要可歸納為以下幾方面：劃分土層；求取各土層工程性質指標；確定樁基參數。本次勘察作業采用雙橋靜力觸探。

圖10 KT107勘探點鉆孔原位測試數據

圖11 KT112勘探點鉆孔原位測試數據

圖12 KT121勘探點鉆孔原位測試數據

圖13 KT107勘探點地層鉆孔及靜探圖

圖14 KT112勘探點地層鉆孔及靜探圖

圖15 KT121勘探點地層鉆孔及靜探圖

從圖13～圖15中，通過靜探曲線發現20 m以上曲線變幅很小，說明為地層性質相對較為均一，這與實際表現為粘性土的地層情況相吻合，而20 m以下多為鋸齒狀，應為地層互層的反應，這也與實際表現為粉土夾薄層粘性土的地層情況相一致。

2.4 波速測試方法

剪切波測試方法是工作時將懸掛式探頭(即振源和檢波器)放入孔中，用孔中的泥漿液作為震源和檢波器與井壁耦合介質。震源為水平激振(垂直井壁)激發產生P、S波沿井壁地層傳播，由兩個相距1 m的檢波器接收沿井壁傳播的P、S波振動信號并把P、S波的振動信號轉換成電信號，通過電纜由主機記錄顯示存儲。主機對信號進行數據處理后采用兩道互相關分析方法，自動計算S波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道間的S波傳播速度。

本次測試共對3個孔位進行波速測試：K107、K112、K121。測試成果柱狀圖見圖16～圖18。

圖16 KT107孔波速測試成果圖

圖17 KT112孔波速測試成果圖

圖18 KT121孔波速測試成果圖

從上面測試結果可以看出，隨著測試深度的增加，剪切波速基本呈現遞增的態勢，而在20 m附近，波速出現了明顯的變化，也從側面反應該深度附近地層沉積出現了一定的改變。

2.5 土壤電阻率測試方法

該工程野外工作采用重慶地質儀器廠生產的DDC—8型電子自動補償儀進行垂向電測深法測量，該儀器具有靈敏度高、抗干擾性強等優點。測量時供電按照由A極→B極,B極→A極，A極→B極三種方式往復供電測量，最后取三次測量的平均值，這樣可以有效的減少接地電阻和不均勻性的影響，提高測試精度。

野外測量裝置方式采用溫納爾裝置(即供電極距和測量極距同時移動的測量方法)，最小供電電極距AB/2＝1.5 m，最大供電電極距AB/2＝150 m。測量時最大供電電壓為450 V。該場地三個孔位的測深解釋結果見表1。

表1 孔位電阻率測深解釋結果

根據鉆孔地層揭露，覆蓋層較厚，且以粉土、粉質粘土為主，橫向變化不大，地勢平坦，因此土壤電阻率各測點在橫向的測量結果應該差異不大，在縱向上由于地層水位較淺應體現由高變低再變高的逐步緩變過程，這與表1解釋出來得結果一致。從解釋結果來看在測深50 m范圍內，大致有4個電性層，埋深大致分別在1 m附近、10 m附近和20 m 附近，因此在20 m附近也能夠分辨出大概的巖性變化，與上述的幾種手段探測結果基本一致。

3 結論

通過利用地基土物理力學指標,對孔隙比、密度、壓縮系數、壓縮模量等指標進行對比分析研究，再結合標準貫入試驗、波速測試等原位測試方法，最后再與土壤電阻率測量結果對比，可以發現雖然單一方法有時候能夠反應地層巖性特征，但是由于考慮的具體方面不同，因此不可避免的都存在局限性，而綜合判別分析可以突出各自的特點，給出共性的特征，可以更為合理的劃分地層，并對地層的工程地質條件有更為清晰的認識。

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