RI型貫入式系統多參數堤防勘察技術應用研究

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 前言

淮河流域現有各類堤防6.3 萬多公里。與其他水工建筑物相比，堤防工程具有以下幾個明顯的特點：（1）堤防線路長，跨越地貌單元多，堤基土層及土工參數變異性大；（2）堤防填筑土料成分復雜、施工方法多樣，堤身填筑密實度、防滲性能變異性較大。目前，堤基、堤身土的物理力學參數主要通過現場鉆探取樣、室內試驗等手段獲得相關參數，即同一地點土樣既需要現場勘探、又需要室內試驗，才能為堤防工程定量評價、工程設計和施工計算提供所需參數；勘察工作周期較長、成本高，取樣和試驗精度影響因素多。

原位測試是在土體未經擾動條件下測定巖土體的各種參數，所得數據遠比勘探－取樣－室內試驗所獲得數據準確可靠，更符合巖土體的實際情況。為了能夠快速獲得堤防工程地質資料，降低成本、縮短勘察周期，結合國家科技支撐計劃“堤防工程安全評價關鍵技術研究”，中水淮河規劃設計研究有限公司引進日本SRE 株式會社的RI 型貫入式設備，在我國首次開展RI 型貫入式系統多參數堤防勘察技術應用研究，取得了良好的效果，該項研究獲得水利部“948”項目計劃支持，研究成果應用于治淮工程勘察實踐，并獲得淮河水利委員會2013年科學技術三等獎。

2 技術特點

RI 型貫入式設備在傳統的靜力觸探儀上基礎上增加了含水率計和密度計，密度測量使用γ（137Cs）射線，含水率測量采用中子（252Cf）射線，將含水率測量、密度測量、強度指標測量三合一；含水率計和密度計探頭主要由前置放大器、計數管或閃爍計數器、鉛屏及放射源組成，根據計數率（脈沖總數/計數時間n/min）等參數通過數據處理求出土的各項指標。在保證輻射劑量對人體絕對安全的前提下，通過發射γ射線和中子射線，實現錐尖阻力（qc）、側壁摩阻力（fs）、孔隙水壓力（u）、水分、密度等五個參數的同步測量，間接獲得不同深度土體干密度、飽和密度、孔隙比、摩阻比等參數，能夠有效地提高地基分層的精度。

2.1 密度（濕密度）檢測原理

伽瑪（γ）射線是一種波長很短的由原子核產生的電磁輻射，γ 射線與物質作用時產生光電效應、康普頓效應及電子對生成等三種過程；土對γ 射線產生吸收作用而減弱其能量，同時將被減弱后的射線成一角度散射出去，土的吸收和散射過程并非是一次，而是多次反應的結果；經過多次散射，使散射光子的能量顯著降低。散射光子的光電效應幾乎隨密度的增加而迅速增加，在密度小的土中，散射作用占優勢；在密度大的土中，以光電吸收為主，測試儀器探頭的計數率隨密度的增加而減少。

2.2 含水率檢測原理

同位素中子源發射出來的快中子與周圍物質中各種原子核發生碰撞時，每次碰撞損失部分能量，速度降低，經多次碰撞變成慢中子。水是富含氫的物質，中子測水實質上就是中子測氫；快中子在土中通過慢化和擴散過程，形成了以中子源為中心的“慢中子云球”，如果土中含水率高，“慢中子云球”半徑就小，慢中子密度就大；反之，土中含水率低，“慢中子云球”半徑就大，慢中子密度就小；利用最易俘獲慢中子的物質制成的慢中子探頭，測定慢化后的中子強度來確定含水率的高低。

2.3 數據處理

數據處理時首先進行貫入深度（桿長）修正，處理異常值、進行RI/BG 記錄的背景值修正（減去環境輻射值），然后進行各類試驗成果的計算和繪制最終測試剖面。

初始測試數據成果有：測試深度ds（m）、錐尖阻力qt（MPa）、側壁摩阻力fs（kPa）、孔隙水壓力u（kPa）、探頭傾斜角i（度）、密度輻射計數A（cps）、環境背景輻射計數BG（cps）、γ（137Cs）放射源強度計數A0（cpm）、水分輻射（慢中子）計數B（cps）、中子（252Cf）射線源強度計數B0（cpm）等。

可通過下式計算出測點土層的濕密度ρt（g/cm3）、等效（總含水量）含水密度ρ0（g/cm3）：

土層的含水密度ρm（g/cm3）：

飽和土的含水率可以用濕密度（ρt）、土顆粒的密度 （ρs）和水的密度（ρw）算出；土體飽和時，可以由濕密度計算出干密度ρd（g/cm3）公式如下：

儀器測試得到的是等效（總）含水率ρ0，其中包含結合水，而地質資料中要求的含水率是排除強結合水后的含水率。計算土體含水率時采用水分修正系數排除結合水的影響；水分修正系數（α）又稱含水比，按下式計算：

根據儀器測試數據，在不同類型飽和土中，通過計算，可以得到相應的α 值，進行統計、分析，選擇各類土合適的α 值。

得到土體α 值后，含水（自由含水量）密度ρm（g/cm3）可以通過濕密度和干密度算出，由式（3）與式（1）推導而得：

非飽和土的含水率通過水分（含水率）計數計算出等效含水密度 （ρ0），土的含水率（w）通過等效含水密度、水分修正系數（α）和干密度算出。

測試成果包括靜力觸探成果曲線圖、含水率、濕密度、干密度、孔隙水壓力、溫度和傾斜度曲線圖。根據試驗曲線（qc、fs、u、Rf）或鉆探資料劃分地層與土質類別，根據土類，選擇分層水分修正系數（含水比）α，從而計算出各測試點的干密度、含水率、飽和度和孔隙比。

3 試驗結果比較分析

3.1 方邱湖試驗段

方邱湖試驗段位于淮河右岸，填筑土料以輕粉質壤土、粉土為主，設計擬進行加固處理；在現場布置RI 測試孔和相應鉆探取樣孔，按0.5m 間距采取原狀土樣進行室內土工試驗，RI 型貫入儀測試數據間隔為每0.1m 一組；據鉆探和靜力觸探結果劃分地層，兩種方法測出的土層濕密度、含水率相對偏差一般小于5%，試驗結果符合性較好，見表1。

表1 各土層物理性指標計算成果表

表2 各填土分組、分區干密度測試值總體分布狀態分析結果表

用RI 型貫入設備測得的土層濕密度、含水率數值及據此計算的干密度、孔隙比、飽和度值與鉆孔取樣測得數值平均值基本相近，含水率、干密度測定值稍大于通過現場取樣和室內試驗得到的土層干密度值，說明取樣及運輸、試驗過程有可能導致失水，影響試驗成果的準確性；與常規勘探每隔一定間距取樣試驗相比，通過RI 試驗可自上而下連續取得土層測試數據，能夠詳細反映沿孔深的土層物理力學性質變化情況，提高勘察工作精度。

表3 總體均值的假設檢驗計算結果表

3.2 淮北大堤試驗段

淮北大堤小蚌埠排澇站出水涵管建好后，需按一級堤防設計要求進行回填，填筑高度約15m，施工過程中，在涵管兩側布置了填筑干密度和含水率分層試驗工作；施工完成后，在涵管兩側采樣試驗位置附近進行RI 對比測試，兩種方法測試結果（總體平均值）相近。通過RI 方法測出的濕密度、干密度稍低于人工取樣試驗值，含水率、孔隙比和飽和度大于人工取樣試驗值。為分析兩種測試數據的符合性，采用矩法（動差法）對填土測試數據總體分布狀態分析結果見表2。

設置信水平α=0.05，查標準正態分布函數表，得uα/2=1.96，從表2可知，除第一區第二組外，其他各區組u1、u2均小于1.96，故認為測試數據總體服從正態分布。

為檢驗RI 貫入儀測試結果和現場鉆孔取樣再室內試驗所得結果總體均值是否相等，采用U=（X-Y）/SQRT（σ12/n1+σ22/n2），其中，X、Y為兩正態樣本的均值，σ12、n1、σ22、n2分別 為 對比樣本的均方差和組數。計算結果見表3。

設置信水平α=0.05，查標準正態分布函數表，得uα/2=1.96，從表3可知，除第一區第二組外，其他各區組u1、u2均小于1.96，故認用為RI 貫入儀測試結果和現場鉆孔取樣再室內試驗所得結果總體均值是相等的。

4 應用實踐

（1）根據試驗分析結果，在淮北大堤、荊山湖堤防加固和花園湖退水閘工程勘察中應用RI 型貫入式系統多參數勘察技術，能夠快速獲得堤防及堤基地質剖面、地層含水率分布圖、不同位置的土體密度、錐尖阻力、側壁摩阻力、孔隙水壓力及消散速度等參數，并可通過數據處理獲得土體抗剪強度參數。

（2）目前常用的堤防填土的干密度檢測方法主要通過灌砂法、環刀法取樣，進行室內試驗后，求得土樣含水率并計算出填土干密度，根據填土測試干密度值與設計干密度的對比，判斷堤身土填筑質量，上述方法存在所需測試過程多、時間較長、測試點間距較大等問題。應用RI 貫入設備可快速、連續測出不同部位的干密度指標。

（3）RI 型貫入式系統多參數堤防勘察技術為中水淮河公司第一次申請完成的水利部“948”項目，通過引進和應用研究，提出了各類土層水分修正系數值，形成了一套完整的RI 貫入設備的勘察試驗方法。與國內現有勘察設備相比，RI 型備具有測試快速、可獲得參數多等優勢；避免了取樣、運輸和制樣試驗過程中對樣品的擾動，縮短了勘察周期，提高了勘察精度。應用RI 型貫入式系統多參數堤防勘察技術對提高我國堤壩地質勘察與安全評價的整體技術水平具有重要意義，具有廣闊的應用前景■