植物膠工藝取樣技術在花崗巖風化土中的應用

黃國淼， 陳志波， 陳少峰， 鄭有強， 潘生貴

（1.福州大學環境與資源學院；地質工程福建省高校工程研究中心；自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室，福州350116；2.華東勘測設計院（福建）有限公司，福州350003）

0 引 言

花崗巖在我國分布廣泛，其風化土性質特殊，具有結構性、崩解性、各向異性等工程特性。由于經濟持續發展，越來越多大型項目不斷開展，花崗巖風化土成為工程建設中常見的土體。在工程建設前需對場地地質條件進行勘察，勘察取樣過程中的取樣擾動會對土樣產生不良影響［1-2］，由于花崗巖風化土的結構性強［3-4］，取樣擾動對其土樣強度的影響很大。

常規鉆探方法在松散、破碎等易擾動地層進行勘察取樣較困難，越來越多學者專注于回轉式取樣技術的研究。文獻［5-6］中的研究表明，單動雙管取樣技術能減少土樣的振動影響，防止沖洗液對土樣的沖刷，較好地保持試樣的原結構，提高采芯率。在鉆孔取樣時，沖洗液的選擇也相當重要，植物膠中含有親水性強的成分，可以迅速溶于水，它作為沖洗液使用時有降失水性、潤滑性、黏彈性等有利性能［7-8］。不少學者對植物膠作為沖洗液鉆孔取樣進行了研究。文獻［9-11］中的研究表明，植物膠沖洗液與傳統泥漿相比，具有優異的流變性能以及減振、降摩阻效應，在護壁以及保護芯樣方面性能更優。在工程實踐中，植物膠在淤泥質黏土層［12］和錯動帶［13］等特殊工況中應用效果顯著。此外，當前國家提倡環保理念，植物膠作為沖洗液進行鉆孔工作符合環保要求，其原料可實現自然降解，環保特性顯著［14-15］。

本文使用植物膠作為沖洗液配合單動雙管取土器對福建平潭某海岸花崗巖風化土進行取樣，研究植物膠工藝鉆孔取樣技術在花崗巖風化土中的應用效果。既往研究表明，不同的取土器直徑對取樣效果也有較大影響［16］，為了確定較優取樣直徑，取樣時采用了兩種不同直徑的單動雙管取土器。

1 取樣試驗工藝

1.1 試驗場地

取樣試驗場地位于福建省平潭縣某海岸，根據勘察鉆孔顯示，該取樣場地表面覆蓋有第四系全新統海積粉細砂，其下為不同風化程度的花崗巖風化土。地層自上而下分別是粉細砂、花崗巖殘積土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖。取樣完成后，試樣被移至室內繼續進行相關試驗。

植物膠工藝鉆孔取樣使用單動雙管取土器回轉鉆進取樣，植物膠作為沖洗液。

1.2 單動雙管取土器

表1 取土器參數 mm

1.3 植物膠沖洗液

自然界中擁有豐富的植物膠資源，植物膠的主要成分為多糖類物質，大多數屬于天然有機高分子聚合物［17］。本次取樣用的植物膠為KL 植物膠，外觀為淡紅色粉末。KL植物膠在固態時分子鏈呈卷曲狀，當水分子與植物膠相遇后，分子鏈上的OH 基與水分子之間以氫鍵連接，增加了分子之間的接觸力，表現出較強的黏性。

植物膠沖洗液配比及配置方法：容量200 L 的攪拌桶內放入100 L水，然后放入150 g 的氫氧化鈉，使用動力機攪拌1 min，再放入一包25 kg 的膨潤土攪拌3 ～4 min，攪拌均勻后加入8 kg的植物膠再攪拌8 min左右，桶內無明顯顆粒后加入清水繼續攪拌，攪拌桶裝滿后再攪拌均勻即可使用。

2 取樣試驗效果分析

花崗巖風化土強度較高，在工程中常使用厚壁取土器對其進行取樣。由于厚壁取土器的管壁較厚，在取樣時需要大能量將其貫入土層中，強大的沖擊對土樣產生嚴重的機械擾動作用，對土樣的結構狀態產生較大的影響。

單動雙管取土器在取樣時內管不轉動，減少了對土樣的機械擾動作用，保證了土樣的完整性，也降低了取樣過程中對土樣的結構的擾動。植物膠沖洗液在循環時快速附著在土樣表面上，由于植物膠的分子鏈長且柔軟性好，具有較強的吸附能力和彈性，能夠有效避免沖洗液對土樣的直接沖刷，較好地保護土樣的原狀結構，減少了機械破壞作用。此外，植物膠在鉆進時吸附在孔壁和鉆具上，形成一層薄膜，減小了鉆具與孔壁之間的摩擦作用，提高了鉆進過程的平穩度。

為了驗證植物膠作為沖洗液配合單動雙管取土器在花崗巖風化土中取樣的適用性，在同一場地使用內徑相同的厚壁取土器進行取樣。圖1（a）為厚壁取土器取樣效果圖，從圖中可以看到，試樣受取土器擾動影響嚴重，表面凹凸不平，試樣中部在橫向和豎向均存在裂紋，對土樣產生了較大的破壞。圖1（b）為植物膠工藝鉆孔取樣的效果圖，試樣表面覆蓋了一層植物膠沖洗液，試樣完整度高，植物膠工藝鉆孔取樣對花崗巖風化土適用性較好，能有效保護土樣，取樣效果較常規方法大幅提升。此外，厚壁取土器的取樣長度也受到限制，取樣長度過長時試樣在貫入過程中擾動會加大，取土器提起時試樣也易掉落，而植物膠工藝鉆孔取樣長度較長，能同時滿足更多試驗項目的需求。

圖1 不同取樣方法的取樣效果

圖2 ～4 依次為花崗巖殘積土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖不同取樣直徑的取樣效果圖。

圖2 花崗巖殘積土

圖3 全風化花崗巖

圖4 散體狀強風化花崗巖

由圖2 可見，花崗巖殘積土試樣的表面較光整，擾動影響不明顯。由于全風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖風化程度低，仍存在一定的天然結構，擾動對其影響明顯，圖3、4 中的試樣表面存在一定的缺陷。在室內試驗中，通常取試樣中心的土樣作為試驗對象，大直徑試樣能夠對試驗土樣起到較好地保護作用，而小直徑試樣取樣過程易受擾動，試樣物理力學性質指標將受到較大影響。

3 試驗方案及結果分析

植物膠工藝鉆孔取樣過程較復雜，取樣直徑越大成本越高，在滿足工程勘察需求的前提下，應盡量選擇小直徑取樣。為了確定不同取樣直徑對土樣工程性質的影響，本文對不同取樣直徑的花崗巖風化土試樣進行了物理力學性質試驗。

其次，實施應分階段進行，先從一個比較小的目標實施，成功后再逐步擴大范圍。可以先選定一個專業的某個班級啟動適應學生個性化學習需要的混合式教學模式實驗，然后逐步向其他班級或專業擴展，也可以先從所有老師的一次課或幾次課入手，然后再擴展到整門課或所有課程。不管是先從班級啟動，還是先從一次課或幾次課入手，都要提前制定周全的分階段時間進度表，逐步探索前進，當發現計劃與目標偏離太大時，可進行適當調整。

3.1 試驗方案

（1）基本物理性質試驗。對兩種取樣直徑的花崗巖殘積土、全風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖分別測定密度、孔隙比和含水率。

（2）抗剪強度試驗。使用應變控制式直剪儀分別對兩種取樣直徑的花崗巖殘積土、全風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖進行天然快剪試驗，試驗尺寸均為直徑61.8 mm，高20 mm，垂直壓力依次為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.8 mm／min。

為了對比不同取樣方法對抗剪強度的影響，在該場地使用內徑與大直徑植物膠鉆孔相同的厚壁取土器和現場挖槽刻取環刀樣這兩種方法對花崗巖殘積土進行取樣，并采用上述抗剪強度試驗方法對這兩種取樣方法取得的試樣進行試驗。

3.2 基本物理性質試驗結果

不同取樣直徑下花崗巖風化土的基本物理性質如表2 所示。

表2 不同取樣直徑下花崗巖風化土基本物理性質

從表2 中可以發現，小直徑取樣的密度較大，含水率較高，孔隙比較小。原因是大直徑取土器雖然在試樣外圍造成了較大擾動，但是對于試驗所采用的中部土樣影響較小，而小直徑試樣尺寸僅比試驗尺寸稍大，受取土器擾動影響明顯，在內管壓入取樣時存在一定的擠密作用。此外，沖洗液中的水分子在取樣過程中有可能對試樣存在一定的滲透作用，導致試樣的含水率有一定的提高。

3.3 抗剪強度試驗結果

（1）花崗巖殘積土的抗剪強度。從圖5 可以發現，不同垂直壓力下的花崗巖殘積土剪應力與剪切位移關系曲線均呈應變硬化趨勢。小直徑取土器取得的試樣剪應力均小于大直徑取土器取得的試樣，但剪應力隨剪切位移變化的規律相似。由于剪應力沒有峰值，根據《土工試驗規程》規定，應取剪切位移為4 mm時所對應的剪應力為抗剪強度。確定各垂直壓力下的抗剪強度后，采用最小二乘法進行擬合，得到了抗剪強度與垂直壓力關系曲線，如圖5（b）所示，從而得到抗剪強度指標如表3 所示。

圖5 花崗巖殘積土抗剪強度試驗結果

表3 花崗巖殘積土抗剪強度

由表3 可知，在試驗尺寸相同的情況下，取樣直徑對殘積土黏聚力大小影響較大，小直徑取土器所取試樣的黏聚力僅為大直徑取土器所取試樣的68%，而兩者的內摩擦角則相差不大。由此說明，因取土器直徑小而導致的土樣擾動對花崗巖殘積土黏聚力影響較大［18］。在取樣直徑相同的情況下，厚壁取土器取樣對強度指標的影響也較大，黏聚力僅為植物膠工藝鉆孔取樣的75%。現場挖槽取樣試驗成果與大直徑植物膠工藝鉆孔取樣的成果較接近。由此可見，植物膠工藝鉆孔取樣在強度指標的確定上也有較大的優勢。

（2）全風化花崗巖抗剪強度。從圖6 可以明顯發現，大直徑取土器所取試樣與小直徑取土器所取試樣的強度差距明顯比殘積土要大，說明取樣直徑對全風化花崗巖的影響較大。大直徑取土器取得的全風化花崗巖試樣剪應力在試樣剪切初期剪應力提升速度較快，剪應力與位移關系曲線均存在一個峰值，剪應力在達到峰值后強度下降，試樣剪切破壞。其原因是試樣的結構狀態保持較好，天然結構擾動較小的全風化花崗巖強度較高。小直徑取土器取得的試樣在剪切初期剪應力增長速度較緩，剪應力與位移關系曲線呈硬化趨勢，原因是試樣在取樣過程中受到較大擾動導致結構破壞，在剪切過程中試樣先要有一個擠密過程。全風化花崗巖的抗剪強度指標如表4 所示。

圖6 全風化花崗巖抗剪強度試驗結果

表4 全風化花崗巖抗剪強度

從表4 中的數據中可以看出，在試驗尺寸相同的情況下，取樣直徑對全風化花崗巖黏聚力大小影響很大，小直徑取土器取得的試樣黏聚力僅為大直徑取土器所取試樣的58%，內摩擦角大小差距較小。原因是全風化花崗巖自身結構性較強，天然狀態下強度高，受到擾動后顆粒之間的結構容易破壞松動，在試驗成果中表現為黏聚力下降。

（3）散體狀強風化花崗巖抗剪強度。由圖7 可以看出，不同取樣直徑的剪應力與剪切位移曲線差距很大，甚至出現了重疊交叉的現象，說明取樣直徑對散體狀強風化花崗巖的影響很大。剪應力變化規律與全風化花崗巖類似，其原因同樣與試樣的結構狀態擾動程度相關，大直徑取土器取得的試樣對試驗成果影響較小。散體狀強風化花崗巖的抗剪強度指標如表5所示。

圖7 散體狀強風化花崗巖抗剪強度試驗結果

表5 散體狀強風化花崗巖抗剪強度

由表5 可知，在試驗尺寸相同的情況下，取樣直徑對散體狀強風化花崗巖黏聚力大小影響很大，小直徑取土器取得的試樣黏聚力僅為大直徑取土器所取試樣的60%，內摩擦角大小則相差不大。

4 結 論

本文通過現場取樣試驗以及室內相關試驗，得出以下結論：

（1）植物膠沖洗液配合單動雙管取土器取樣對花崗巖風化巖土體適用性強，所取試樣完整性好。

（2）取樣直徑對花崗巖風化巖土體試樣的物理性質指標影響較小，在力學指標上表現出較大差異。

（3）小直徑取樣的花崗巖殘積土黏聚力僅為大直徑取樣的68%，風化程度越低的花崗巖風化土受取樣直徑影響越明顯，全風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖的小直徑取樣所得的黏聚力僅為大直徑取樣的60%左右，而內摩擦角差距較小。

（4）在條件允許的情況下應盡量使用大直徑取土器取樣，以減少對試樣的擾動作用；對于小直徑取樣器所取試樣，試驗所得抗剪強度指標值相對偏小，成果應用偏保守。