基于扁鏟側脹試驗材料指數的巖土類別研究

劉曉明，黃正花

(中機三勘巖土工程有限公司，湖北 武漢 430030)

傳統深層巖土勘探模式下，一般采用鉆孔巖心試驗室分析法；鉆孔內物探方法包括貫入法、動錐法等。巖心試驗室分析法精度較高，但需要撤出鉆桿，試驗周期較長，鉆孔維護難度較大。貫入法、動錐法的可靠性較低，容易發生巖土類別的誤判。近年來，部分物探現場采用扁鏟側脹法，相關文獻研究表明，扁鏟側脹法在鉆孔內判斷巖土類別的敏感度特異度均遠高于貫入法和動錐法，具有在大面積物探工程中取代或部分取代鉆孔巖心試驗室分析法的實踐意義。

該研究通過現場試驗，對比分析同一鉆孔同一深度下鉆孔巖心試驗室分析法和扁鏟側脹試驗法對巖土類別的分析結果，系統分析通過扁鏟側脹試驗材料指數推斷巖土類別的物探工程方案。

1 試驗方法與原始數據

依據《土工試驗方法標準》(GBT 50123—1999)，在武漢地區厚第4系分布地區布置1 000個測試鉆孔，鉆孔深度300～500 m，扁鏟側脹試驗深度200～500 m，同步使用巖心鉆頭獲取巖土巖心用于試驗室試驗。1 000個測試鉆孔中布置3 500個測試點，用于扁鏟側脹試驗材料指數與巖土類別的數據關聯研究。用于數據參照的貫入試驗與動錐試驗數據直接使用扁鏟探頭的尖端進行輔助試驗數據采集。其中，材料指數為根據《土工試驗方法標準》規定的計算方法按照扁鏟側脹試驗數據獲得的測試結果。試驗系統與試驗原理如圖1所示。

圖1 扁鏟側脹試驗系統與試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat dilatometer test system and experimental principle

由圖1可知，扁鏟側脹實驗的本質，是利用液壓系統驅動扁鏟側脹1.1 mm前后應力傳感器捕捉的與數據獲得材料指數()，從而推斷扁鏟處于土層的巖土類別。該實驗主要在強風化地層或第4系沉積地層中測試巖土類別。

根據上述試驗設計，3 500個測點獲得的數據結果，不同粒徑土壤顆粒含量情況下的材料指數分布情況如圖2所示。

由圖2可知，當土壤顆粒粒徑小于0.002 mm及位于0.002～0.050 mm的情況下，材料指數與土壤顆粒含量的數據關聯關系有較為顯著的差異性。如土壤粒徑小于0.002 mm時，二者關系接近冪次關系；而土壤粒徑位于0.002～0.050 mm時，數據主要分為2段，特別當顆粒含量在20%～80%時，數據聚類為材料指數大于1.5的逆態線性關系和材料指數小于1.5的正態線性關系。從數據聚類關系來看，當顆粒粒徑小于0.002 mm時，數據在顆粒含量小于20%且材料指數大于1.0的投影區域有密度較大的落點聚類；當顆粒粒徑位于0.002～0.050 mm時，數據形成2組聚類，其中一組位于顆粒含量小于20%，材料指數在2.0～3.0的區域；另一組位于顆粒含量在60%～80%，材料指數在1.0～2.0的區域。

圖2 不同粒徑土壤顆粒含量情況下的材料指數(ID)的分布情況原始數據圖Fig.2 Distribution of material index ID under the condition of soil particle content with different particle sizes

2 實驗數據的巖土工程意義

單純從前文圖2數據分析，因為巖土材料中包含多種粒徑的土壤顆粒，且因為數據的相互干擾，難以通過材料指數反推土壤中不同粒徑的顆粒粒徑和顆粒含量。但是巖土成分的含量并不連續，而是形成一定的聚類特征，即根據扁鏟側脹數據的落點位置推斷其聚類從屬關系，從而判斷扁鏟側脹試驗獲得的材料指數數據代表的巖土分類。綜合分析上述試驗數據，該關聯關系如表1所示。

表1 巖土分類標準(依據GBT 50123—1999)Tab.1 Geotechnical classification standard (according to GBT 50123—1999)

由表1可知，使用貫入法、動錐法獲得的巖土力學參數為塑性指數)，使用扁鏟側脹法獲得的巖土力學參數為材料指數。塑性指數的數據分布與材料指數存在顯著差異性，如數據聚類方面當塑性指數聚類在17～27時，材料指數分為2段，分別在0.09～0.37和0.37～0.43。分析上述12種不同巖土成分下塑性指數、材料指數和巖土分類之間的關系，結果如表2所示。

表2 塑性指數、材料指數和巖土分類之間的關系表Tab.2 Relationship between plasticity index IP,material index ID and geotechnical classification

由表2可知，塑性指數、材料指數、巖土分類之間的關系可以歸納為以下規律：扁鏟側脹試驗獲得的材料指數對黏土、粉質黏土、粉土、砂土的數據敏感度較強，其中敏感度最強的巖土分類為黏土，數據分布在0～0.1。而對砂土的敏感度略低，數據分布在1.8～10.0，該數據范圍中，塑性指數的數據存在不同巖土分類的數據交叉，敏感度較弱；圓礫土、卵石土等大直徑顆粒發育較強的巖土分類并不適用扁鏟側脹法測量，其主要原因為扁鏟測量探頭有可能被圓礫、卵石等大粒徑大硬度顆粒損壞，即扁鏟側脹法的適用范圍為顆粒粒徑較小(<2 mm)且硬度較小的土層；武漢地區，以及外擴至漢江一級、二級階地地區，第4系發育厚度較大，土層以淤泥、淤泥質土、黏土、粉質黏土、粉土和砂土為主要成分，前文中適應性較差的圓礫土、卵石土等土層在該地區并不多見，所以該地區第4系及淺層風化層(<500 m)物探中，扁鏟側脹法的推廣價值較大。

3 結語

扁鏟側脹法獲得的材料指數在較軟土層中與土壤顆粒粒徑和不同粒徑土壤顆粒含量之間存在較為復雜的非線性數據關聯，深入分析這種數據關聯，可以根據材料指數推測土壤的巖土分類，分析敏感度與鉆孔巖心實驗室分析法基本一致且具有數據聚類相關性。因為扁鏟側脹法相關測量儀器的安裝過程及施工工藝較為簡單，效率極高，所以使用扁鏟側脹法取代部分鉆孔巖心法，對提升物探效率有促進作用。受制于儀器硬件安全性，扁鏟側脹法在圓礫土、卵石土等有大顆粒成分的土層中并不使用，所以其地域適用范圍較小。該研究選擇的武漢地區，以及外擴至漢江一級、二級階地地區，對扁鏟側脹法的適應度較高。