（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 前言

淮河流域現(xiàn)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(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）堤防線路長，跨越地貌單元多，堤基土層及土工參數(shù)變異性大；（2）堤防填筑土料成分復(fù)雜、施工方法多樣，堤身填筑密實(shí)度、防滲性能變異性較大。目前，堤基、堤身土的物理力學(xué)參數(shù)主要通過現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣、室內(nèi)試驗(yàn)等手段獲得相關(guān)參數(shù)，即同一地點(diǎn)土樣既需要現(xiàn)場(chǎng)勘探、又需要室內(nèi)試驗(yàn)，才能為堤防工程定量評(píng)價(jià)、工程設(shè)計(jì)和施工計(jì)算提供所需參數(shù)；勘察工作周期較長、成本高，取樣和試驗(yàn)精度影響因素多。

原位測(cè)試是在土體未經(jīng)擾動(dòng)條件下測(cè)定巖土體的各種參數(shù)，所得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比勘探－取樣－室內(nèi)試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，更符合巖土體的實(shí)際情況。為了能夠快速獲得堤防工程地質(zhì)資料，降低成本、縮短勘察周期，結(jié)合國家科技支撐計(jì)劃“堤防工程安全評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究”，中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司引進(jìn)日本SRE 株式會(huì)社的RI 型貫入式設(shè)備，在我國首次開展RI 型貫入式系統(tǒng)多參數(shù)堤防勘察技術(shù)應(yīng)用研究，取得了良好的效果，該項(xiàng)研究獲得水利部“948”項(xiàng)目計(jì)劃支持，研究成果應(yīng)用于治淮工程勘察實(shí)踐，并獲得淮河水利委員會(huì)2013年科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)。

2 技術(shù)特點(diǎn)

RI 型貫入式設(shè)備在傳統(tǒng)的靜力觸探儀上基礎(chǔ)上增加了含水率計(jì)和密度計(jì)，密度測(cè)量使用γ（137Cs）射線，含水率測(cè)量采用中子（252Cf）射線，將含水率測(cè)量、密度測(cè)量、強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)量三合一；含水率計(jì)和密度計(jì)探頭主要由前置放大器、計(jì)數(shù)管或閃爍計(jì)數(shù)器、鉛屏及放射源組成，根據(jù)計(jì)數(shù)率（脈沖總數(shù)/計(jì)數(shù)時(shí)間n/min）等參數(shù)通過數(shù)據(jù)處理求出土的各項(xiàng)指標(biāo)。在保證輻射劑量對(duì)人體絕對(duì)安全的前提下，通過發(fā)射γ射線和中子射線，實(shí)現(xiàn)錐尖阻力（qc）、側(cè)壁摩阻力（fs）、孔隙水壓力（u）、水分、密度等五個(gè)參數(shù)的同步測(cè)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(shù)，能夠有效地提高地基分層的精度。

2.1 密度（濕密度）檢測(cè)原理

伽瑪（γ）射線是一種波長很短的由原子核產(chǎn)生的電磁輻射，γ 射線與物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)生成等三種過程；土對(duì)γ 射線產(chǎn)生吸收作用而減弱其能量，同時(shí)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(yīng)的結(jié)果；經(jīng)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(yīng)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(yōu)勢(shì)；在密度大的土中，以光電吸收為主，測(cè)試儀器探頭的計(jì)數(shù)率隨密度的增加而減少。

2.2 含水率檢測(cè)原理

同位素中子源發(fā)射出來的快中子與周圍物質(zhì)中各種原子核發(fā)生碰撞時(shí)，每次碰撞損失部分能量，速度降低，經(jīng)多次碰撞變成慢中子。水是富含氫的物質(zhì)，中子測(cè)水實(shí)質(zhì)上就是中子測(cè)氫；快中子在土中通過慢化和擴(kuò)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(zhì)制成的慢中子探頭，測(cè)定慢化后的中子強(qiáng)度來確定含水率的高低。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時(shí)首先進(jìn)行貫入深度（桿長）修正，處理異常值、進(jìn)行RI/BG 記錄的背景值修正（減去環(huán)境輻射值），然后進(jìn)行各類試驗(yàn)成果的計(jì)算和繪制最終測(cè)試剖面。

初始測(cè)試數(shù)據(jù)成果有：測(cè)試深度ds（m）、錐尖阻力qt（MPa）、側(cè)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(jì)數(shù)A（cps）、環(huán)境背景輻射計(jì)數(shù)BG（cps）、γ（137Cs）放射源強(qiáng)度計(jì)數(shù)A0（cpm）、水分輻射（慢中子）計(jì)數(shù)B（cps）、中子（252Cf）射線源強(qiáng)度計(jì)數(shù)B0（cpm）等。

可通過下式計(jì)算出測(cè)點(diǎn)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(shí)，可以由濕密度計(jì)算出干密度ρd（g/cm3）公式如下：

儀器測(cè)試得到的是等效（總）含水率ρ0，其中包含結(jié)合水，而地質(zhì)資料中要求的含水率是排除強(qiáng)結(jié)合水后的含水率。計(jì)算土體含水率時(shí)采用水分修正系數(shù)排除結(jié)合水的影響；水分修正系數(shù)（α）又稱含水比，按下式計(jì)算：

根據(jù)儀器測(cè)試數(shù)據(jù)，在不同類型飽和土中，通過計(jì)算，可以得到相應(yīng)的α 值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、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(dǎo)而得：

非飽和土的含水率通過水分（含水率）計(jì)數(shù)計(jì)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(shù)（α）和干密度算出。

測(cè)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(jù)試驗(yàn)曲線（qc、fs、u、Rf）或鉆探資料劃分地層與土質(zhì)類別，根據(jù)土類，選擇分層水分修正系數(shù)（含水比）α，從而計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的干密度、含水率、飽和度和孔隙比。

3 試驗(yàn)結(jié)果比較分析

3.1 方邱湖試驗(yàn)段

方邱湖試驗(yàn)段位于淮河右岸，填筑土料以輕粉質(zhì)壤土、粉土為主，設(shè)計(jì)擬進(jìn)行加固處理；在現(xiàn)場(chǎng)布置RI 測(cè)試孔和相應(yīng)鉆探取樣孔，按0.5m 間距采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，RI 型貫入儀測(cè)試數(shù)據(jù)間隔為每0.1m 一組；據(jù)鉆探和靜力觸探結(jié)果劃分地層，兩種方法測(cè)出的土層濕密度、含水率相對(duì)偏差一般小于5%，試驗(yàn)結(jié)果符合性較好，見表1。

表1 各土層物理性指標(biāo)計(jì)算成果表

表2 各填土分組、分區(qū)干密度測(cè)試值總體分布狀態(tài)分析結(jié)果表

用RI 型貫入設(shè)備測(cè)得的土層濕密度、含水率數(shù)值及據(jù)此計(jì)算的干密度、孔隙比、飽和度值與鉆孔取樣測(cè)得數(shù)值平均值基本相近，含水率、干密度測(cè)定值稍大于通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)得到的土層干密度值，說明取樣及運(yùn)輸、試驗(yàn)過程有可能導(dǎo)致失水，影響試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性；與常規(guī)勘探每隔一定間距取樣試驗(yàn)相比，通過RI 試驗(yàn)可自上而下連續(xù)取得土層測(cè)試數(shù)據(jù)，能夠詳細(xì)反映沿孔深的土層物理力學(xué)性質(zhì)變化情況，提高勘察工作精度。

表3 總體均值的假設(shè)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表

3.2 淮北大堤試驗(yàn)段

淮北大堤小蚌埠排澇站出水涵管建好后，需按一級(jí)堤防設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填，填筑高度約15m，施工過程中，在涵管兩側(cè)布置了填筑干密度和含水率分層試驗(yàn)工作；施工完成后，在涵管兩側(cè)采樣試驗(yàn)位置附近進(jìn)行RI 對(duì)比測(cè)試，兩種方法測(cè)試結(jié)果（總體平均值）相近。通過RI 方法測(cè)出的濕密度、干密度稍低于人工取樣試驗(yàn)值，含水率、孔隙比和飽和度大于人工取樣試驗(yàn)值。為分析兩種測(cè)試數(shù)據(jù)的符合性，采用矩法（動(dòng)差法）對(duì)填土測(cè)試數(shù)據(jù)總體分布狀態(tài)分析結(jié)果見表2。

設(shè)置信水平α=0.05，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表，得uα/2=1.96，從表2可知，除第一區(qū)第二組外，其他各區(qū)組u1、u2均小于1.96，故認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)總體服從正態(tài)分布。

為檢驗(yàn)RI 貫入儀測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣再室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)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(tài)樣本的均值，σ12、n1、σ22、n2分別 為 對(duì)比樣本的均方差和組數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表3。

設(shè)置信水平α=0.05，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表，得uα/2=1.96，從表3可知，除第一區(qū)第二組外，其他各區(qū)組u1、u2均小于1.96，故認(rèn)用為RI 貫入儀測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣再室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果總體均值是相等的。

4 應(yīng)用實(shí)踐

（1）根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)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(yīng)用RI 型貫入式系統(tǒng)多參數(shù)勘察技術(shù)，能夠快速獲得堤防及堤基地質(zhì)剖面、地層含水率分布圖、不同位置的土體密度、錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力及消散速度等參數(shù)，并可通過數(shù)據(jù)處理獲得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

（2）目前常用的堤防填土的干密度檢測(cè)方法主要通過灌砂法、環(huán)刀法取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)后，求得土樣含水率并計(jì)算出填土干密度，根據(jù)填土測(cè)試干密度值與設(shè)計(jì)干密度的對(duì)比，判斷堤身土填筑質(zhì)量，上述方法存在所需測(cè)試過程多、時(shí)間較長、測(cè)試點(diǎn)間距較大等問題。應(yīng)用RI 貫入設(shè)備可快速、連續(xù)測(cè)出不同部位的干密度指標(biāo)。

（3）RI 型貫入式系統(tǒng)多參數(shù)堤防勘察技術(shù)為中水淮河公司第一次申請(qǐng)完成的水利部“948”項(xiàng)目，通過引進(jìn)和應(yīng)用研究，提出了各類土層水分修正系數(shù)值，形成了一套完整的RI 貫入設(shè)備的勘察試驗(yàn)方法。與國內(nèi)現(xiàn)有勘察設(shè)備相比，RI 型備具有測(cè)試快速、可獲得參數(shù)多等優(yōu)勢(shì)；避免了取樣、運(yùn)輸和制樣試驗(yàn)過程中對(duì)樣品的擾動(dòng)，縮短了勘察周期，提高了勘察精度。應(yīng)用RI 型貫入式系統(tǒng)多參數(shù)堤防勘察技術(shù)對(duì)提高我國堤壩地質(zhì)勘察與安全評(píng)價(jià)的整體技術(shù)水平具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景■