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基于便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備的軟弱松散地層勘察技術(shù)研究

2020-02-01 01:38
治淮 2020年12期
關(guān)鍵詞:土樣聲波鉆機(jī)

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601)

1 軟弱松散地層工程勘察現(xiàn)狀

我國河流眾多,大江大河、中小河流形成河網(wǎng)縱橫密布,其中“十二五”期間淮河流域及山東半島片中小河流建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目涉及中小河流168 條,合計護(hù)灘清淤長度約1712km,洪澇結(jié)合河道清淤疏浚長度約1522km,堤防加固約3050km,新建堤防約341km,河道堤防及建筑物多位于沖淤積成因的河漫灘、一級階地,主要是近代沉積的軟弱松散地層。

探明淤泥質(zhì)土和松砂等軟弱松散地層的分布、厚度、指標(biāo)參數(shù)等工程地質(zhì)特性是河道整治工程、引調(diào)水工程等水利工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn),然而,目前主要利用傳統(tǒng)鉆機(jī)進(jìn)行此地層的地質(zhì)勘察,利用傳統(tǒng)鉆機(jī)在軟弱松散地層勘察過程中,由于設(shè)備本身制約,缺點(diǎn)明顯,有以下諸多關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決:(1)取流塑狀態(tài)的河湖底泥樣極端困難;(2)軟弱松散地層鉆孔取樣存在縮孔、取樣易受擾動、土樣易脫落的難題,常規(guī)土工試驗(yàn)中部分物理指標(biāo)和全部力學(xué)指標(biāo)擾動后不能用,連續(xù)取樣困難,薄層、軟弱層不易準(zhǔn)確取樣,鑒別、分層困難;(3)傳統(tǒng)鉆機(jī)體積大、笨重、鉆進(jìn)效率較低,對惡劣場地條件適應(yīng)能力差。

2 便攜式聲波鉆機(jī)和聲波鉆進(jìn)技術(shù)原理

中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司通過第十屆國際水利先進(jìn)技術(shù)(產(chǎn)品)推介會推介名錄和水利部“948”項(xiàng)目管理辦公室批復(fù)“便攜式聲波鉆機(jī)引進(jìn)與應(yīng)用”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號201313)專項(xiàng)資金支持,引進(jìn)了加拿大WINKE 公司制造的便攜式聲波鉆機(jī),該鉆機(jī)采用聲波鉆進(jìn)技術(shù),通過高頻震動方式進(jìn)行鉆進(jìn)。

聲波鉆進(jìn)技術(shù)又稱為回轉(zhuǎn)聲波鉆進(jìn)技術(shù)或聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù),它是利用高頻振動力、回轉(zhuǎn)力和壓力,三者結(jié)合在一起使鉆頭切入土層的一種新型鉆探技術(shù)方法,鉆機(jī)高頻振動可使整個鉆具以50~200Hz的頻率振動,這個頻率在人耳能聽到的聲頻范圍(20~20000Hz)內(nèi),而且是一種周期性往復(fù)運(yùn)動,振動能量在鋼管中傳播方式如同聲波在空氣介質(zhì)中傳播,所以又稱聲波鉆進(jìn)。加拿大WINKE 公司便攜式聲波鉆機(jī)最大振動頻率為160HZ,沒有回轉(zhuǎn)力。

聲波振動鉆進(jìn)松散軟弱地層的機(jī)理主要為剪切鉆進(jìn)、位移鉆進(jìn)和液化鉆進(jìn)三種方式,聲頻振動方式鉆進(jìn)飽和土層時,通過鉆頭切刃,使刃口土體產(chǎn)生彈塑性變形,直至剪切破壞,使鉆頭切入土層內(nèi)部,同時壓縮鉆頭下部土層,將鉆頭刃口處飽和或近飽和土體中含有的水分部分?jǐn)D出,土體被壓密,形成超孔隙水壓力,當(dāng)它超過密實(shí)土層的重量時,密實(shí)土層下深度的土層液化,喪失了剪切強(qiáng)度。鉆具在激振力和自重的雙重作用下穿透很薄的超孔隙水壓力層,到達(dá)液化土層的底部,呈流態(tài)的液化土體在鉆桿重力擠壓作用下沿著鉆桿上升,形成的流體物質(zhì)降低了鉆桿和土體之間的摩擦力,有利于鉆進(jìn),受力模型見圖1、圖2,鉆具通過位移的方式前進(jìn),進(jìn)入下一個循環(huán)。

3 便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備研發(fā)

引進(jìn)加拿大的便捷聲波鉆機(jī)在國外主要應(yīng)用于環(huán)境調(diào)查、探礦工程等領(lǐng)域,對松軟的土壤、砂層鉆進(jìn)具有取流塑狀態(tài)土樣方便、不縮孔、取樣連續(xù)完整、鉆進(jìn)速度快、搬運(yùn)安裝便捷、場地適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),樣品便于礦物和化學(xué)成分分析、顆粒分析、液塑限等試驗(yàn),便于地層詳細(xì)劃分,應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),設(shè)備取樣方式采用金屬管內(nèi)套硬質(zhì)塑料管取樣,取出硬質(zhì)塑料管樣品后,土樣需要通過將塑料管分段截取或用設(shè)備將樣品從塑料管中擠出,容易對土樣造成二次擾動,由于在取樣過程中對土樣產(chǎn)生輕微變形擾動,影響土樣含水率、干密度等部分物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo),在水利、巖土工程勘察領(lǐng)域難以推廣應(yīng)用,國外也未見相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的資料,為了提高取樣質(zhì)量,取樣滿足力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)質(zhì)量要求,拓展應(yīng)用范圍,對取樣裝置改造創(chuàng)新,研發(fā)了半合管取樣系統(tǒng)裝置(包括直徑略小于鉆柱的鋼質(zhì)半合管,管狀塑料帶,固定塑料帶與半合管兩端的鋼束節(jié),內(nèi)管調(diào)節(jié)器,手搖推進(jìn)器等),提出了該設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化操作使用程序和方法,可任意截取土樣,以降低鉆探取樣過程中對土樣的二次擾動。

4 勘察取樣效果對比驗(yàn)證

便攜式聲波鉆機(jī)配合半合管取樣系統(tǒng)裝置組成便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備,為了驗(yàn)證該設(shè)備所取土樣質(zhì)量能否滿足土樣水利、巖土工程勘察土工試驗(yàn)質(zhì)量要求,需要通過勘察取樣效果對比驗(yàn)證。在引江濟(jì)淮工程西淝河下段輸水線路工程中,通過對疏浚河道第②層淤泥質(zhì)輕粉質(zhì)壤土土樣含水率、干密度、壓縮系數(shù)、壓縮模量和直剪粘聚力、內(nèi)摩擦角對比,結(jié)果表明物理試驗(yàn)指標(biāo)、壓縮試驗(yàn)指標(biāo)兩種方法所取土樣的試驗(yàn)指標(biāo)相差較小,兩種方法取樣的試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值基本重疊,說明取樣方法對上述指標(biāo)沒有影響,或者說擾動程度一樣。干密度、壓縮模量指標(biāo)室內(nèi)試驗(yàn)成果對比見圖3、圖4,直剪粘聚力、內(nèi)摩擦角等剪切試驗(yàn)指標(biāo)影響略大,大部分重疊性較好,僅在埋深2.5m 深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。

為了檢驗(yàn)2 組土樣對比試驗(yàn)的含水率、干密度和壓縮系數(shù)、壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)的結(jié)果總體均值是否相等,采用統(tǒng)計學(xué)中均值之差U檢驗(yàn)法進(jìn)行土樣物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值總體分布狀態(tài)對比分析,設(shè)置信水平α=0.05,得知Uα/2=1.96,即在保證率為95%,兩種土樣相關(guān)程度系數(shù)小于1.96,說明土樣試驗(yàn)成果一致性很好。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖1 激振力 F作用示意圖

圖2 振動液化鉆進(jìn)示意圖

圖3 B2 與B5 干密度對比圖

圖4 B2 與B5 壓縮模量對比圖

統(tǒng)計結(jié)果表明,除內(nèi)摩擦角外,其他各試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.057~1.468,均小于1.96,故傳統(tǒng)鉆機(jī)取樣和便攜式聲波鉆機(jī)取樣的土樣土工試驗(yàn)所得結(jié)果是基本相等的。含水率、干密度的相對偏差小于3%,試驗(yàn)結(jié)果符合性好,壓縮系數(shù)、壓縮模量相對偏差小于8%,試驗(yàn)結(jié)果符合性較好,內(nèi)摩擦角相對偏差較大,相關(guān)程度系數(shù)為4.059 左右,雖然內(nèi)摩擦角參數(shù)本身有一定的離散性,若剔除不合理指標(biāo),二者的相似程度會提高,作為軟土層傳統(tǒng)鉆機(jī)取樣保證率低,便攜式鉆機(jī)可以作為補(bǔ)充取樣手段,結(jié)合軟土原位試驗(yàn),力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)經(jīng)過修正后有一定的參考價值。

5 勘察取樣方法對比分析

影響土樣質(zhì)量的因素很多,取土器的結(jié)構(gòu)及操作過程對土樣質(zhì)量影響較大。工程機(jī)械鉆機(jī)采用巖芯管鉆進(jìn)或螺旋鉆進(jìn),對于軟土和松散砂采用錘擊法或靜壓法使用薄壁取土器取樣,薄壁取土器主要有四種:敞口式、固定活塞式、自由活塞式和水壓式,應(yīng)用較廣的是敞口式、活塞式薄壁取土器。敞口式薄壁取土器通過取樣頭球閥屏氣,形成負(fù)壓,通過土樣和管壁摩阻力,將土樣取出,錘擊過程中對軟弱松散地層存在擾動,閉氣拉斷土樣可能輕微拉長變形,擾動底部土樣。便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備所取土樣長度大,連續(xù)完整,鉆進(jìn)和取樣同時進(jìn)行,取樣效率高,但鉆進(jìn)后近管壁周邊土樣可能液化,對土樣四周可能擾動。

表1 土樣物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值總體分布狀態(tài)對比分析表

表2 勘察取樣方法對比分析表

不同勘察取樣方法對比分析見表2,結(jié)果表明各種方法取土均存在輕微擾動,但能滿足試驗(yàn)質(zhì)量精度要求。

6 技術(shù)應(yīng)用社會效益

在對國外設(shè)備應(yīng)用研發(fā)基礎(chǔ)上,組成便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備,通過取樣試驗(yàn)成果對比分析等方面應(yīng)用研究,提出了該設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化操作使用程序和方法,形成基于便攜式聲波鉆機(jī)成套設(shè)備的軟弱松散地層勘察技術(shù),該技術(shù)獲得4 項(xiàng)實(shí)用新型專利和2017年度淮河水利委員會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

使用該技術(shù),鉆探和取樣可以同步完成,采取流塑、軟塑、可塑土樣連續(xù)完整,樣品可以任意截取,樣品質(zhì)量較高,解決了河、湖、海岸等環(huán)境地質(zhì)勘察檢測分層取樣技術(shù)難題;不僅可在環(huán)境調(diào)查、探礦工程等工程領(lǐng)域使用,也可在水利、巖土工程勘察中廣泛使用,解決了工程勘察中軟弱松散層和夾層、薄層取樣難,易擾動的技術(shù)難題,適合在軟弱松散層工程勘察中應(yīng)用推廣;場地適應(yīng)能力強(qiáng),解決了多移動淺孔類孔鉆探效率低成本高和場地適應(yīng)能力差的難題,在堤防堵口加固工程、河道疏浚工程、湖泊海岸地區(qū)清淤工程、尾礦庫區(qū)治理工程等如沼澤的環(huán)境惡劣場地中使用;鉆進(jìn)速度快,可在輻射等特殊環(huán)境地區(qū)快速取樣。

目前該技術(shù)成功已應(yīng)用于淮河干流王家壩至臨淮崗段行洪區(qū)調(diào)整及河道整治工程、鳳陽縣石英砂生產(chǎn)區(qū)水系綜合治理工程、洪澤湖溧河洼綜合治理工程等地質(zhì)勘察,取得試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)已為設(shè)計應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)社會效益顯著,彌補(bǔ)了我國目前地質(zhì)勘察設(shè)備不足,提升了我國工程地質(zhì)勘察設(shè)備研發(fā)與制造水平■

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