鋼釬靜探技術(shù)判別土層類別及黏性土狀態(tài)應(yīng)用研究

劉甫平， 王滬生

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

路線地質(zhì)，常用勘察手段包括螺紋鉆、動(dòng)力觸探、靜力觸探和鉆探等[1]。如何保證勘察準(zhǔn)確性的同時(shí)提高工作效率，是推動(dòng)勘察方法創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)。

鋼釬靜探[2]是利用便攜式靜探設(shè)備，進(jìn)行地層勘探的原位測(cè)試技術(shù)。集成了螺紋鉆和靜力觸探的特點(diǎn)，具有設(shè)備輕，工作效率高、結(jié)果定量化等特點(diǎn)。

本文結(jié)合某公路引入鋼釬靜探進(jìn)行路線地質(zhì)勘探為例，說(shuō)明該技術(shù)能提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率，快速鑒定土層類別。同時(shí)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，分析判別黏性土液性指數(shù)關(guān)系，總結(jié)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。以期為鋼釬靜探技術(shù)在道路勘察中推廣和應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)積累。

1 試驗(yàn)方法

無(wú)為公路項(xiàng)目位于江淮平原區(qū)，地形地貌以平原、河流階地為主。地層主要為黏性土、粉土、砂土等。依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[3]進(jìn)行布孔，并按要求進(jìn)行地質(zhì)勘察。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

鋼釬靜探設(shè)備主要由以下部分組成：①按壓把手；②S型力學(xué)傳感器；③鉆桿夾頭；④探桿；⑤圓錐探頭；⑥數(shù)據(jù)連接線；⑦數(shù)據(jù)采集儀。取樣時(shí)，可采用⑧洛陽(yáng)鏟頭或⑨麻花鉆頭(取樣)，如圖1、如圖2所示。

圖1 裝置示意

圖2 設(shè)備儀器

1.2 操作步驟

鋼釬靜探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟可大致總結(jié)為6步：

步驟1：安裝設(shè)備，將探桿與探頭結(jié)合，S形傳感器與探桿結(jié)合；

步驟2：在探桿上每隔20 cm進(jìn)行標(biāo)記；

步驟3：將探桿垂直地面連續(xù)勻速壓入土層；

步驟4：通過(guò)S形力學(xué)傳感器測(cè)試連續(xù)貫入反力，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并記錄；

步驟5：拔桿潤(rùn)孔，逐級(jí)加桿，重復(fù)步驟2、步驟3、步驟4；

步驟6：測(cè)試結(jié)束，拆卸裝置。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土層鑒定

從探桿壓入土層手感、聲音、與側(cè)壁阻力等方面，對(duì)鋼釬靜探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行規(guī)律研究和總結(jié)，以判別不同物質(zhì)組成特征的土層。主要結(jié)論如下。

(1)黏性土。對(duì)于黏性土的判別，探桿下壓過(guò)程不是很明顯，但在上拔時(shí)“抱桿現(xiàn)象”較為明顯，上拔過(guò)程探桿有明顯的黏著感，還時(shí)不時(shí)發(fā)出脫離黏附后的吱吱響聲，以此判定是否為黏性土(表1)。

表1 黏性土類別鑒定

(2)軟土。對(duì)于軟土的判別，探桿在下壓過(guò)程感覺(jué)不費(fèi)力，有壓碎氣泡聲音。探桿在下壓和上拔過(guò)程均有黏著感，但不明顯。拔出后會(huì)有少量水或泥漿從孔中析出，以此判定是否為軟土。(表2)

表2 軟土類別鑒定

(3)砂土。對(duì)于砂土的判別，探桿壓入土層，會(huì)發(fā)出砂響。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)探桿(注：要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))時(shí)，會(huì)有明顯的砂碾摩擦感，砂粒越粗，砂響會(huì)越大，探桿上拔輕松，移動(dòng)順利，不會(huì)出現(xiàn)黏著感。砂土與不同土層夾雜分布時(shí)，在界面處，探桿下壓時(shí)還有明顯的頓挫感?？山Y(jié)合此類現(xiàn)象判定是否為砂土(表3)。

表3 砂土類別鑒定

(4)粉土。對(duì)于粉土判別，手感介于黏性土與砂土之間，下壓時(shí)也會(huì)出現(xiàn)頓挫感，但聲音不明顯，上拔稍帶黏性。當(dāng)對(duì)土層判別有疑慮時(shí)，可通過(guò)洛陽(yáng)鏟取土上來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。

2.2 黏土塑性狀態(tài)判別

《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》[4]中，對(duì)于黏性土的判別可結(jié)合靜探得比貫入阻力判別塑性狀態(tài)(表4、表5)。如液性指數(shù)為0.5，比貫入阻力在1.2～1.5；液性指數(shù)為0.75，比貫入阻力在0.7～1.5?！渡虾Ｊ泄こ探ㄔO(shè)規(guī)范》[5,6]中靜力觸探技術(shù)規(guī)程中，當(dāng)ps小于1.05 MPa時(shí)，利用經(jīng)驗(yàn)公式IL=1.64-0.67ps進(jìn)行塑性判別。結(jié)合以上，對(duì)鋼釬靜探與靜力觸探孔同一深度處的壓力值T和液性指數(shù)IL進(jìn)行采集，繪制散點(diǎn)圖建立線性關(guān)系，如圖3所示，以此來(lái)分析無(wú)為地區(qū)黏土塑性特征。

表4 黏性土狀態(tài)(用液性指數(shù)IL表示)

表5 黏性土狀態(tài)(用鋼釬壓力值T表示)

圖3 壓力值T和液性指數(shù)IL線性關(guān)系圖

以上數(shù)據(jù)，兩者之間也存在線性關(guān)系，復(fù)雜相關(guān)系數(shù)為0.6171，線性關(guān)系較為密切。由于黏性土的軟硬狀態(tài)與含水率是密切相關(guān)的，上述測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，可以用鋼釬靜探壓力值實(shí)現(xiàn)初判。

3 結(jié)論建議

(1)鋼釬靜探技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯。對(duì)比螺紋鉆、靜力觸探具有設(shè)備輕便，工作效率高(1個(gè)5 m的孔僅需要半小時(shí)完成)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)量化等優(yōu)點(diǎn)。利用鋼釬靜探，可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)土層類別實(shí)現(xiàn)初判。

(2)對(duì)比靜力觸探結(jié)果，鋼釬靜探壓力值與含水率之間有較好線性關(guān)系，利用鋼釬靜探對(duì)項(xiàng)目地區(qū)的黏性土塑性狀態(tài)進(jìn)行劃分是可行的。

(3)考慮到本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，實(shí)際勘察工作中，應(yīng)積累更多操作經(jīng)驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和勘察數(shù)據(jù)，為鋼釬靜探技術(shù)在公路地質(zhì)勘察中的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。