基于便攜式聲波鉆機成套設備的軟弱松散地層勘察技術研究

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 軟弱松散地層工程勘察現狀

我國河流眾多，大江大河、中小河流形成河網縱橫密布，其中“十二五”期間淮河流域及山東半島片中小河流建設規劃項目涉及中小河流168 條，合計護灘清淤長度約1712km，洪澇結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。

探明淤泥質土和松砂等軟弱松散地層的分布、厚度、指標參數等工程地質特性是河道整治工程、引調水工程等水利工程地質勘察的重點，然而，目前主要利用傳統鉆機進行此地層的地質勘察，利用傳統鉆機在軟弱松散地層勘察過程中，由于設備本身制約，缺點明顯，有以下諸多關鍵技術難題需要解決：（1）取流塑狀態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，常規土工試驗中部分物理指標和全部力學指標擾動后不能用，連續取樣困難，薄層、軟弱層不易準確取樣，鑒別、分層困難；（3）傳統鉆機體積大、笨重、鉆進效率較低，對惡劣場地條件適應能力差。

2 便攜式聲波鉆機和聲波鉆進技術原理

中水淮河規劃設計研究有限公司通過第十屆國際水利先進技術（產品）推介會推介名錄和水利部“948”項目管理辦公室批復“便攜式聲波鉆機引進與應用”項目（項目編號201313）專項資金支持，引進了加拿大WINKE 公司制造的便攜式聲波鉆機，該鉆機采用聲波鉆進技術，通過高頻震動方式進行鉆進。

聲波鉆進技術又稱為回轉聲波鉆進技術或聲頻振動鉆進技術，它是利用高頻振動力、回轉力和壓力，三者結合在一起使鉆頭切入土層的一種新型鉆探技術方法，鉆機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，而且是一種周期性往復運動，振動能量在鋼管中傳播方式如同聲波在空氣介質中傳播，所以又稱聲波鉆進。加拿大WINKE 公司便攜式聲波鉆機最大振動頻率為160HZ，沒有回轉力。

聲波振動鉆進松散軟弱地層的機理主要為剪切鉆進、位移鉆進和液化鉆進三種方式，聲頻振動方式鉆進飽和土層時，通過鉆頭切刃，使刃口土體產生彈塑性變形，直至剪切破壞，使鉆頭切入土層內部，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擠出，土體被壓密，形成超孔隙水壓力，當它超過密實土層的重量時，密實土層下深度的土層液化，喪失了剪切強度。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，到達液化土層的底部，呈流態的液化土體在鉆桿重力擠壓作用下沿著鉆桿上升，形成的流體物質降低了鉆桿和土體之間的摩擦力，有利于鉆進，受力模型見圖1、圖2，鉆具通過位移的方式前進，進入下一個循環。

3 便攜式聲波鉆機成套設備研發

引進加拿大的便捷聲波鉆機在國外主要應用于環境調查、探礦工程等領域，對松軟的土壤、砂層鉆進具有取流塑狀態土樣方便、不縮孔、取樣連續完整、鉆進速度快、搬運安裝便捷、場地適應能力強等特點，樣品便于礦物和化學成分分析、顆粒分析、液塑限等試驗，便于地層詳細劃分，應用過程中發現，設備取樣方式采用金屬管內套硬質塑料管取樣，取出硬質塑料管樣品后，土樣需要通過將塑料管分段截取或用設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生輕微變形擾動，影響土樣含水率、干密度等部分物理指標和力學指標，在水利、巖土工程勘察領域難以推廣應用，國外也未見相關領域應用的資料，為了提高取樣質量，取樣滿足力學指標試驗質量要求，拓展應用范圍，對取樣裝置改造創新，研發了半合管取樣系統裝置（包括直徑略小于鉆柱的鋼質半合管，管狀塑料帶，固定塑料帶與半合管兩端的鋼束節，內管調節器，手搖推進器等），提出了該設備標準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證

便攜式聲波鉆機配合半合管取樣系統裝置組成便攜式聲波鉆機成套設備，為了驗證該設備所取土樣質量能否滿足土樣水利、巖土工程勘察土工試驗質量要求，需要通過勘察取樣效果對比驗證。在引江濟淮工程西淝河下段輸水線路工程中，通過對疏浚河道第②層淤泥質輕粉質壤土土樣含水率、干密度、壓縮系數、壓縮模量和直剪粘聚力、內摩擦角對比，結果表明物理試驗指標、壓縮試驗指標兩種方法所取土樣的試驗指標相差較小，兩種方法取樣的試驗指標數值基本重疊，說明取樣方法對上述指標沒有影響，或者說擾動程度一樣。干密度、壓縮模量指標室內試驗成果對比見圖3、圖4，直剪粘聚力、內摩擦角等剪切試驗指標影響略大，大部分重疊性較好，僅在埋深2.5m 深度的試驗數據差異較大。

為了檢驗2 組土樣對比試驗的含水率、干密度和壓縮系數、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等參數的結果總體均值是否相等，采用統計學中均值之差U檢驗法進行土樣物理力學參數試驗值總體分布狀態對比分析，設置信水平α=0.05，得知Uα/2=1.96，即在保證率為95%，兩種土樣相關程度系數小于1.96，說明土樣試驗成果一致性很好。統計結果見表1。

圖1 激振力 F作用示意圖

圖2 振動液化鉆進示意圖

圖3 B2 與B5 干密度對比圖

圖4 B2 與B5 壓縮模量對比圖

統計結果表明，除內摩擦角外，其他各試驗參數相關系數為0.057～1.468，均小于1.96，故傳統鉆機取樣和便攜式聲波鉆機取樣的土樣土工試驗所得結果是基本相等的。含水率、干密度的相對偏差小于3%，試驗結果符合性好，壓縮系數、壓縮模量相對偏差小于8%，試驗結果符合性較好，內摩擦角相對偏差較大，相關程度系數為4.059 左右，雖然內摩擦角參數本身有一定的離散性，若剔除不合理指標，二者的相似程度會提高，作為軟土層傳統鉆機取樣保證率低，便攜式鉆機可以作為補充取樣手段，結合軟土原位試驗，力學試驗指標經過修正后有一定的參考價值。

5 勘察取樣方法對比分析

影響土樣質量的因素很多，取土器的結構及操作過程對土樣質量影響較大。工程機械鉆機采用巖芯管鉆進或螺旋鉆進，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。便攜式聲波鉆機成套設備所取土樣長度大，連續完整，鉆進和取樣同時進行，取樣效率高，但鉆進后近管壁周邊土樣可能液化，對土樣四周可能擾動。

表1 土樣物理力學參數試驗值總體分布狀態對比分析表

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，結果表明各種方法取土均存在輕微擾動，但能滿足試驗質量精度要求。

6 技術應用社會效益

在對國外設備應用研發基礎上，組成便攜式聲波鉆機成套設備，通過取樣試驗成果對比分析等方面應用研究，提出了該設備標準化操作使用程序和方法，形成基于便攜式聲波鉆機成套設備的軟弱松散地層勘察技術，該技術獲得4 項實用新型專利和2017年度淮河水利委員會科學技術獎一等獎。

使用該技術，鉆探和取樣可以同步完成，采取流塑、軟塑、可塑土樣連續完整，樣品可以任意截取，樣品質量較高，解決了河、湖、海岸等環境地質勘察檢測分層取樣技術難題；不僅可在環境調查、探礦工程等工程領域使用，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，易擾動的技術難題，適合在軟弱松散層工程勘察中應用推廣；場地適應能力強，解決了多移動淺孔類孔鉆探效率低成本高和場地適應能力差的難題，在堤防堵口加固工程、河道疏浚工程、湖泊海岸地區清淤工程、尾礦庫區治理工程等如沼澤的環境惡劣場地中使用；鉆進速度快，可在輻射等特殊環境地區快速取樣。

目前該技術成功已應用于淮河干流王家壩至臨淮崗段行洪區調整及河道整治工程、鳳陽縣石英砂生產區水系綜合治理工程、洪澤湖溧河洼綜合治理工程等地質勘察，取得試驗技術參數已為設計應用，經濟社會效益顯著，彌補了我國目前地質勘察設備不足，提升了我國工程地質勘察設備研發與制造水平■