摘要
本文分析了原状土样获取的技术标准现状和行业现状,研究了钻进方式、取样工具选取的适宜性综合分析、土样的封装及运输。对比试验研究表明,在武汉长江I级阶地粘土层段采用锤击钻进配合使用敞口薄壁取土器,在砂土层采用锤击和回转组合钻进配合使用内置环刀取土器,辅以胶盖自封和胶带密封,取得的原状样品在现场质量评测、室内样品制备性和试验性方面均有比较良好的表现,基于此套方法获取的原状样原始结构受扰动较小,土的原始结构力保持良好。
第四系松散覆盖层原状土样品的获取是工程地质勘察以及岩土工程科研领域保障成果质量的关键环节。除原位测试外,基于原状土样的室内土工试验结果是指导工程设计、施工和准确了解岩土层性质及其变化规律的核心参数。土的各项物理及力学指标的可靠性,首先取决于土样的质量,取得最接近天然结构的原状土样十分关键,因此,其钻进方法、取土方法、取土器的选用、土样保存及运输等需要结合规程规范和地区工程实践经验归纳总结研究。
关于原状土样获取的研究较少,自2009年岩土工程勘察规范最新修订版实施以来,在中国知网通过篇名检索仅能获取到20几篇与原状土样获取相关的中文文献,即使从1950年代至今,总的文献量也不多,表明此方面的研究较为缺乏。
现行与原状土样获取相关的技术标准有2009年修订实施的国标《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001(2009)),行标《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJ/T 87—2012),以及JG/T 548至JG/T 557的10项关于取土器的建筑工程类推荐标准(见
标准名称 | 标准号 | 实施日期 |
---|---|---|
岩土工程勘察规范 | GB 50021—2001(2009) | 2009-05-19 |
建筑工程地质勘探与取样技术规程 | JGJ/T 87—2012 | 2012-05-01 |
厚壁取土器 | JG/T 548—2018 | 2018-12-01 |
敞口薄壁取土器 | JG/T 549—2018 | 2018-11-01 |
自由活塞薄壁取土器 | JG/T 550—2018 | 2018-12-01 |
固定活塞薄壁取土器 | JG/T 551—2018 | 2018-11-01 |
水压固定活塞取土器 | JG/T 552—2018 | 2018-12-01 |
束节式取土器 | JG/T 553—2018 | 2018-12-01 |
黄土取土器 | JG/T 554—2018 | 2018-12-01 |
三重管单动回转取土器 | JG/T 555—2018 | 2018-12-01 |
三重管双动回转取土器 | JG/T 556—2018 | 2018-12-01 |
内置环刀取土器 | JG/T 557—2018 | 2018-12-01 |
经走访调查、市场分析和文献总结,实际工程中原状样获取的状况并不理想,主要体现在以下3点:(1)根据现有理论和技术标准,取样过程中土的应力状态、土的结构和含水量等客观变化引起的原状土的扰动是不可避免的,土试样级别的划分也具有较强的经验性质和地区差别,因此对“原状样”的定义目前仅能用近似形容,需要结合不同的试验目的因地制宜地确定原状样的采取方法;(2)工程勘察行业竞争激烈,采样队伍的机械设备和技术水平参差不齐,常发生为了赶工期和降成本,简化取样工序和器具,直接把从岩心管内土心割取的土样装进样筒作为原状样送土工实验室,达不到土试样原定的质量等级;(3)在一些环境敏感的重点工程建设项目和岩土工程科研项目中,由于委托取样单位和钻探施工单位沟通不足,对现场作业人员交底不充分,经费投入有限等原因,导致原定的高标准取样方案无法精确实施,最终也达不成原有的取样目标。
土样均取自位于武汉长江I级阶地冲积相I3工程地质亚区的某基坑工程项目场地,距离长江北岸线3.0 km。
该场地前期已开展了岩土工程勘察,为此次研究提供了基础。于紧贴场地红线原30号勘察钻孔东北侧约7 m处,地表原始状态较好的位置确定了试验研究钻孔的位置。在40 m孔深范围内(为本基坑最大挖深3倍左右),原勘察钻孔共揭露了1层杂填土、3层粉质粘土(其中③层粉质粘土后经试验判定为粉土)和3层砂土,其中,①层杂填土为杂色,主要为建筑垃圾、碎石、砖块夹粘性土组成,结构松散,土质不均,硬物质含量约30%,堆积年限<3年;③层粉质粘土为褐灰—褐黄色,软—可塑,含氧化铁、铁锰质,切面光滑,干强度一般,韧性一般;④层粉质粘土为褐灰—褐黄色,可塑,含氧化铁、铁锰质,干强度一般,韧性一般,局部夹有薄层粉土;⑤1层粉砂为青灰色,稍密—中密,含云母片、长石,局部夹有薄层粉质砂土、粉土;⑤2层细砂为青灰色,中密,含云母片、长石,砂质较纯;⑤3层细砂为青灰色,中密—密实,含云母片、石英、长石,砂质较纯,偶见腐木,局部地段底部夹少量粗砂、砾石,含量较少,约3%~5%,偶见砾卵石,如

图1 参照钻孔(编号30)揭露地层情况
Fig.1 Lithological conditions drilled by referrence hole (No. 30)
国标规范和技术规程对7种取样钻进方法的适宜性进行了规定,但技术规程关于冲击钻探、锤击钻探和振动钻探的规定和国标稍有不同,此处以国标规范为准进行讨论。根据前文所述,本次取样地层有粘土层、砂土层和可能夹有的粉土层,要求采取不扰动试样。将这4项要求与国标规范规定的钻探范围适用表叠加形成
钻探方法 | 钻进地层 | 勘察要求 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
粘性土 | 粉土 | 砂土 | 碎石土 | 岩石 | 直观鉴别、采取不扰动试样 | 直观鉴别、采取扰动试样 | ||
回转 | 螺旋钻探 | ++ | + | + | - | - | ++ | ++ |
无岩心钻探 | ++ | ++ | ++ | + | ++ | - | - | |
岩心钻探 | ++ | ++ | ++ | + | ++ | ++ | ++ | |
冲击 | 冲击钻探 | - | + | ++ | ++ | - | - | - |
锤击钻探 | ++ | ++ | ++ | + | - | ++ | ++ | |
振动钻探 | ++ | ++ | ++ | + | - | + | ++ | |
冲洗钻探 | + | ++ | ++ | - | - | - | - |
注: -表示此种方法不适用,++表示此种方法适用,+表示此种方法部分适用。
张水云
具体到本次实践研究,综合上述前人经验和
在钻孔质量控制方面,孔口以下设置了4 m长套管,防止缩孔坍塌,辅以泥浆护壁和钻孔冲洗,孔径130 mm,满足取土器下放要求的最小孔径,孔深40.2 m。采用XY-1A-4型钻机钻进,

图2 钻孔取样现场作业情况
Fig.2 On‑site sampling operation
主要涉及软-可塑粘性土、可塑粘性土、粉砂、细砂及可能夹有的粉土的取土器及取样方法的选取。将取样要求与技术规程规定的取样工具适宜性叠加形成
土试样 质量等 级 | 取样工具 | 适用土类 | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
粘性土 | 粉土 | 砂 土 | 砾砂、碎石土、软岩 | ||||||||||
流塑 | 软塑 | 可塑 | 硬塑 | 坚硬 | 粉砂 | 细砂 | 中砂 | 粗砂 | |||||
Ⅰ | 薄壁取土器 | 固定活塞 | ++ | ++ | + | - | - | + | + | - | - | - | - |
水压固定活塞 | ++ | ++ | + | - | - | + | + | - | - | - | - | ||
自由活塞 | - | + | ++ | - | - | + | + | - | - | - | - | ||
敞口 | + | + | + | - | - | + | + | - | - | - | - | ||
回转取土器 | 单动三重管 | - | + | ++ | ++ | + | ++ | ++ | ++ | - | - | - | |
双动三重管 | - | - | - | + | ++ | - | - | - | ++ | ++ | - | ||
Ⅰ~Ⅱ | 原状取砂器 | - | - | - | - | - | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | + |
注: 探井(槽)中刻土适用全部土类,现场不具备此类采样条件,不在表中列出。
对于不同取土器在实践中的应用表现,可查阅的前人文献非常有限。王晓峰
本次实践研究取土器的选取主要根据以下几个方面综合考虑:(1)取土器的易得性和经济性。经向多家工勘配件企业询价咨询,单动三重管较为少见,定制调运价格昂贵、时间较长,维修替换亦不便捷。(2)取土器的易用性。敞口薄壁取土器结构上只有接头、排浆孔、活塞、废土筒、连接套和取样管,自由和固定活塞薄壁取土器则多了锁卡总成、活塞杆、接长杆等部件,结构更复杂、更易损坏、价格高。(3)钻探施工单位更倾向使用操作简便、技术成熟、使用普遍的取土器,结构复杂精密的取土器如操作使用不当,反而会适得其反。综合以上分析,本次实践研究粘性土采用敞口薄壁取土器(规格TB 75,取样管内径75 mm,取样管长度500 mm),砂土则采用原状取砂器(内置环刀取土器规格TK 89×64.8×61.8,取标准贯入值30以下基本参数),其结构部件及拆分见

图3 本次实践研究所选取的两种取土器
Fig.3 Two types of soil samplers selected for this practical research
将取土器提出孔口拆下取样管后,立即对土样的质量进行现场初步评测,以判断试样扰动程度。从

图4 原状样的现场外观检查
Fig.4 Inspection of the undisturbed sample surface
李博
本次采用的薄壁取土器取土筒两端自带有非常密实贴合的胶盖(无螺纹),合盖后对胶盖与筒体的接合处多层缠绕胶带密封,见

图5 原状样品的现场封装
Fig.5 On‑site encapsulation of undisturbed samples
刘

图6 三轴固结排水试样的制备性表现
Fig.6 Preparation performance of triaxial
consolidated drainage specimens

图7 一般物理性质试验样品的制备性表现(砂土)
Fig.7 Preparation performance of general physical
property of the test samples (sandy soil)

图8 标准固结试验样品的制备性表现
Fig.8 Preparation performance of standard
consolidation test samples
将本次实践研究取得的物理力学性质参数与原常规勘察成果能够获取的对应参数进行对比分析,以评价此次获取的原状样品的试验性表现。
选取的室内试验数据主要有烘干法测定的含水率,土工标准环刀法测定的天然密度,比重瓶法测定的比重,液塑限联合测定法测定的塑性指数,筛析法+密度计法测定的颗粒组成百分数,计算得到的初始孔隙比,标准固结试验得到的压缩模量Es(1-2)和e-lgp曲线。
从
参考钻孔土层序号及名称 | 原状样取 土深度/m | 含水率/% | 密度/(g·c | 重度/(kN· | 土粒相对密度 | 塑性指数 (10 mm) | 颗粒组成百分数/% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.5~0.25 mm | 0.25~0.075 mm | 0.075~0.005 mm | <0.005 mm | ||||||||||
原状样 | 原勘察 | 原状样 | 原勘察 | 原状样 | 原勘察 | 原状样 | 原勘察 | 原状样 | |||||
③粉质粘土 | 3.7~4.2 | 30.97 | 34.6 | 1.98 | 17.8 | - | 2.73 | - | 15.9 | - | - | - | - |
4.2~4.7 | 34.12 | 1.95 | 2.75 | - | - | - | - | - | |||||
5.2~5.7 | 35.27 | 1.94 | - | - | - | - | - | - | |||||
④1粉质粘土 | 5.7~6.2 | 28.63 | 29.5 | 1.99 | 18.3 | - | 2.73 | - | 16.9 | - | - | - | - |
6.2~6.7 | 30.13 | 1.99 | 2.74 | - | - | - | - | - | |||||
6.7~7.2 | 32.12 | 2.02 | - | - | - | - | - | - | |||||
④2粉质粘土 | 7.2~7.7 | 34.03 | 33.3 | 1.97 | 17.9 | 2.73 | 2.73 | - | 16.5 | - | - | - | - |
7.7~8.2 | - | - | - | 9.3 | 0.1 | 14.6 | 70.2 | 15.1 | |||||
8.2~8.7 | 34.54 | 1.90 | - | - | - | - | - | - | |||||
8.7~9.2 | 30.36 | 2.00 | - | - | - | - | - | - | |||||
⑤1粉砂 | 17.15~17.35 | 32.30 | - | 1.95 | 18.0 | 2.70 | - | - | - | - | - | - | - |
⑤2细砂 | 29.25~29.45 | 29.34 | - | 2.00 | 18.5 | 2.70 | - | - | - | - | - | - | - |
⑤3细砂 | 39.8~40.0 | 20.08 | - | 2.04 | 18.8 | 2.70 | - | - | - | - | - | - | - |
由于④2土层样品现场初步判断其浅部为粉质粘土,下部粉土及一些软土夹层,深部近砂,与原勘察不对应,因此对这部分样品的塑性指数和颗粒进行了分析测定。
参考钻孔土层序号及名称 | 原状样取土深度/m | 天然孔隙比 | Es(1-2)/MPa | |||
---|---|---|---|---|---|---|
原状样 | 原勘察 | 原状样 | 原勘察试验值 | 原勘察综合建议值 | ||
③粉质粘土 | 3.7~4.2 | 0.819 | 1.019 | 5.12 | 4.49 | 4.0 |
④1粉质粘土 | 5.7~6.2 | 0.771 | 0.897 | 6.83 | 6.85 | 6.0 |
④2粉质粘土 | 8.2~8.7 | 0.766 | 0.996 | 13.12 | 4.62 | 4.5 |
④3粉砂夹粉质粘土 | - | - | 0.894 | - | 5.24 | 6.0 |
⑤1粉砂 | 17.15~17.35 | 0.769 | - | 21.98 | - | 14.00 |
⑤2细砂 | 29.25~29.45 | 0.679 | - | 23.26 | - | 20.00 |
⑤3细砂 | 39.8~40.0 | 0.596 | - | 22.98 | - | 26.00 |

图9 原状样的e-lgp曲线
Fig.9 E-lgp curve of undisturbed soil sample
通过以上原状样的制备性和试验性表现综合分析,可判定此次所取试样的原始结构受扰动较小,土的原始结构力保持良好。
本次实践研究所取的原状样品亦有一些扰动的情况发生,主要发生在粘土样中,在砂土样中未发现有明显扰动。胡俭春
从

图10 部分样品的扰动
Fig.10 Disturbance of some samples
在粘土层中取样时,由于薄壁取土器无衬管或半合管(有衬管的束节式取土器逐步淘汰),推土器对样品的内部力学结构可能会造成影响,尤其是对含有淤泥、粉土、粉砂等夹层的粘土层,经推土器推出的样品无法完全保证其完整性。为了减少对样品的扰动,同时利于土层的分层判别,在条件具备时可采用三重管取土器。从
目前规范只对厚壁取土器半合管有一些说明,对I级原状土试样采取使用半合管钻探工艺暂无明确规定。目前对半合管钻具的研制与应用有一些进展,如叶兰肃
(1)在武汉长江I级阶地典型“上粘下砂”二元结构地层中采取原状土样时,粘土层采用重锤少击钻进配合使用敞口薄壁取土器,砂土层采用锤击和回转组合钻进配合使用内置环刀取土器,辅以胶盖自封和胶带密封,可以取得较为理想的原状样品。基于此套方法获取的原状样原始结构受扰动较小,土的原始结构力保持良好,优于常规工程勘察手段,值得在业内推广使用。
(2)现场原状样品质量评测结合原状样品的制备性和试验性表现,可以全面准确地评价原状样品的扰动情况,是验证取样方法适宜性的必要手段。
(3)从原状土样获取的各个环节及整个流程来看,取土器及相关辅助措施在整个勘察钻探成本所占比例并不高,因此在环境敏感的重点工程建设项目和岩土工程科研项目中,可采用本文使用的方法采取原状土样,以保证岩土体物理及力学性质指标的准确性。
(4)原状样会因取土器的状况、下钻过程、钻进过程、提样过程、推样过程等发生局部扰动。条件具备时,在适宜地层可采用三重管取土器进一步保证取样质量。需要对半合管钻探工艺在岩土工程勘察I级原状土试样获取中的应用开展更进一步的研究。
(5)需要注意取样长度的控制,以保证充足长度的试样用于室内试验。同时应做好与实验室的衔接以避免发生意想不到的问题。
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