RI型贯入式系统多参数堤防勘察技术应用研究

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 前言

淮河流域现有各类堤防6.3 万多公里。与其他水工建筑物相比，堤防工程具有以下几个明显的特点：（1）堤防线路长，跨越地貌单元多，堤基土层及土工参数变异性大；（2）堤防填筑土料成分复杂、施工方法多样，堤身填筑密实度、防渗性能变异性较大。目前，堤基、堤身土的物理力学参数主要通过现场钻探取样、室内试验等手段获得相关参数，即同一地点土样既需要现场勘探、又需要室内试验，才能为堤防工程定量评价、工程设计和施工计算提供所需参数；勘察工作周期较长、成本高，取样和试验精度影响因素多。

原位测试是在土体未经扰动条件下测定岩土体的各种参数，所得数据远比勘探－取样－室内试验所获得数据准确可靠，更符合岩土体的实际情况。为了能够快速获得堤防工程地质资料，降低成本、缩短勘察周期，结合国家科技支撑计划“堤防工程安全评价关键技术研究”，中水淮河规划设计研究有限公司引进日本SRE 株式会社的RI 型贯入式设备，在我国首次开展RI 型贯入式系统多参数堤防勘察技术应用研究，取得了良好的效果，该项研究获得水利部“948”项目计划支持，研究成果应用于治淮工程勘察实践，并获得淮河水利委员会2013年科学技术三等奖。

2 技术特点

RI 型贯入式设备在传统的静力触探仪上基础上增加了含水率计和密度计，密度测量使用γ（137Cs）射线，含水率测量采用中子（252Cf）射线，将含水率测量、密度测量、强度指标测量三合一；含水率计和密度计探头主要由前置放大器、计数管或闪烁计数器、铅屏及放射源组成，根据计数率（脉冲总数/计数时间n/min）等参数通过数据处理求出土的各项指标。在保证辐射剂量对人体绝对安全的前提下，通过发射γ射线和中子射线，实现锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、孔隙水压力（u）、水分、密度等五个参数的同步测量，间接获得不同深度土体干密度、饱和密度、孔隙比、摩阻比等参数，能够有效地提高地基分层的精度。

2.1 密度（湿密度）检测原理

伽玛（γ）射线是一种波长很短的由原子核产生的电磁辐射，γ 射线与物质作用时产生光电效应、康普顿效应及电子对生成等三种过程；土对γ 射线产生吸收作用而减弱其能量，同时将被减弱后的射线成一角度散射出去，土的吸收和散射过程并非是一次，而是多次反应的结果；经过多次散射，使散射光子的能量显著降低。散射光子的光电效应几乎随密度的增加而迅速增加，在密度小的土中，散射作用占优势；在密度大的土中，以光电吸收为主，测试仪器探头的计数率随密度的增加而减少。

2.2 含水率检测原理

同位素中子源发射出来的快中子与周围物质中各种原子核发生碰撞时，每次碰撞损失部分能量，速度降低，经多次碰撞变成慢中子。水是富含氢的物质，中子测水实质上就是中子测氢；快中子在土中通过慢化和扩散过程，形成了以中子源为中心的“慢中子云球”，如果土中含水率高，“慢中子云球”半径就小，慢中子密度就大；反之，土中含水率低，“慢中子云球”半径就大，慢中子密度就小；利用最易俘获慢中子的物质制成的慢中子探头，测定慢化后的中子强度来确定含水率的高低。

2.3 数据处理

数据处理时首先进行贯入深度（杆长）修正，处理异常值、进行RI/BG 记录的背景值修正（减去环境辐射值），然后进行各类试验成果的计算和绘制最终测试剖面。

初始测试数据成果有：测试深度ds（m）、锥尖阻力qt（MPa）、侧壁摩阻力fs（kPa）、孔隙水压力u（kPa）、探头倾斜角i（度）、密度辐射计数A（cps）、环境背景辐射计数BG（cps）、γ（137Cs）放射源强度计数A0（cpm）、水分辐射（慢中子）计数B（cps）、中子（252Cf）射线源强度计数B0（cpm）等。

可通过下式计算出测点土层的湿密度ρt（g/cm3）、等效（总含水量）含水密度ρ0（g/cm3）：

土层的含水密度ρm（g/cm3）：

饱和土的含水率可以用湿密度（ρt）、土颗粒的密度 （ρs）和水的密度（ρw）算出；土体饱和时，可以由湿密度计算出干密度ρd（g/cm3）公式如下：

仪器测试得到的是等效（总）含水率ρ0，其中包含结合水，而地质资料中要求的含水率是排除强结合水后的含水率。计算土体含水率时采用水分修正系数排除结合水的影响；水分修正系数（α）又称含水比，按下式计算：

根据仪器测试数据，在不同类型饱和土中，通过计算，可以得到相应的α 值，进行统计、分析，选择各类土合适的α 值。

得到土体α 值后，含水（自由含水量）密度ρm（g/cm3）可以通过湿密度和干密度算出，由式（3）与式（1）推导而得：

非饱和土的含水率通过水分（含水率）计数计算出等效含水密度 （ρ0），土的含水率（w）通过等效含水密度、水分修正系数（α）和干密度算出。

测试成果包括静力触探成果曲线图、含水率、湿密度、干密度、孔隙水压力、温度和倾斜度曲线图。根据试验曲线（qc、fs、u、Rf）或钻探资料划分地层与土质类别，根据土类，选择分层水分修正系数（含水比）α，从而计算出各测试点的干密度、含水率、饱和度和孔隙比。

3 试验结果比较分析

3.1 方邱湖试验段

方邱湖试验段位于淮河右岸，填筑土料以轻粉质壤土、粉土为主，设计拟进行加固处理；在现场布置RI 测试孔和相应钻探取样孔，按0.5m 间距采取原状土样进行室内土工试验，RI 型贯入仪测试数据间隔为每0.1m 一组；据钻探和静力触探结果划分地层，两种方法测出的土层湿密度、含水率相对偏差一般小于5%，试验结果符合性较好，见表1。

表1 各土层物理性指标计算成果表

表2 各填土分组、分区干密度测试值总体分布状态分析结果表

用RI 型贯入设备测得的土层湿密度、含水率数值及据此计算的干密度、孔隙比、饱和度值与钻孔取样测得数值平均值基本相近，含水率、干密度测定值稍大于通过现场取样和室内试验得到的土层干密度值，说明取样及运输、试验过程有可能导致失水，影响试验成果的准确性；与常规勘探每隔一定间距取样试验相比，通过RI 试验可自上而下连续取得土层测试数据，能够详细反映沿孔深的土层物理力学性质变化情况，提高勘察工作精度。

表3 总体均值的假设检验计算结果表

3.2 淮北大堤试验段

淮北大堤小蚌埠排涝站出水涵管建好后，需按一级堤防设计要求进行回填，填筑高度约15m，施工过程中，在涵管两侧布置了填筑干密度和含水率分层试验工作；施工完成后，在涵管两侧采样试验位置附近进行RI 对比测试，两种方法测试结果（总体平均值）相近。通过RI 方法测出的湿密度、干密度稍低于人工取样试验值，含水率、孔隙比和饱和度大于人工取样试验值。为分析两种测试数据的符合性，采用矩法（动差法）对填土测试数据总体分布状态分析结果见表2。

设置信水平α=0.05，查标准正态分布函数表，得uα/2=1.96，从表2可知，除第一区第二组外，其他各区组u1、u2均小于1.96，故认为测试数据总体服从正态分布。

为检验RI 贯入仪测试结果和现场钻孔取样再室内试验所得结果总体均值是否相等，采用U=（X-Y）/SQRT（σ12/n1+σ22/n2），其中，X、Y为两正态样本的均值，σ12、n1、σ22、n2分别 为 对比样本的均方差和组数。计算结果见表3。

设置信水平α=0.05，查标准正态分布函数表，得uα/2=1.96，从表3可知，除第一区第二组外，其他各区组u1、u2均小于1.96，故认用为RI 贯入仪测试结果和现场钻孔取样再室内试验所得结果总体均值是相等的。

4 应用实践

（1）根据试验分析结果，在淮北大堤、荆山湖堤防加固和花园湖退水闸工程勘察中应用RI 型贯入式系统多参数勘察技术，能够快速获得堤防及堤基地质剖面、地层含水率分布图、不同位置的土体密度、锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力及消散速度等参数，并可通过数据处理获得土体抗剪强度参数。

（2）目前常用的堤防填土的干密度检测方法主要通过灌砂法、环刀法取样，进行室内试验后，求得土样含水率并计算出填土干密度，根据填土测试干密度值与设计干密度的对比，判断堤身土填筑质量，上述方法存在所需测试过程多、时间较长、测试点间距较大等问题。应用RI 贯入设备可快速、连续测出不同部位的干密度指标。

（3）RI 型贯入式系统多参数堤防勘察技术为中水淮河公司第一次申请完成的水利部“948”项目，通过引进和应用研究，提出了各类土层水分修正系数值，形成了一套完整的RI 贯入设备的勘察试验方法。与国内现有勘察设备相比，RI 型备具有测试快速、可获得参数多等优势；避免了取样、运输和制样试验过程中对样品的扰动，缩短了勘察周期，提高了勘察精度。应用RI 型贯入式系统多参数堤防勘察技术对提高我国堤坝地质勘察与安全评价的整体技术水平具有重要意义，具有广阔的应用前景■