基于扁铲侧胀试验材料指数的岩土类别研究

刘晓明，黄正花

(中机三勘岩土工程有限公司，湖北 武汉 430030)

传统深层岩土勘探模式下，一般采用钻孔岩心试验室分析法；钻孔内物探方法包括贯入法、动锥法等。岩心试验室分析法精度较高，但需要撤出钻杆，试验周期较长，钻孔维护难度较大。贯入法、动锥法的可靠性较低，容易发生岩土类别的误判。近年来，部分物探现场采用扁铲侧胀法，相关文献研究表明，扁铲侧胀法在钻孔内判断岩土类别的敏感度特异度均远高于贯入法和动锥法，具有在大面积物探工程中取代或部分取代钻孔岩心试验室分析法的实践意义。

该研究通过现场试验，对比分析同一钻孔同一深度下钻孔岩心试验室分析法和扁铲侧胀试验法对岩土类别的分析结果，系统分析通过扁铲侧胀试验材料指数推断岩土类别的物探工程方案。

1 试验方法与原始数据

依据《土工试验方法标准》(GBT 50123—1999)，在武汉地区厚第4系分布地区布置1 000个测试钻孔，钻孔深度300～500 m，扁铲侧胀试验深度200～500 m，同步使用岩心钻头获取岩土岩心用于试验室试验。1 000个测试钻孔中布置3 500个测试点，用于扁铲侧胀试验材料指数与岩土类别的数据关联研究。用于数据参照的贯入试验与动锥试验数据直接使用扁铲探头的尖端进行辅助试验数据采集。其中，材料指数为根据《土工试验方法标准》规定的计算方法按照扁铲侧胀试验数据获得的测试结果。试验系统与试验原理如图1所示。

图1 扁铲侧胀试验系统与试验原理示意图Fig.1 Schematic diagram of flat dilatometer test system and experimental principle

由图1可知，扁铲侧胀实验的本质，是利用液压系统驱动扁铲侧胀1.1 mm前后应力传感器捕捉的与数据获得材料指数()，从而推断扁铲处于土层的岩土类别。该实验主要在强风化地层或第4系沉积地层中测试岩土类别。

根据上述试验设计，3 500个测点获得的数据结果，不同粒径土壤颗粒含量情况下的材料指数分布情况如图2所示。

由图2可知，当土壤颗粒粒径小于0.002 mm及位于0.002～0.050 mm的情况下，材料指数与土壤颗粒含量的数据关联关系有较为显著的差异性。如土壤粒径小于0.002 mm时，二者关系接近幂次关系；而土壤粒径位于0.002～0.050 mm时，数据主要分为2段，特别当颗粒含量在20%～80%时，数据聚类为材料指数大于1.5的逆态线性关系和材料指数小于1.5的正态线性关系。从数据聚类关系来看，当颗粒粒径小于0.002 mm时，数据在颗粒含量小于20%且材料指数大于1.0的投影区域有密度较大的落点聚类；当颗粒粒径位于0.002～0.050 mm时，数据形成2组聚类，其中一组位于颗粒含量小于20%，材料指数在2.0～3.0的区域；另一组位于颗粒含量在60%～80%，材料指数在1.0～2.0的区域。

图2 不同粒径土壤颗粒含量情况下的材料指数(ID)的分布情况原始数据图Fig.2 Distribution of material index ID under the condition of soil particle content with different particle sizes

2 实验数据的岩土工程意义

单纯从前文图2数据分析，因为岩土材料中包含多种粒径的土壤颗粒，且因为数据的相互干扰，难以通过材料指数反推土壤中不同粒径的颗粒粒径和颗粒含量。但是岩土成分的含量并不连续，而是形成一定的聚类特征，即根据扁铲侧胀数据的落点位置推断其聚类从属关系，从而判断扁铲侧胀试验获得的材料指数数据代表的岩土分类。综合分析上述试验数据，该关联关系如表1所示。

表1 岩土分类标准(依据GBT 50123—1999)Tab.1 Geotechnical classification standard (according to GBT 50123—1999)

由表1可知，使用贯入法、动锥法获得的岩土力学参数为塑性指数)，使用扁铲侧胀法获得的岩土力学参数为材料指数。塑性指数的数据分布与材料指数存在显著差异性，如数据聚类方面当塑性指数聚类在17～27时，材料指数分为2段，分别在0.09～0.37和0.37～0.43。分析上述12种不同岩土成分下塑性指数、材料指数和岩土分类之间的关系，结果如表2所示。

表2 塑性指数、材料指数和岩土分类之间的关系表Tab.2 Relationship between plasticity index IP,material index ID and geotechnical classification

由表2可知，塑性指数、材料指数、岩土分类之间的关系可以归纳为以下规律：扁铲侧胀试验获得的材料指数对黏土、粉质黏土、粉土、砂土的数据敏感度较强，其中敏感度最强的岩土分类为黏土，数据分布在0～0.1。而对砂土的敏感度略低，数据分布在1.8～10.0，该数据范围中，塑性指数的数据存在不同岩土分类的数据交叉，敏感度较弱；圆砾土、卵石土等大直径颗粒发育较强的岩土分类并不适用扁铲侧胀法测量，其主要原因为扁铲测量探头有可能被圆砾、卵石等大粒径大硬度颗粒损坏，即扁铲侧胀法的适用范围为颗粒粒径较小(<2 mm)且硬度较小的土层；武汉地区，以及外扩至汉江一级、二级阶地地区，第4系发育厚度较大，土层以淤泥、淤泥质土、黏土、粉质黏土、粉土和砂土为主要成分，前文中适应性较差的圆砾土、卵石土等土层在该地区并不多见，所以该地区第4系及浅层风化层(<500 m)物探中，扁铲侧胀法的推广价值较大。

3 结语

扁铲侧胀法获得的材料指数在较软土层中与土壤颗粒粒径和不同粒径土壤颗粒含量之间存在较为复杂的非线性数据关联，深入分析这种数据关联，可以根据材料指数推测土壤的岩土分类，分析敏感度与钻孔岩心实验室分析法基本一致且具有数据聚类相关性。因为扁铲侧胀法相关测量仪器的安装过程及施工工艺较为简单，效率极高，所以使用扁铲侧胀法取代部分钻孔岩心法，对提升物探效率有促进作用。受制于仪器硬件安全性，扁铲侧胀法在圆砾土、卵石土等有大颗粒成分的土层中并不使用，所以其地域适用范围较小。该研究选择的武汉地区，以及外扩至汉江一级、二级阶地地区，对扁铲侧胀法的适应度较高。