基于便携式声波钻机成套设备的软弱松散地层勘察技术研究

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 软弱松散地层工程勘察现状

我国河流众多，大江大河、中小河流形成河网纵横密布，其中“十二五”期间淮河流域及山东半岛片中小河流建设规划项目涉及中小河流168 条，合计护滩清淤长度约1712km，洪涝结合河道清淤疏浚长度约1522km，堤防加固约3050km，新建堤防约341km，河道堤防及建筑物多位于冲淤积成因的河漫滩、一级阶地，主要是近代沉积的软弱松散地层。

探明淤泥质土和松砂等软弱松散地层的分布、厚度、指标参数等工程地质特性是河道整治工程、引调水工程等水利工程地质勘察的重点，然而，目前主要利用传统钻机进行此地层的地质勘察，利用传统钻机在软弱松散地层勘察过程中，由于设备本身制约，缺点明显，有以下诸多关键技术难题需要解决：（1）取流塑状态的河湖底泥样极端困难；（2）软弱松散地层钻孔取样存在缩孔、取样易受扰动、土样易脱落的难题，常规土工试验中部分物理指标和全部力学指标扰动后不能用，连续取样困难，薄层、软弱层不易准确取样，鉴别、分层困难；（3）传统钻机体积大、笨重、钻进效率较低，对恶劣场地条件适应能力差。

2 便携式声波钻机和声波钻进技术原理

中水淮河规划设计研究有限公司通过第十届国际水利先进技术（产品）推介会推介名录和水利部“948”项目管理办公室批复“便携式声波钻机引进与应用”项目（项目编号201313）专项资金支持，引进了加拿大WINKE 公司制造的便携式声波钻机，该钻机采用声波钻进技术，通过高频震动方式进行钻进。

声波钻进技术又称为回转声波钻进技术或声频振动钻进技术，它是利用高频振动力、回转力和压力，三者结合在一起使钻头切入土层的一种新型钻探技术方法，钻机高频振动可使整个钻具以50～200Hz的频率振动，这个频率在人耳能听到的声频范围（20～20000Hz）内，而且是一种周期性往复运动，振动能量在钢管中传播方式如同声波在空气介质中传播，所以又称声波钻进。加拿大WINKE 公司便携式声波钻机最大振动频率为160HZ，没有回转力。

声波振动钻进松散软弱地层的机理主要为剪切钻进、位移钻进和液化钻进三种方式，声频振动方式钻进饱和土层时，通过钻头切刃，使刃口土体产生弹塑性变形，直至剪切破坏，使钻头切入土层内部，同时压缩钻头下部土层，将钻头刃口处饱和或近饱和土体中含有的水分部分挤出，土体被压密，形成超孔隙水压力，当它超过密实土层的重量时，密实土层下深度的土层液化，丧失了剪切强度。钻具在激振力和自重的双重作用下穿透很薄的超孔隙水压力层，到达液化土层的底部，呈流态的液化土体在钻杆重力挤压作用下沿着钻杆上升，形成的流体物质降低了钻杆和土体之间的摩擦力，有利于钻进，受力模型见图1、图2，钻具通过位移的方式前进，进入下一个循环。

3 便携式声波钻机成套设备研发

引进加拿大的便捷声波钻机在国外主要应用于环境调查、探矿工程等领域，对松软的土壤、砂层钻进具有取流塑状态土样方便、不缩孔、取样连续完整、钻进速度快、搬运安装便捷、场地适应能力强等特点，样品便于矿物和化学成分分析、颗粒分析、液塑限等试验，便于地层详细划分，应用过程中发现，设备取样方式采用金属管内套硬质塑料管取样，取出硬质塑料管样品后，土样需要通过将塑料管分段截取或用设备将样品从塑料管中挤出，容易对土样造成二次扰动，由于在取样过程中对土样产生轻微变形扰动，影响土样含水率、干密度等部分物理指标和力学指标，在水利、岩土工程勘察领域难以推广应用，国外也未见相关领域应用的资料，为了提高取样质量，取样满足力学指标试验质量要求，拓展应用范围，对取样装置改造创新，研发了半合管取样系统装置（包括直径略小于钻柱的钢质半合管，管状塑料带，固定塑料带与半合管两端的钢束节，内管调节器，手摇推进器等），提出了该设备标准化操作使用程序和方法，可任意截取土样，以降低钻探取样过程中对土样的二次扰动。

4 勘察取样效果对比验证

便携式声波钻机配合半合管取样系统装置组成便携式声波钻机成套设备，为了验证该设备所取土样质量能否满足土样水利、岩土工程勘察土工试验质量要求，需要通过勘察取样效果对比验证。在引江济淮工程西淝河下段输水线路工程中，通过对疏浚河道第②层淤泥质轻粉质壤土土样含水率、干密度、压缩系数、压缩模量和直剪粘聚力、内摩擦角对比，结果表明物理试验指标、压缩试验指标两种方法所取土样的试验指标相差较小，两种方法取样的试验指标数值基本重叠，说明取样方法对上述指标没有影响，或者说扰动程度一样。干密度、压缩模量指标室内试验成果对比见图3、图4，直剪粘聚力、内摩擦角等剪切试验指标影响略大，大部分重叠性较好，仅在埋深2.5m 深度的试验数据差异较大。

为了检验2 组土样对比试验的含水率、干密度和压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等参数的结果总体均值是否相等，采用统计学中均值之差U检验法进行土样物理力学参数试验值总体分布状态对比分析，设置信水平α=0.05，得知Uα/2=1.96，即在保证率为95%，两种土样相关程度系数小于1.96，说明土样试验成果一致性很好。统计结果见表1。

图1 激振力 F作用示意图

图2 振动液化钻进示意图

图3 B2 与B5 干密度对比图

图4 B2 与B5 压缩模量对比图

统计结果表明，除内摩擦角外，其他各试验参数相关系数为0.057～1.468，均小于1.96，故传统钻机取样和便携式声波钻机取样的土样土工试验所得结果是基本相等的。含水率、干密度的相对偏差小于3%，试验结果符合性好，压缩系数、压缩模量相对偏差小于8%，试验结果符合性较好，内摩擦角相对偏差较大，相关程度系数为4.059 左右，虽然内摩擦角参数本身有一定的离散性，若剔除不合理指标，二者的相似程度会提高，作为软土层传统钻机取样保证率低，便携式钻机可以作为补充取样手段，结合软土原位试验，力学试验指标经过修正后有一定的参考价值。

5 勘察取样方法对比分析

影响土样质量的因素很多，取土器的结构及操作过程对土样质量影响较大。工程机械钻机采用岩芯管钻进或螺旋钻进，对于软土和松散砂采用锤击法或静压法使用薄壁取土器取样，薄壁取土器主要有四种：敞口式、固定活塞式、自由活塞式和水压式，应用较广的是敞口式、活塞式薄壁取土器。敞口式薄壁取土器通过取样头球阀屏气，形成负压，通过土样和管壁摩阻力，将土样取出，锤击过程中对软弱松散地层存在扰动，闭气拉断土样可能轻微拉长变形，扰动底部土样。便携式声波钻机成套设备所取土样长度大，连续完整，钻进和取样同时进行，取样效率高，但钻进后近管壁周边土样可能液化，对土样四周可能扰动。

表1 土样物理力学参数试验值总体分布状态对比分析表

表2 勘察取样方法对比分析表

不同勘察取样方法对比分析见表2，结果表明各种方法取土均存在轻微扰动，但能满足试验质量精度要求。

6 技术应用社会效益

在对国外设备应用研发基础上，组成便携式声波钻机成套设备，通过取样试验成果对比分析等方面应用研究，提出了该设备标准化操作使用程序和方法，形成基于便携式声波钻机成套设备的软弱松散地层勘察技术，该技术获得4 项实用新型专利和2017年度淮河水利委员会科学技术奖一等奖。

使用该技术，钻探和取样可以同步完成，采取流塑、软塑、可塑土样连续完整，样品可以任意截取，样品质量较高，解决了河、湖、海岸等环境地质勘察检测分层取样技术难题；不仅可在环境调查、探矿工程等工程领域使用，也可在水利、岩土工程勘察中广泛使用，解决了工程勘察中软弱松散层和夹层、薄层取样难，易扰动的技术难题，适合在软弱松散层工程勘察中应用推广；场地适应能力强，解决了多移动浅孔类孔钻探效率低成本高和场地适应能力差的难题，在堤防堵口加固工程、河道疏浚工程、湖泊海岸地区清淤工程、尾矿库区治理工程等如沼泽的环境恶劣场地中使用；钻进速度快，可在辐射等特殊环境地区快速取样。

目前该技术成功已应用于淮河干流王家坝至临淮岗段行洪区调整及河道整治工程、凤阳县石英砂生产区水系综合治理工程、洪泽湖溧河洼综合治理工程等地质勘察，取得试验技术参数已为设计应用，经济社会效益显著，弥补了我国目前地质勘察设备不足，提升了我国工程地质勘察设备研发与制造水平■