提高原状土质量的措施

张莲香，张会芹，孟繁琪，张勤玲

(1.河南省漯河市水利勘测设计院，河南漯河462000;2.河南省漯河市水利局，河南漯河462000;3.河南省漯河市水利工程处，河南 漯河462000;4.河南省漯河市农水技术推广中心，河南 漯河462000)

原状土(即不扰动土)是指土的原位应力状态虽已改变，但土的结构、密度和含水量变化很小，没有物理成分及化学成分的改变，能够满足室内试验各项要求，能用近似测定土的原位强度、固结、渗透以及其他物理性质指标的土样。《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)2009年版，把土试样质量划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共四个等级，并规定了各级土试样能够进行的试验内容。同时标注:除地基基础设计等级为甲级的工程外，在工程技术要求允许的情况下可用Ⅱ级土样代替Ⅰ级土样进行强度和固结试验，但宜先对土试样受扰动程度作抽样鉴定，判定用于试验的适宜性，并结合地区经验使用试验成果。因此在一定程度上，Ⅰ、Ⅱ级土试样相当于“原状土样”。

1 原状土样

原状土取样是岩土工程勘察中的一项基础工作，也是岩土工程勘察工作中的一项薄弱环节。作为最能真实反映地基土物理力学性能的原状土，其准确性尤为重要，其质量的优劣，严重影响到基础资料的质量。若原状土试样受到扰动，质量低劣，造成土工试验数据失真，就不可能正确反映地基土层的真实性状，既可能导致对地基的估计过高，使工程设计趋于危险;更多的是导致对土质的评价降低，无形中浪费大量宝贵的建设资金。因此采取高质量的原状土试样成为勘察工作的首要任务。

2 提高原状土样质量的措施

从取样方式上分，原状土取样主要有钻孔取样、探井(槽)取样。探井(槽)取样由于受取样深度和地下水位影响(即使地下水位以上，也不宜超过20 m)，不常采用。而实际工作中，最常采用的取样方式是钻孔取样，该方式是岩土工程勘探取样方式中应用最为广泛的一种，也是深部地层取样的唯一可行的方法。

从诸多实践来看，钻孔取样质量的优劣，不仅取决于采用什么样的取土器、而且取决于取样全过程的各项操作是否细心、得当。总结起来，影响原状土质量的主要因素为:机具及操作(包括钻孔、清孔、选择取土器、取样操作、土试样的封装、贮存、运输等)。因此要想取得高质量的土试样，必须对取样的全过程进行有效的工序质量控制。尽可能使采取的土样能够真实反映岩土层的天然结构、密度和湿度状态。排除成果中人为的不定因素，减少土样的扰动，从而提高土工试验资料的准确性和可靠性，使资料的交流成为可能。笔者现就最常用的贯入式取土器取样进行探析提高原状土质量的措施。

2.1 取土器的选择及检查

1)贯入式取土器按壁厚可分为薄壁取土器和厚壁敞口取土器两种规格。薄壁取土器按结构形式又可分固定活塞式、水压固定活塞式、自由活塞式和敞口式四个规格。

采取土试样时应根据不同土质及所要求的土样等级选择适当的取土器。薄壁取土器因对土层扰动小、可以采取Ⅰ级和Ⅱ级土试样，厚壁取土器因对土层扰动较大，只能采取Ⅱ级土试样。因此勘探取样时能选用薄壁取土器的，优先选用薄壁取土器。

2)取样前应对使用的取土器进行仔细检查，并应符合下列有关要求:(1)取土器几何尺寸及形状的检查:①刃口是否卷折、残缺，其累计长度不应超过周长的3%;刃口内径的偏差应在标准值的0～1.0%之内;②对取样管应量测其上、中、下三个截面的外径，每个截面量测三个方向，最大与最小值之差不能超过1.5 mm;③清除取样管内壁的锈斑或粘附土块，以保持内壁的光滑。(2)取土器零部件功能的检查:①各类活塞取土器活塞杆的锁定装置应保持清洁，功能正常，活塞松紧适度，密封有效;②敞口取土器头部逆止阀应保持清洁，顺向排水排气孔畅通，逆向封闭有效。

凡零部件功能失效或有缺陷者，必须修复或更换后才能投入使用。

3)取样管(薄壁管或衬管)内壁与土样之间的摩擦也易引起土样的扰动，减轻的办法是:提高内壁光洁度，在其内壁涂以润滑剂，如硅油或腊克，但不可采用机油之类作润滑剂，以免土样受污染。

4)使用带衬管的取土器采取Ⅰ级土试样时，应采用形状规整、耐腐蚀的塑料或酚醛层压纸衬管。采取Ⅱ级土试样时，可使用镀锌铁皮衬管，要求形状圆整，缝口平接，盒盖配合适当;重复使用时应先整形，装入取样管内时必须与管壁贴合良好。

严禁使用刃口卷折、残缺、取样管压扁、内壁锈蚀、衬管卷折或搭接不平的取土器。

2.2 钻机就位

采取土试样的钻孔，钻机安装必须牢固，以保持钻进平稳，防止钻具回转时抖动。抖动一方面破坏孔壁，一方面扰动土样，因此保证钻进的平稳至关重要，同时钻具应有良好的垂直度和同心度，以保证钻进时钻孔垂直。可以采取加接重杆的有效措施增加钻进平稳性。

2.3 钻进操作

采取原状土样的钻孔，孔径应比使用的取土器外径大一个径级。

钻进时应力求做到减轻对预计取样处土层的扰动，根据土层特点和地下水位使用合适的钻进方法。其具体方法及操作如下:

1)选择符合土层特点的有效钻进方法。钻进方式有回转、冲击、振动、冲洗四种。回转钻进是通过钻杆将旋转力矩传递至孔底钻头，同时施加一定的轴向压力实现钻进。该钻进方式具有钻进平稳，且对土层扰动小的特性，应用较为普遍，因此取样勘探时，为保证鉴别的可靠性和取样质量，优先采用回转钻进方式。而后三种钻进方式对土层的扰动较大，不易采得高质量的土样，一般不宜采用。若受其它因素影响，不能采用回转钻进，而必须选用其它钻进方式时，应在预计取样位置1 m以上改用回转钻进。

2)在地下水位以上钻进，应采用干法钻进，不得注水或使用冲洗液。

3)在地下水位以下钻进，应保持孔内水头压力等于或稍大于孔周地下水压，避免产生孔底管涌，钻进宜采用中空的螺纹钻头、提土器或岩芯钻头。提钻时应能通过钻头向孔底通气通水，避免孔底土层由于负压、管涌而受到扰动破坏。在软粘性土及饱和粉土、粉细砂层中尤其应该注意这一点。

4)在饱和软粘性土、粉土和砂土中钻进，孔壁易产生塌坍或缩径，从而影响取土试样的质量，为减少土层的扰动，宜采用泥浆护壁。采用套管应先钻进后跟进套管，且注意减轻旋入套管时管靴对土层的扰动，套管的下设深度与取样位置之间应保留三倍管径以上的距离。不得向未钻过的土层中强行击入套管。为避免孔底土隆起受扰，应始终保持套管内的水头高度等于或稍高于地下水位。

5)升降钻具时尽可能做到均匀平稳，避免对孔壁产生碰撞破坏造成落土，从而增加孔底残留浮土厚度，以此导致孔壁受到扰动破坏。

2.4 取样操作

为保证在采取土试样过程中尽可能避免土试样震动或压缩，使土试样始终保持天然状态。采取土试样的操作要点如下:

1)清孔:采用回转方式钻进到达预计取样位置后，要采用适当的清孔工具仔细清除孔底残留浮土，孔底残留浮土厚度不能大于取土器废土段长度(活塞取土器除外)。采用敞口取土器取样时，孔底残留浮土的厚度不得超过5 cm。

2)下放:取土器应平稳下放，以免戳坏孔壁使孔底残留浮土增厚，不得冲击孔底，以免引起取样土层扰动;取土器下放后，应核对孔深与钻具长度是否一致，当发现残留浮土厚度超过规定时，应提起取土器重新清孔。在钻孔易缩易塌，清孔达不到要求时，宜采用活塞取土器而不用敞口取土器。

3)压入:取土器的压入是取样操作的关键环节，严禁过量压入。采取Ⅰ级土试样，应采用快速静力连续压入法;采取Ⅱ级土试样，可使用间慢速静力连续压入法、重锤少击法和下击法。

在压入固定活塞取土器时，为避免活塞向下移动，应将活塞杆牢固地与钻架连接起来。在贯入过程中监视活塞杆的位移变化时，可在活塞杆上设定相对于地面固定点的标志，测计其高差。活塞杆位移量不得超过总贯入深度的1%。

如果取样土质过硬，静压压入困难，可考虑改用回转取土器进行土试样采取。

4)提取:提升取土器之前，为切断土样与孔底土的联系和减少掉土的可能，可以将取土器回转2～3圈或者稍加静置之后再提升。此处回转的作用在于扭断土样;静置的目的在于增加土样与容器壁之间的摩擦力，以便提升时拉断土样，减少逃土的可能性。提升取土器时应做到均匀平稳，避免磕碰，保证土试样不受扰动。切勿徒然升降(钻杆加接时尤应注意)或碰撞孔壁，以免土样失落。

2.5 土试样的取出、检验、封装、贮存和运输

1)取出:取土器提出钻孔后，小心地将土试样连同衬管卸下，取出土试样，取出过程应符合下列要求:⑴以螺钉连接德薄壁管，卸下螺钉即可取下取样管;⑵对丝扣连接的取样管，应采用链钳、自由钳或专用扳手卸开，不得使用管钳之类易于使土试样受挤压或使土样管受损的工具;⑶采用外管非半合管的带衬管取土器时，应使用推土器将衬管与土样从外管推出，并事先将推土端土试样削至略低于衬管边缘，防止推土时土试样受压;⑷对各种活塞式取土器，卸下取样管之前应打开活塞气孔消除真空。

土试样的取出应有受过训练的专门人员操作，取出时间不宜超过10 min。

2)检验:对钻孔中采取的Ⅰ级土试样应在现场测定取样回收率，取样回收率大于1.0或小于0.95时，应检查尺寸量测是否有误，土样是否受压，根据情况决定土试样废弃或降低级别使用。

3)封装:土试样应按规范规定的方法进行封装。其方法如下:⑴将上下两端各去掉约20 mm，加上一块与土样截面面积相当的不透水圆片，再浇灌蜡液，至与容器端齐平，待蜡液凝固后扣上胶皮或塑料保护帽;⑵用配合适当的盒盖将两端盖严(盖上时既不能加压敲击，也不能漏缝松脱)后，将取土筒上所有接缝用纱布条蜡封或用粘胶带封口。此处封装土样用的蜡应是微晶蜡，也可采用微晶蜡和石蜡各半的混合剂(纯石蜡质脆易裂，会使密封失效)。⑶取土筒不满的式样及土与筒壁之间的缝隙，应以接近原土湿度的扰动土填充后再行封装。

4)贮存:土试样密封完好后，在装箱之前，应存放于阴凉潮湿地点，或挖浅坑掩埋，盖以湿土。到达试验单位后应贮存在有专人负责的专门存放土试样的样品间，样品间应严格控制环境条件，按时进行环境条件记录，使环境条件得以维持。

5)运输:土试样运输时，必须装入专门制作的土样箱，装箱时土试样之间和土试样与土样箱的空隙，应以柔软缓冲材料填实，避免在运输过程中受震、受冻以及雨水淋湿损坏。土样箱应编号，并标有“小心轻放”、“请勿倒置”及“上”、“下”等字样。运输时有专人护送，从取样至到达试验单位所用时间不宜太长。运输过程中宜采用平稳而少颠簸的车辆运输，应尽可能使土试样不受扰动，如条件不允许时，则应加厚土样箱及土样箱之间的衬垫。对易于振动液化和水分离析的土试样应尽量避免长途运输，应在现场就近进行试验。

土试样采取之后至开土试验之间的贮存时间不宜超过两周。由于在此期间土试样受自然或人为因素影响极易受到扰动，且贮存期间的扰动对土试样的影响很大，而又往往被人们忽视。据有关研究表明，在此期间的扰动可能更甚于取样过程中的扰动，因此应尽可能缩短土样贮存时间

3 结语

并不是所有情况下都能得到原状土，如砂层，即使采用特殊的取样技术也难以取出很理想的原状土试样，因此取样时应根据土层特点，操作水平和地区经验选用适当的取土工具和操作方法，尽可能避免取样过程中的各种扰动因素，从而达到提高原状土质量的目的。

［1］岩土工程勘察规范.GB50021-2001(2009版).

［2］原状土取样技术标准.JGJ89-92.

［3］工程钻探(岩土工程勘察职工教育丛书).

［4］工程勘察实验员培训教程(河南省工程勘察设计行业协会编制).