原位环刀采样技术的工程实践与意义

苏再非，周艳君，王璐佳，李景富

（1、广东省有色地质环境中心 广州 510080；2、广东有色工程勘察设计院 广州 510080；3、广东岩石科技有限公司 广州 510018；4、广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510010）

0 引言

岩土样品采取和测试试件制作过程的方法，对获取岩土物理力学参数指标的真值具有重要影响。获取岩土物理力学指标的真值，是业界工程技术人员和学者们的共同追求。为解决或减弱测试指标偏离真值对工程建设和灾害治理产生的不利影响。业界专家和技术人员都做了大量的研究和实践工作。

测试样品结构被扰动，导致测试的抗剪强度指标不能作为设计依据。在一些工程建设活动中利用原位试验测试的抗剪强度指标，或采用大量试验数据的统计指标作为设计依据［1-2］。土的抗剪强度受其组成结构和成分影响较大，保护测试样品的结构、含水量不变是采样工作的重点［3-4］。土的结构和含水量对孔隙比、饱和度等物理指标也具有较大的影响［5］。

现场直剪测试的抗剪强度指标，比采样进行室内直剪测试的抗剪强度指标更符合滑坡的变形特征［6］。野外采取大直径样品获取的抗剪强度指标，比小直径样品的抗剪强度指标更接近真值［7］。室内测试土的抗剪强度指标是否代表土的抗剪强度，受样品是否具有原状结构和其组分的影响［8］。

2023年9月郑建国等人在第九届全国岩土工程实录交流大会上表示，采用原位试验大规模获取岩土物理力学指标的方法难以实现。原位试验成本高，范围有限。例如原位直剪、压板荷载等试验很难在深部开展。

岩土体是非均匀、各向异性的。采样进行室内试验不单要获得场地范围内同一岩土层的普遍指标，也要获得这些指标中某一范围的力学指标的空间分布，以此判断地层在物理力学指标层面的均一性与软弱分布特征。

环刀样样品是《建筑工程地质勘探与取样技术规程：JGJ/T 87—2012》［9］中要求的最高等级样品。用直径61.8 mm，高20 mm 的单个试验环刀进行采样有两个缺点：①只能在表层进行采样；②因缺乏有效的保护和密封装置，容易造成样品扰动脱落和失水。

在广州市轨道交通工程花岗岩风化层及残积土抗剪强度指标取值研究项目中，通过分析原有采样技术和流程的操作步骤和效果，设计并制造了安装环刀组的采样器［10］（原位环刀采样器）。这一采样器能满足对不同埋深地层的采样需求，对地层中颗粒粒径小于5 mm 的各种软硬土层，均可采取具有原状结构和应力状态的岩土样品，并能完好地保存其结构和组分，送至室内进行各项指标的试验测试。

在本次试验过程中，对花岗岩风化土分别采用原位直剪，原位环刀采样器、108厚壁采样器采样进行室内直剪。通过对获得的岩土抗剪强度、含水量指标进行对比，发现原位环刀采样器采样获得的抗剪强度指标与直剪试验获得的抗剪强度指标具有良好的线性关系，偏差小于8.42%。108 厚壁采样器采样获取的抗剪强度指标具有中线收缩和大幅偏离原位直剪试验指标的现象。

1 试验对比及原因分析

为准确地分析原位环刀采样器与108厚壁采样器采取的岩土样品所测指标值与真值的差异。选取广东地区典型的结构性土（花岗岩风化残积土和风化层）作为试验对象。

1.1 对比试验

试验场地为分布花岗岩风化的残积、全风化、强风化土层的边坡。试验前边坡已完成了边坡勘查、设计和施工治理工作。后因降雨导致边坡出现较大面积的垮塌，为获得边坡土的准确抗剪强度指标，现场采用0.1 m2的直剪试验仪进行现场直剪试验，来测试土的抗剪强度指标。试验点分布及采样概况如图1所示。

图1 边坡试验点及现场试验Fig.1 Slope Test Point and Field Test

在试验点处和相同深度位置分别采用原位环刀采样器、108厚壁采样器采样进行室内试验，所获得的含水量、抗剪强度指标与现场测定的含水量、抗剪强度指标进行对比。

原位环刀采样器用锤击法采样，108 厚壁采样器用清水回转钻进进行采样。室内测试按土工试验方法标准进行测试。选取了含水量、黏聚力、内摩擦角指标进行相互对比。

1.2 对比指标分析

⑴含水量指标的对比，现场含水量指标采用称重-酒精烧蚀法获取，含水量指标如表1 所示，各组含水量指标变化曲线如图2所示。

表1 含水量指标对比Tab.1 Water Content Index Comparison

图2 含水量指标对比曲线Fig.2 Comparison Curve of Water Content Index

通过表1 和图2 数据表明，采用清水回转钻进时，108 采样器采样获得的含水量，与现场试验测试的含水量指标之间没有线性相关性。原位环刀采样器采样获取的含水量指标，与现场试验测试的含水量指标之间，具有良好的线性相关性，最大偏差仅4.5%。其中第一、三、五组为黏性土，第二、六组为砂质黏性土，第四组为砾质粘性土（土性下同）。

⑵黏聚力指标的对比，黏聚力指标如表2 所示，各组黏聚力指标变化曲线如图3所示。

表2 黏聚力指标对比Tab.2 Comparison of Cohesion Index

图3 黏聚力指标对比曲线Fig.3 Cohesion Index Comparison Curve

通过表2 和图3 数据表明，采用清水回转钻进时，108采样器采样获得的黏聚力指标比现场测试结果偏低，其偏差超过24%，且最大达68.5%，图3 所示黏聚力曲线形状呈现出与现场测试指标相背离形态。原位环刀采样器采样获取的黏聚力指标，与现场直剪试验获得的黏聚力指标之间，具有良好的线性相关性，最大偏差仅5.1%。

⑶内摩擦角指标的对比，内摩擦角指标如表3所示，各组内摩擦角指标变化曲线如图4所示。

表3 内摩擦角指标对比Tab.3 Internal Friction Angle Index Comparison

图4 内摩擦角指标对比曲线Fig.4 Internal Friction Angle Index Comparison Curve

通过表3 和图4 数据表明，采用清水回转钻进时，108采样器采样获得的内摩擦角指标比现场测试结果偏差超过13%，且最大高出107.7%，图4所示108采样器采样获取的内摩擦角曲线形状，波动幅度比现场直剪测试获得的内摩擦角指标小很多，呈明显的收敛形态。原位环刀采样器采样获取的内摩擦角指标，与现场直剪试验获得的内摩擦角指标之间，具有良好的线性相关性，最大偏差仅8.7%。

1.3 原因分析

通过以上试验结果显示，原位环刀采样器采取的试样，进行室内直剪试验，所获取的抗剪强度指标、含水量指标与现场试验值间均具有良好的线性关系。108厚壁采样器清水回转钻进，采取的试样样，进行室内直剪试验，所获取的指标与现场试验值间不具备线性关系，偏离幅度为含水率-18.0%～50.6%，黏聚力指标-21.0%～（-68.5%），内摩擦角指标-13.0%～107.7%。

108 厚壁采样器采样流程如图5 所示。对岩土采样基本都是需要经过野外打样、拆样、封装、保存、运输以及室内制作标准试件（环刀样）等多个环节。每一个操作步骤都对样品存在扰动。

图5 108厚壁采样器采样流程Fig.5 108 Sampling Flowchart of Thick Wall Sampler

原位环刀采样器采样如图6 所示，环刀放置于样筒内，测试样品打样时压入环刀内，在拆样、封装环节不对样品进行触碰。样品运输过程中，环刀、密封盖紧贴样品，刚性样筒保护样品不受外力冲击，环刀限制了样品松动以及样筒积水和应力释放。样筒两端拧紧密封盖完成样品密封，操作简单。

图6 原位环刀采样器采样流程Fig.6 Sampling Flowchart of In-situ Ring Knife Sampler

图5 所示108 厚壁采样器，用单缝铝皮装于半合管采样器内进行采样，拆样时样皮因弹性原因会与样品松开。封装时需把单缝铝皮裹回样品外周，两端用样盒盖相扣，再采用胶带裹缠样盒和口缝处，常因用力不当导致样品受力变形或与样盒无法完好贴合，样盒内存在松动和积水空间。进行浸蜡密封，常因蜡冷却后与铝皮间容易出现脱落，造成失水。运输中因柔性铝皮抗变形能力差，常出现样品被挤压变形，实验室内时常收到“歪头样”。样品失水、应力释放、结构破坏，是导致108厚壁采样器采取的岩土样，所测试获的指标，与现场直剪测试指标，之间存在较大偏差的原因。

2 工程实例

原位环刀采样器在边坡勘察、地铁勘察、地质灾害调查等工程实践中都有应用，本次研究选取广州增城某坡边坡应急抢险治理工程为例。勘察工作中采用原位环刀采样器，与108 厚壁采样器采样进行室内试验分析，以获取边坡岩土的物理力学指标，各指标统计值如表4所示。

表4某边坡勘察中原位环刀采样器采样与108护壁采样器采样的指标统计值对比Tab.4 Comparison of the Statistical Values of the Indicators Sampled by the Central Ring Cutter Sampler and the 108 Protective Wall Sampler in a Slope Investigation

每组样品由一个原位环刀采样器采的样，和一个108 厚壁采样器采的样组成。采样时先使用108 厚壁采样器采样，随后用原位环刀采样器采样，同一组的108 样底与原位环刀采样顶深度相距0.2 m。一共采取8组试样。按土工试验标准在室内进行各项指标测试。在获取的主要指标中，土的孔隙比指标e，饱和度指标Sr，黏聚力指标c，内摩擦角指标φ，天然密度指标ρ，天然含水率集中度（变异系），压缩系数指标α，压缩模量指标E等均有较大的差异。

本项目按两种方法获取的指标，分别进行治理方案设计和造价核算：①方案1，依据原位环刀采样器采样样品测试指标，设计的治理方案总造价为389多万元；②方案2，依据108 厚壁采样器采样样品测试指标，设计的治理方案总造价为630 多万元。按方案1 进行治理施工，通过1年来的变形监测表明，治理工作安全有效。节省治理费用超过240万元。

3 讨论

⑴ 工程建设活动经济性与安全性的平衡点问题，为准确确定岩土层物理力学指标。原位环刀采样器采样的主要价值在于，其能获取较为接近勘察时土体状态的物理力学参数指标。

⑵在原位直剪试验很难开展时，原位环刀采样器采样进行测试的指标，比当前常规方法更接近岩土体参数指标真值，用其替代现有常规方法更有利于工程建设活动。

⑶土的结构及其稳定性，随着地下水、振动、荷载作用等环境变化而变化。对土因环境变化，引起其物理力学性质变化，依托现有理论体系进行变形程度和致灾结果预测，预测结果的准确性与否，不仅决定于理论体系的适应性，也决定于演绎计算时其起始参数的准确性，故准确获取勘察时土体状态的参数指标极为重要。

4 结论

⑴原位环刀采样器采样获取的岩土物理力学指标，较108 厚壁采样器采样获取的理力学指标更接近真值。

⑵影响岩土物理力学指标偏离真值的原因，是样品的采取、封装、运输、抗变形、二次制作标准试件等环节，对土体结构造成的破坏。这种破坏具有正向和负向两方面影响，正向导致工程建设按测试指标进行设计和施工时出现不同程度的安全风险，负向导致按测试指标进行设计和施工时工程建设经济性较差。

⑶原位环刀采样器样品为直径61.8 mm，高20 mm的标准试件，无需多余的岩土层进行试件保护。不仅使室内固体垃圾产量比108 厚壁样减少了60%以上，还消除了石蜡、胶带、铝皮等一次性材料在工程建设活动中的使用，具有良好的环境效益。

⑷原位环刀采样器在整个采样和试件制作过程中，降低现场工人参与度，避免对样品结构的扰动。样筒采用带密封垫的盖子对样品进行密封，降低了样品密封封装的操作难度，提高了样品的密封效果。