原状土样的概念及取土的方法

原状土样的概念及取土的方法钻探工程是地质勘探工作获取实物地质资料（土样、岩矿样、水样和气样等）的重要手段。国家投入大量资金进行钻探工作，不仅要求提高钻进效率，更重要的是保证其采取样品的质量，这些样品的质量直接影响着工程地质调查、地质构造判断、矿产资源评价、水文地质调查，以及提交矿产储量的准确性与可靠性。因此，如何从钻孔中取全、取准可靠的实物地质资料是本专业的关键技术之一。水样和气样的采取比较特殊，本章重点介绍土样和岩矿样的采取。工程地质钻探的主要任务之一是在岩土层中采取岩心或原状土试样。在采取试样过程中应该保持试样的天然结构，如果试样的天然结构受到破坏，便称为扰动样。扰动样在工程地质勘查中是不容许的，除非明确说明另有所用，否则此扰动样作废。天然结构的原状试样有岩心试样和土试样。岩心试样的天然结构一般不易破坏，而土试样却很容易被扰动。按照取样方法和试验目的，岩土工程勘查规范对土试样的扰动程度分为如下的质量等级：Ⅰ级--不扰动，可进行土类定名、含水量、密度、强度参数、变形参数、固结压密参数试验。Ⅱ级--轻微扰动，可进行土类定名、含水量、密度试验。Ⅲ级--显著扰动，可进行土类定名、含水量试验。Ⅳ级--完全扰动，可用于土类定名。在钻孔取样时，用薄壁取土器采取的土样定为Ⅰ～Ⅱ级；用中厚壁或厚壁取土器采得的土样定为Ⅱ～Ⅲ级；用标准贯入器、螺旋钻头或岩心钻头所采得的粘性土、粉土、砂土和软岩试样皆定为Ⅲ～Ⅳ级。二、取土的方法1.压入法压入法（图7-1）分为连续压入法和断续压入法两种。前者是用滑轮组合装置将取土器一次快速地压入地层中，适用于较软土层中的取样；后者是将取土器分二次或多次压入地层中。2.击入法击入法一般适用于较硬与坚硬的土层取样，分为孔外击入法和孔内击入法两种。孔外击入法（图7-2）是在地表用吊锤打击钻杆上的打箍，将取土器击入地层中。孔内击入法（图73）是在孔内用重锤打击圆柱形定向器，将取土器击入地层中。孔内击入法结构简单，操作方便，取土效率高，土样拢动小，故一般常采用该法。3.回转击入法采取坚硬土层中的土样或岩样时，若上述取土方法无法采取，可采用机械回转钻进用的回转压入式取土器（双层取样器）。若须在岩层中采取原状样品时，可在岩心钻探的岩心中直接挑选原状样品。图7-1压入法1-钢丝绳；2-钻杆；3-固定滑轮；4-底梁；5-取土器图7-2孔外击入法1-吊锤2-打箍3-钻杆;4-取土器图7-2孔外击入法1-吊锤；2-打箍；3-钻杆；4-取土器图7-3孔内击入法1-钢丝绳；2-重锤；3-穿心杆；4-圆柱形定向器；5-钻杆；6-取土器图7-4取土器部分尺寸符号取土器的基本技术参数1.直径取土器的内外径尺寸（图7-4）是否合理，关系到土样的质量。若直径过小取上来的是扰动土样，若过大则给施工带来不便。设计取土器直径时，一般应考虑下列因素：(1)取土方法取土时土样与取土筒内壁产生摩擦，而造成土样边缘扰动，此扰动的宽度与取土方法有关。采用压入法或击入法扰动带宽度一般在10mm左右。(2)土层性质扰动带的宽度与土层性质有关，对于软土、黄土等易于扰动的土层，宜采用直径较大的取土器；反之，对于砂性土等扰动小的土层，可采用直径较小的取土器。(3)配合环刀直径目前土试验所用环刀直径有：61.5mm、64mm和80mm几种，土样直径除去扰动带宽度，还应稍大于环刀直径。2.面积比（Ar）面积比，系指取土器最大断面与土样断面之比的百分数。（7-1）式中：Dw--取土器管靴外径，mm；De--取土器管靴内径，mm。面积比越小，则土样所受的扰动程度就越小，要使面积比小，关键是减少取土器壁厚，但取土器太薄容易产生变形或破裂。目前常用的取土器面积比是根据土样种类而选用的。对一般粘性土和老粘性土可选用面积比小于30%，壁厚小于6mm的对开式取土器；而软粘土可选用面积比小于20%，壁厚为3～4mm的取土器。3.内间距比（Ci）内间距比即取土筒内径与刃口处内径之差对刃口处内径之比的百分数。内间距比是取土器内侧与土样间摩擦力的标志，摩擦力的作用使土样周围发生扰动，并阻止土样进入。故内间距比过小，将造成扰动宽度增加，若内间距比过大，摩擦力小，提取时，土样容易由土样筒内脱落。（7-2）式中：Ds--取土筒内径，mm。实践证明，在软粘土中取土器的内间距比以0.5%～1.0%为宜；一般粘性土以1.0%～1.5%为宜；老粘性土以1.3%～1.5%为宜。4.外间距比（C0）外间距比系指取土器筒靴外径与取土筒外径之差对于取土筒外径之比的百分数。外间距比是取土器外侧与土壤摩擦力的标志。外间距比大，取土器易于进入土层，但太大将会增大其破土面积，增加面积比。对一般粘性土和老粘性土的外间距比以1%为宜；对于软粘土取零。（7-3）式中：Dt-取土筒外径mm。按地层分类，常用取土器的基本技术参数如表7-1所示。表7-1取土器基本技术参数土层类别取土方法内径(mm)内间距比(%)外间距比(%)面积比(%)壁厚(mm)长度(mm)有效长度土样余土管管靴湿陷性黄土振动1401.0~1.52.0~3.012压入或击入120一般性粘土90~1001.0~1.51.030649024020050软粘性土0.5~1.01.0203~4640240300100较硬粘性土90~1001.51.0~2.030635020010050砂8000101.5~2.020020000砂质粘土800.5~1.00350200取土器的类型及结构1.取土器的类型取土器的种类很多，可按下述原则分类：(1)按取土器下部封闭形式分：敝口式和封闭式；(2)按取土器上部封闭形式分：球阀封闭式，活阀封闭式和活塞封闭式；(3)按取土器壁厚分：薄壁取土器，中壁取土器和厚壁取土器；(4)按地层分：土层、砂砾石层、砂层和淤泥层取样器。2.取土器的结构不同类型取土器其结构也不同，常用的原状取土器（图7-5）由接头、球阀、残余管、半合管、取样筒及管靴等部件构成。图7-5原状取土器1-钻杆接头；2-球阀；3-残余管；4-对开半合管；5-取样筒；6-管靴各部件的功能要求是：管靴应淬火处理，以保证有较大的强度、硬度和刚度；管靴刃口角度因切入土层性质不同而有差别，一般切入软土层时刃口角度较小，切入硬土层时较大，对一般土层，刃口角度约为10°；半开合管内装有取样筒，取样筒要求平整、圆度好、光滑；在半开管上部的残余管长度一般为300mm左右，供储存土样上部剩余土之用；阀门及其他密封装置的主要作用是排开孔内水柱对土样的压力，保护土样的采取效果。取样时，取土器内的水可随土样进入取样筒内，而随土样的压入冲开阀门，经上部排水孔排出流入孔壁间隙，提升取土器时，阀门关闭，孔内水不能进入取土器，起到密封作用。五、减少土样扰动的注意事项合理的钻进方法是保证采取不扰动土样的前提，特别对结构敏感或不稳定的土层尤为重要。从经验来看，主要注意如下几点：(1)在结构性敏感土层和较疏松的砂层中需采用回转钻进，而不得采用冲击钻进；(2)用泥浆护孔，可以减少扰动，并注意在孔中保持足够的静水压力，防止因孔内水位过低而导致孔底软粘性土或砂层产生松动或涌起；(3)取土钻孔的孔径要适当，取土器与孔壁间要有一定间隙，避免下放取土器时切削孔壁，挤进过多的废土，尤其在软土钻孔中，时有缩径现象，则更需加大取土器与孔壁的间隙；应保持钻孔孔壁垂直，以避免取土器切刮孔壁；(4)取土的前一次钻进不宜过深，以免下部拟取部位的土层受扰动。并应在正式取土前，把已受一定程度扰动的孔底土柱清理掉，避免废土过多，以及取土器顶部挤压土样；取土前还应准确丈量取土器深度和进尺深度等尺寸；(5)取土过程中每个操作工序，均应细致稳妥，以免造成扰动；取出的土应及时用蜡密封，并注明上下，贴上标签，做好记录；在土样封存、运输和开土做试验时，都应注意避免扰动，严防振动、日晒、雨淋和冻结。