0 引言

在城市输电线路建设中，输电线路勘测钻孔施工引发的土体运动会对周边地下设施产生不利影响，而且还会造成生态环境恶化。因此，掌握钻孔施工引起的土体变形规律是非常必要的。本文采用透明土试验技术并结合钻孔模型系统进行模拟试验，通过可视化手段分析透明土颗粒位移特点，对土体位移场模型进行分析，为输电线路勘测钻孔施工提供参考。

1 钻孔模型系统 1.1 透明土材料的特性

透明土的合成原理是选择与自然土体性质相似的均质固体颗粒作为自然土体的替代物，同时选用与均质固体颗粒折射率相同的孔隙流体作为液态水的替代物，并将孔隙流体材料充填在固体颗粒集合体的空隙中。由于二者折射率相同，光在其间传播不受阻碍，因此，由均质固体颗粒与孔隙流体合成的透明土具有很强的透光性^[1]。

选取的均质固体颗粒为熔融石英砂，熔融石英砂是天然结晶型石英石经1700~2500 ℃高温烧制，再经冷淬碎化而成。熔融石英砂颗粒内部极少存在微细裂纹、气孔、伤痕、杂质等缺陷面，透光性较好，整体透明度很高。在常温常压条件下，熔融石英砂各个方向的折射率均为1.4585^[2]。通过对多种流体材料进行试验测定，最终选用由2种衣车油兑合而成的矿物混合油作为合成透明土的孔隙流体。矿物混合油的折射率随温度、衣车油体积比的变化会发生改变，大致在1.44~1.46。对相应级配的熔融石英砂透明土进行了一系列基本性质试验、直剪试验及压缩试验，并与福建标准砂进行了对比，测试结果表明，熔融石英砂的岩土工程性质与天然砂土非常相近，具有模拟天然砂土的优良条件^[2]。2种材料的性质特点符合透明土的各项标准，是制备透明土的优良材料。

1.2 试验装置

本次试验装置为自行设计与加工，其组成要素均与原型钻孔设备保持几何与物理要素的对应，从而使试验过程与原型钻孔工程保持一致。试验主要装置由钻孔模型系统和数字图像观测系统2部分构成。

1.2.1 钻孔模型系统

按照试验要求，选用回转式钻机作为钻孔模型系统的试验原型。根据透明土层的工程地质特点，钻头选用刮刀型PDC钻头，并对PDC钻头的冠部形状、切削齿结构以及布齿方式进行合理化设计^[3]。选用3个规格相同的迷你气压缸和固定板组成给进升降装置（见图 1）。固定板由绝缘板材料制成，尺寸为140 mm×140 mm。为了保证钻进压力的稳定输出，在固定板上开设3个直径10.82 mm的圆形小通孔和1个直径40 mm的圆形大通孔，大孔位于固定板中央，小孔位于以固定板中心为重心、边长为96 mm的等边三角形的3个顶点位置。将直线形气动钻机插入大孔，用2根螺丝钉顶丝固定，使之与固定板成为1个整体；将气压缸活塞杆分别插入3个小孔，用反丝螺母固定，使气压缸组与固定板成为1个整体，由此构成的给进升降装置利用气压缸活塞杆带动固定板与气动钻机共同运动，实现装置的给进升降动作。由空气压缩机、气压表、压力调节阀、PU气动管和气管转接头组成气压传动装置。通过气压传动装置将空气输送到给进升降装置，为给进升降装置气压缸提供动力来源，充当钻孔模型系统的动力设备。

1.2.2 数字图像观测系统

数字图像观测系统是以刘金元等人开发的透明土光学测量系统为主要依据而建立的^[4]，主要包括相机、激光发射器、图像采集存储系统等设备。相机为CCD高速相机，配有尼康AF50 mmf/1.4D标准镜头。激光发射器为波长650 nm、功率50 mW的半导体激光发射器，内部配备线性模组，可以发出片状激光。图像采集存储系统采用与CCD高速相机配套的高速图像存储处理系统。在试验过程中，经激光发射器形成的激光切面散斑图像可通过图像采集存储系统进行收集与储存，完整记录钻孔过程中激光切面散斑图像的全部变化过程。

采用PIV软件对散斑图像进行相关分析，获取图像中的颗粒位置变化^[5]，从而获得连续时间内砂体内部剖面的变形场与速度场。

1.2.3 试验步骤

（1）按照试验方案，将设备相互连接，使其成为固定刚体。

（2）通过计算机启动图像采集存储系统，关闭外光源，调整激光器与CCD高速相机位置，使其满足视场要求，以获得较为清晰的图像。根据试验方案设置图像采集存储系统参数，完成图像采集准备。

（3）参数设定后，开始图像采集。打开空气压缩机气阀，待气流输出稳定后，打开总开关和支路开关。给进升降装置带动钻机钻入透明土层，钻孔试验开始。

（4）在试验过程中，应保证激光光源亮度稳定，避免外界因素引起光线变化。

（5）待气动钻机的钻杆旋转到模型槽底部时，停止图像采集，保存数据。

（6）关闭总支路开关，完成试验。

2 试验结果分析

在钻孔过程中，土体在钻头和钻杆的旋转与冲击作用下沿一定方向运动，形成特定位移场。采用深径比（钻头钻进深度h与钻头直径d的比值）指标对土体运移形态进行描述，同时将图中像素坐标与土体颗粒位移以钻头直径的倍数表示，如土体位移为0.26d。图像中像素坐标与实际距离的比值为0.2375 pix/mm。

2.1 土体位移场形态特点

土体颗粒在不同的区域位置受到的应力不同，其速率以及土体受扰动范围差别较大。对图像进行相关分析，发现土体位移场存在2种差别较大的变形模式，即抛物线包络型位移场和整体柱状型位移场。

2.1.1 抛物线包络型位移场

图 2为土体在气动钻机钻压30 N、转速250 r/ min，颗粒粒径0.5~1 mm条件下形成的位移场云图。

通过图像分析，发现在钻压较小、转速较低及土体颗粒粒径较小的弱影响状态下，土体位移场存在如下特点：在钻体影响区域内（即图 2中央粉色区域），土体位移场主要表现为沿垂直方向发展的柱状形式，此区域土体颗粒位移速率最大；在外部扩展区域内（即图 2红黄绿蓝等区域），不同颜色代表的不同位移速率的土体位移场（从蓝色到粉色土体颗粒位移速率逐渐增大）以抛物线形式整齐地包络在柱状位移场外。具有此种发展规律的位移场统称为抛物线包络型位移场。

图 3为抛物线包络型位移场轮廓图，图中数值为土体标准化位移，r表示钻头半径。从图 3可以看出，在柱状土体位移场以外，扩展区域土体粒群位移带按照速率大小构成形态一致的抛物线形位移场。在水平方向上，以钻杆轴线为对称轴，土体位移与钻杆轴线的水平距离呈反比例，位移场距钻杆轴线越远，位移越小。在垂直方向上，位移场距土层表面越近，位移越大。沿着水平方向位移场的影响范围较大，以颗粒粒径0.5~1 mm的试样为例，其最大影响范围可达14.7r左右。

2.1.2 整体柱状型位移场

图 4为土体在气动钻机钻压30 N、转速250 r/ min，颗粒粒径3~5 mm参数条件下形成的位移场云图。

通过图像分析发现，在钻压较大、转速较高及土体颗粒粒径较大的强影响状态下，土体位移场存在如下特点：在钻体影响区域内，土体位移场主要表现为垂向发展的柱状形式；在外部扩展区域内，各速率范围的土体位移场分布形式主要受柱形位移场控制，其外廓线与柱状位移场非常一致，同时影响范围非常小。扩展区各位移场如薄板一般包裹在柱形位移场周边，与柱形位移场共同构成具有相同规律的变形模式，因而将这种柱形位移场为主要发展模式的位移场模型统称为整体柱状型位移场。

整体柱状型位移场与抛物线包络型位移场的最大区别在于扩展区内土体位移场的分布。图 5为颗粒粒径3~5 mm的土体位移轮廓图，从图 5可以看出，在水平方向上以钻杆中轴线为中心，土体位移与场域方位到钻杆中轴线的水平距离呈反比例关系，距钻杆轴线越远，土体位移越小；但随着钻进深度的增加，在水平方向上，扩展区位移场没有表现出明显的横向拓展趋势，而是沿内部柱状位移场的拓展轨迹发展，其外廓线形式与柱状位移场非常一致，直接反映出扩展区土体位移场的分布只受内部柱状位移场的控制和影响。沿水平方向位移场影响范围较小，以颗粒粒径0.5~1 mm的试样为例，其最大影响范围仅为3.2r左右。

2.2 抛物线包络型位移场速度形式

对土颗粒粒径、钻压和转速等因素进行试验分析，发现整体柱状型位移场在发展过程中，中部钻体影响区位移形态与外侧扩展区位移形态逐渐相同，其发展模式也向抛物线包络型位移场转变，整体柱状型位移场必然发展为抛物线包络型位移场模式，土体位移场也将以统一规律的变形模式发展。因此，以下重点对抛物线包络型位移场的运移形式进行描述。

2.2.1 水平方向

图 6a为气动钻机钻压30 N、转速250 r/min、颗粒粒径0.5~1 mm试验条件下不同水平方向土体颗粒位移速率沿x轴分布图。对试验结果中不同水平方向土体颗粒位移速率进行计算，发现其分布符合高斯函数形式。具体表达式如下：

(1)

式中v（x，y）-点（x，y）处的速率；

a、b、c-高斯函数系数。

根据钻孔过程中土体颗粒的运移特点，可以认为土体为连续体，对各水平方向速率拟合公式进行积分，可以得到单位厚度土体的位移体积量：

(2)

式中I₁-大于0的常量，主要受土粒自身性质、转速、钻进压力等因素的影响。

通过公式（2）计算结果显示，各水平方向土体位移基本稳定，其单位厚度的土体位移体积量可由常量I₁表示。

2.2.2 垂直方向

图 6b为钻压30 N、转速250 r/min、颗粒粒径0.5~1 mm试验条件下不同垂直方向土颗粒位移速率沿y轴分布图。对垂直方向的速率进行计算，发现其分布符合对数函数形式：

(3)

式中I₂、I₃-大于0的常量，主要受砂体性质、转速、钻进压力等因素的影响。

由于水平方向速率的分布形式为高斯函数式，当横向坐标位于钻体中轴线位置，即x=b（在水平方向上，柱形位移场具有一定的宽度，为便于计算，将中部钻体影响区柱形位移场宽度记为坐标b）时，在水平方向上的任意速率坐标v（x，y）均取最大值，记为v（b，y）=a。将v（b，y）带入垂直方向y轴速率分布式（3），得公式（4）：

(4)

由公式（1）和公式（2）得公式（5）：

(5)

将公式（4）带入（5）得公式（6）：

(6)

公式（6）即为抛物线包络型土体位移场的近似速率表达式。

对不同参数条件下试验结果进行分析，发现I₁主要受土体颗粒粒径影响。随着粒径的增大I₁逐渐减小；I₂主要受钻压的影响，随着钻压的增大I₂逐渐增大；I₃由土颗粒粒径、钻进压力以及转速等参数共同决定。由于输电线路钻孔深度较小，因此在线路勘测过程中，实际地层的土颗粒粒径和工作参数（钻压与钻速）在钻孔过程中保持不变，即I₁、I₂、I₃不变，因此公式（6）中I₁、I₂、I₃值可看为常数值。

3 结论及建议

对于抛物线包络型位移场，无论是在水平方向还是在垂直方向，其外围扩展区影响范围均大于内侧柱状形位移场。随着钻进深度的增加，外围扩展区位移场的影响面积增加量也远大于内侧柱状形位移场。因而在实际的输电线路工程中，虽然钻体周边的柱状形位移场的位移速率较大，对土体的扰动程度也大，但在具体施工中，应在完成预定深度的钻孔工作后，尽量减少钻孔深度，从而减小外围扩展区抛物线形位移场的影响范围，减少对原有土体的应力扰动，避免对邻近地下电缆、管廊等造成破坏，同时避免土层表面的隆起造成地表破坏。

对于整体柱状型位移场，无论是在水平方向还是在垂直方向，内侧柱状形位移场影响范围远大于外围扩展区位移场，随着钻进深度的增加，内侧柱状形位移场的垂向面积增加量也远大于外围扩展区位移场，整体柱状型位移场的变形特征与发展趋势均取决于内侧柱形位移场。在实际的输电线路工程中，若各施工参数相对较大，在施工区域内应重点控制内侧柱形位移场的发展，该区域土体位移速率大，并且控制整体柱状型位移场的发展。在具体工作中应采取措施，防止钻体周边区域的土体变形对原有土体产生大规模应力扰动，避免对邻近地下电缆、管廊等造成破坏。