本发明涉及一种高原冰碛层原状土样的取样方法，尤其涉及一种大尺寸非饱和结构性高原冰碛层原状土样的取样方法。
背景技术：
冰碛土是由冰川作用堆积而成的土，一般由冰川堆积的块石、碎石、角砾、砂以及少量的粉土和粘性土组成。冰碛层分布区海拔一般在3500m以上，工程建设少，冰碛层研究程度低，工程经验缺乏。近年中国在冰碛层分布区已建或在建部分重大工程项目，如康定机场、稻城机场、川藏高速公路、川藏铁路等，对冰碛层工程特性研究取得了初步成果，具体如下：
(1)冰碛层颗粒级配差，分布不均匀，层位变化大，属典型的不均匀地基。台丘岭脊区冰碛层颗粒粗，处于非饱和状态，一般具有超固结和泥质胶结特征，结构强度高，压缩性低、承载力高；沟谷区冰碛层以砂土、粉土为主，颗粒细、多松散，压缩性高、承载力低，多具有液化特性。
(2)水文地质条件复杂，具有含水层厚薄不均，渗透系数变化大，潜水、承压水交错分布的特点。原场地冰碛层在地下水长期作用下会发生渗透变形破坏；在工程作用下，冰碛层结构破坏，渗透性加强，短期内可发生渗透破坏。
(3)细粒为主的冰碛层结构破坏后，在水的浸泡作用下，承载力、抗剪性能等迅速衰减，甚至丧失。
高原环境艰苦，试验条件差，在现场进行冰碛层结构、成分、渗透、变形机理等相关试验研究难度大，成本高，需要采取大尺寸样品运至内地的实验室进行试验和研究。但冰碛层中含有碎石、角砾、砂等粗粒物质，一般具有超固结特性和泥质胶结特征，具有结构性强的特点，采取大尺寸原状样品时易散碎、易开裂，目前还未见有采取大尺寸高原冰碛层原状土样的文献。
现有的采取冰碛层样品方法有以下几种：
1、在设计的深度上，首先切出冰碛层圆柱，然后套上铁皮圆桶；挖出圆柱，用刮灰刀等修平顶面和底面，盖上铁皮盖，现场用胶带密封，填写并贴上标签。
2、使用钻机钻至取样位置清孔后，将厚壁敞口取土器用钻杆连接放入孔底，然后利用钻机重量，通过主动钻杆向取土器施压，将取土器压入冰碛层中；提出取土器，取出样品，用刮灰刀等修平顶面和底面，盖上铁皮盖，现场用胶带密封，填写并贴上标签。
3、使用钻机钻至取样位置清孔后，将厚壁敞口取土器用钻杆连接放入孔底，然后利用钻机卷扬机垂直升降重锤锤击钻杆，将取土器快速贯入冰碛层中，切取样品；取出样品，用刮灰刀等修平顶面和底面，盖上铁皮盖，现场用胶带密封，填写并贴上标签。
4、使用钻机钻至取样位置清孔后，采用半盒管式双管单动钻具钻至设计取样深度以下，取出钻具；打开钻具，取出样品，按土样盒长度切取样品；将样品装入土样盒，用胶带密封，填写并贴上标签。
5、采集的样品一般采用胶带或薄层石蜡密封，容易失水，保存时间短。
上述传统取样方法存在各自缺陷，具体如下：
1、无论机械还是人工的传统方法采样时，均不能采取大尺寸样品；由于样品太小，样品受到扰动较大，尤其是当样品中含有碎石、角砾和粗砂时，样品往往破裂，不能很好地保持冰碛层结构。
2、样品体积小时，由于样品中不能包含碎石、角砾，所以不能真实地反映冰碛层的结构特征和工程性质。
3、传统方法采取的冰碛层样品在高原地区容易失水，即使密封良好，在样筒壁常形成一层水珠或水雾，含水量减小，冰碛层物理力学性质发生较大变化，保存时间短。
4、传统的取样方法所取得的冰碛层样品尺寸小，一般不大于89mm，最大108mm，半盒管法取得的土样仅有75mm，不能满足大尺寸样品试验的要求；
5、钻机静压法采样时，由于冰碛层中含有碎石、角砾，静压难以压入地层中，或者在压入过程中样品结构被破坏；钻机锤击法采样时，由于锤击振动影响，冰碛层结构性受到扰动，样品经常性被破坏；半盒管法采样时，在钻进过程中受到水的浸泡，不仅含水量发生较大变化，更重要的是其结构受水影响发生湿化、崩解软化；人工探坑(井)采样时，在高原地区，人的灵巧性大为降低，极易将样品边缘附近物质松动而造成样品破坏，同时受高原复杂多变气候影响，样品采样过程中就发生降水湿化、冻融等破坏。
6、传统方法能满足一般建筑试验要求，但不能满足采用原状土样进行大型试验对样品尺寸、扰动程度、物理力学性质及保存时间上要求。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种大尺寸非饱和结构性高原冰碛层原状土样的取样方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种大尺寸非饱和结构性高原冰碛层原状土样的取样方法，包括以下步骤：
(1)选定并处理采样中心孔：在选定的拟采样位置的中心处钻孔，钻孔深度大于拟采样品高度，若钻孔过程中发现风化碎石，则放弃该采样点，另选位置钻孔，直到选出满足要求的采样中心位置并完成该位置钻孔；完成钻孔并退出钻头后，立即在孔内注满密封胶，完成采样中心孔的选定和处理；
(2)选定并处理采样周边孔：在采样中心孔的周围画出拟采样品的样品边界环线，再在样品边界环线外画出外边界环线，在样品边界环线与外边界环线之间的环形区域按一定间距设置多个周边孔钻孔点并分别钻孔，钻孔深度大于拟采样品高度，若钻孔过程中发现风化碎石，则放弃该采样点，重复前面所有步骤；完成钻孔并退出钻头后，立即在孔内注满密封胶并插入钢丝至孔底，完成采样周边孔的选定和处理，采样周边孔的直径大于或等于采样中心孔的直径；
(3)样品柱的形成与原地预处理：在外边界环线以外开挖形成环形坑，被环形坑包围的位置形成初始样品柱；在初始样品柱上包裹纱布，再在外部套上外筒，再在外筒内的顶部浇入热溶后的液态石蜡并盖上顶盖，静置至石蜡冷凝，完成样品柱的形成和原地预处理；
(4)样品柱的移出：切割样品柱的底部直至断裂，将样品柱移出并放置在平坦处；
(5)样品柱的后期处理与样品的形成：托住顶盖，将样品柱倒立放置，即将顶盖置于底部，然后在顶盖与外筒的缝隙中浇入热溶后的液态石蜡；在外筒内的土柱的底部包裹纱布，然后在外筒内的底部浇入热溶后的液态石蜡并盖上底盖，静置至石蜡冷凝；将样品柱再次翻转，使其顶面朝上；在样品柱的外部包裹塑料膜，并运输至实验室，完成取样。
作为优选，所述步骤(1)的具体方法包括以下步骤：
(1.1)在选定的拟采样位置的中心，用φ5mm的金刚石钻头，钻至设计采样深度以下10cm，钻探深度为拟采样品顶面以上10cm+样品高度+拟采样品底面以下10cm，拟采样品上、下10cm均为样品保护层；如钻探过程中发现垂向高度大于10cm的中风化、微风化碎石，或者在拟采样品顶部和底部设计深度±3cm范围内发现垂向高度大于5cm的中风化、微风化碎石，则放弃该采样点，另选位置；按上述方法进行钻探直至选出满足要求的采样中心位置；
(1.2)降低钻速，缓慢退出钻头后，马上用连接优质密封胶的φ4mm空心尖头钢管，缓慢旋转插入已打好的孔中；
(1.3)采用边注胶边上拔空心管的方式将密封胶注入该孔中，直至完全注满整个钻孔，完成采样中心孔的选定和处理；
所述步骤(2)的具体方法包括以下步骤：
(2.1)在采样中心孔的周围画出拟采样品的样品边界环线，再在样品边界环线外10cm处画出外边界环线，在样品边界环线与外边界环线之间的环形区域内按10cm间距设置多个周边孔钻孔点，用φ8mm的金刚石钻头钻至设计采样深度下10cm；
(2.2)降低钻速，缓慢退出钻头后，马上采用连接优质密封胶的φ6mm空心尖头钢管，缓慢旋转插入已打好的细孔中，采用边注胶边上拔空心管的方式将密封胶注入该孔中，直至完全注满整个钻孔，然后立即插入φ2～3mm的细钢丝至钻孔底部；
(2.3)如钻探过程中发现垂向高度大于10cm的中风化、微风化碎石和在拟采样品采样底部设计深度±3cm范围内发现垂向高度大于5cm的中风化、微风化碎石，则放弃该采样点，另选位置，重复前面所有步骤，直至选出满足要求的采样要求位置；
(2.4)在样品边界环线与外边界环线之间的环形区域内，按间距2～3cm加密钻孔，并用φ5mm的金刚石钻头，钻至设计采样深度下10cm，按步骤(2.2)的方法注入密封胶，并插入φ2mm的细钢丝至钻孔底部，完成采样周边孔的选定和处理；
所述步骤(3)的具体方法包括以下步骤：
(3.1)在外边界环线外50cm处用铁锹开挖宽度0.8-1.2m的环形坑，深度至拟采样深度下0.8-1.2m，被环形坑包围的位置形成初始样品柱；
(3.2)用小铁锹和取土刀小心地将初始样品柱外的土层削除至拟采样深度下10cm，遇到碎石，尤其是直径较大碎石时，用小刀将碎石周边细粒物质掏出，然后取出碎石，并用c30快硬混凝土填平凹坑；
(3.3)将密目纱布包裹在初始样品柱上，并用细麻丝缠绕固定；
(3.4)套上壁厚为0.2-0.4mm、高度为21cm+拟采样品高度的铁皮筒，在铁皮筒外壁标清土样上下方向，标注土样编号、尺寸、采样日期等参考信息，铁皮筒内壁与土柱侧面细麻丝之间的间距为1.5-2.5cm，顶端高出顶面密目纱布2-5mm；
(3.5)均匀地浇入热溶后的液态石蜡至铁皮筒顶面，并盖上深度不小于5cm、壁厚为0.2-0.4mm的铁板顶盖，静置至石蜡冷凝，完成样品柱的形成和原地预处理；
所述步骤(4)的具体方法包括以下步骤：
(4.1)用小铁锹和取土刀小心地将外边界环线外的土层削除至铁皮筒底下10cm；
(4.2)用细齿薄片手板锯小心地从铁皮筒底下10cm处环绕四周将土柱锯断；当遇碎石时，停止切割，按步骤(4.1)的方法将土柱再往下削除10cm，然后再用手板锯将样品割断；若再遇碎石，则用口径0.1mm的压力水枪从锯齿割缝处进行辅助切割；
(4.3)当土柱被割断或碎石四周的细粒物质被切割完成后，插入厚度为0.8-1.2mm的钢板条，轻抬钢板条将样品柱移至平坦位置，完成样品柱的移出；
所述步骤(5)的具体方法包括以下步骤：
(5.1)托住顶盖，将样品柱轻轻倒立放置在下部垫有钢板的泡沫板上，钢板厚度为0.8-1.2mm且表面水平，泡沫板厚度为0.8-1.2mm且表面水平；
(5.2)在顶盖与筒身外侧壁的缝隙中浇入热溶后的液态石蜡；
(5.3)待石蜡冷凝后用小刀和刮灰刀将土柱底面刮平，当底面有碎石而无法整平时，用小刀边掏碎石周边细粒物质，边轻击碎石方式，将碎石取出；
(5.4)在掏出碎石的土柱底面的凹坑中填入快硬c30混凝土至铁皮筒底面，并用刮灰刀整平；
(5.5)将尺寸略大于样品柱底面的密目纱布包裹在样品柱的底面，并用细麻丝缠绕固定后浇入热溶后的液态石蜡，盖上深度不小于10cm的底盖，用力下压底盖使其与筒身底端接触；
(5.6)待石蜡冷凝后，托住顶盖和底盖将样品柱翻转，使其顶面朝上；
(5.7)将样品柱用厚层塑料薄膜包裹，并用胶带固定；装入底部垫有厚度为4-6cm的泡沫板的木箱中，四周用碎泡沫板紧密填塞至箱顶部，盖箱顶板；
(5.8)将木箱装车，平稳运输至试验室，完成取样。
本发明的有益效果在于：
本发明所述取样方法操作方便、扰动小、防冲击性好、费用低且易于运输，尤其适合大尺寸非饱和结构性高原冰碛层原状土样的取样，所采取的样品可满足采用冰碛层原状土样进行大型土工试验过程中对土样尺寸、搬运维护、扰动程度、物理性质保持及保存时间要求。具体优点如下：
1、经对比试验，高原冰碛层样品失水、冻融、结构破坏和开裂主要发生在样品顶、底面和侧面8～10cm范围内；采样人工作业，在拟采样品边界外钻小孔后贯入优质密封胶和插入细钢丝，在样品周边形成约10cm厚的保护层，保护层不仅具有良好的隔震作用，而且还具有较好强度，可有效减轻采样、运输过程对样品扰动，同时具有防止在高原地区日照、雨雪、冰冻等恶劣条件下，样品在采取、运输过程中水分流失、湿化、冻融等不良作用，而且还可避免样品运到内地后至试验之前的吸潮湿化而改变冰碛层的物理性质和结构特征；
2、优质密封胶能将钻孔过程中产生的孔壁细粒物质和裂纹粘结，保持样品保护层的完整性；
3、侧面保护层结构与样品结构有较大差异，在试验室能方便地去除；
4、铁皮筒身和筒盖内壁与密目纱布间有约2cm厚的石蜡，不仅具有足够的密封性，能够最大限度地保护样品的物理性质，而且在大气环境中还具有隔热、防寒作用，同时在试验室通过铁皮筒身和筒盖外壁加热取出筒身和筒盖时而不影响样品性质；
5、采用壁厚约0.3mm的带盖铁皮筒，具有足够强度，能有效地避免外力对样品的冲击作用；
6、在底部含有碎石的拟采样品深度下20cm，采用压力细水柱喷割，既利用水力冲刷作用，又充分利用冰碛层遇水软化特点，将细粒部分与碎石分离，最大限度地减小了切割碎石对样品扰动；
7、密封后的样品装入底部设置泡沫板的木箱，样品与木箱间用碎泡沫板紧密填塞，不仅具有良好的防振、防倾倒、防撞击效果，而且还有隔热、防冻作用，同时便于机械搬运。
具体实施方式
下面结合优选实施例对本发明作进一步说明：
优选实施例：
采用以下步骤对大尺寸非饱和结构性高原冰碛层原状土样进行取样：
(1)选定并处理采样中心孔，具体包括以下步骤：
(1.1)在选定的拟采样位置的中心，用φ5mm的金刚石钻头，钻至设计采样深度以下10cm，钻探深度为拟采样品顶面以上10cm+样品高度+拟采样品底面以下10cm，拟采样品上、下10cm均为样品保护层；如钻探过程中发现垂向高度大于10cm的中风化、微风化碎石，或者在拟采样品顶部和底部设计深度±3cm范围内发现垂向高度大于5cm的中风化、微风化碎石，则放弃该采样点，另选位置；按上述方法进行钻探直至选出满足要求的采样中心位置；
(1.2)降低钻速，缓慢退出钻头后，马上用连接优质密封胶的φ4mm空心尖头钢管，缓慢旋转插入已打好的孔中；
(1.3)采用边注胶边上拔空心管的方式将密封胶注入该孔中，直至完全注满整个钻孔，完成采样中心孔的选定和处理；
(2)选定并处理采样周边孔，具体包括以下步骤：
(2.1)在采样中心孔的周围画出拟采样品的样品边界环线，再在样品边界环线外10cm处画出外边界环线，在样品边界环线与外边界环线之间的环形区域内按10cm间距设置多个周边孔钻孔点，用φ8mm的金刚石钻头钻至设计采样深度下10cm；
(2.2)降低钻速，缓慢退出钻头后，马上采用连接优质密封胶的φ6mm空心尖头钢管，缓慢旋转插入已打好的细孔中，采用边注胶边上拔空心管的方式将密封胶注入该孔中，直至完全注满整个钻孔，然后立即插入φ2～3mm的细钢丝至钻孔底部；
(2.3)如钻探过程中发现垂向高度大于10cm的中风化、微风化碎石和在拟采样品采样底部设计深度±3cm范围内发现垂向高度大于5cm的中风化、微风化碎石，则放弃该采样点，另选位置，重复前面所有步骤，直至选出满足要求的采样要求位置；
(2.4)在样品边界环线与外边界环线之间的环形区域内，按间距2～3cm加密钻孔，并用φ5mm的金刚石钻头，钻至设计采样深度下10cm，按步骤(2.2)的方法注入密封胶，并插入φ2mm的细钢丝至钻孔底部，完成采样周边孔的选定和处理；
(3)样品柱的形成与原地预处理，具体包括以下步骤：
(3.1)在外边界环线外50cm处用铁锹开挖宽度0.8-1.2m的环形坑，深度至拟采样深度下0.8-1.2m，被环形坑包围的位置形成初始样品柱；
(3.2)用小铁锹和取土刀小心地将初始样品柱外的土层削除至拟采样深度下10cm，遇到碎石，尤其是直径较大碎石时，用小刀将碎石周边细粒物质掏出，然后取出碎石，并用c30快硬混凝土填平凹坑；
(3.3)将密目纱布包裹在初始样品柱上，并用细麻丝缠绕固定；
(3.4)套上壁厚为0.2-0.4mm、高度为21cm+拟采样品高度的铁皮筒，在铁皮筒外壁标清土样上下方向，标注土样编号、尺寸、采样日期等参考信息，铁皮筒内壁与土柱侧面细麻丝之间的间距为1.5-2.5cm，顶端高出顶面密目纱布2-5mm；
(3.5)均匀地浇入热溶后的液态石蜡至铁皮筒顶面，并盖上深度不小于5cm、壁厚为0.2-0.4mm的铁板顶盖，静置至石蜡冷凝，完成样品柱的形成和原地预处理；
(4)样品柱的移出，具体包括以下步骤：
(4.1)用小铁锹和取土刀小心地将外边界环线外的土层削除至铁皮筒底下10cm；
(4.2)用细齿薄片手板锯小心地从铁皮筒底下10cm处环绕四周将土柱锯断；当遇碎石时，停止切割，按步骤(4.1)的方法将土柱再往下削除10cm，然后再用手板锯将样品割断；若再遇碎石，则用口径0.1mm的压力水枪从锯齿割缝处进行辅助切割；
(4.3)当土柱被割断或碎石四周的细粒物质被切割完成后，插入厚度为0.8-1.2mm的钢板条，轻抬钢板条将样品柱移至平坦位置，完成样品柱的移出；
(5)样品柱的后期处理与样品的形成，具体包括以下步骤：
(5.1)托住顶盖，将样品柱轻轻倒立放置在下部垫有钢板的泡沫板上，钢板厚度为0.8-1.2mm且表面水平，泡沫板厚度为0.8-1.2mm且表面水平；
(5.2)在顶盖与筒身外侧壁的缝隙中浇入热溶后的液态石蜡；
(5.3)待石蜡冷凝后用小刀和刮灰刀将土柱底面刮平，当底面有碎石而无法整平时，用小刀边掏碎石周边细粒物质，边轻击碎石方式，将碎石取出；
(5.4)在掏出碎石的土柱底面的凹坑中填入快硬c30混凝土至铁皮筒底面，并用刮灰刀整平；
(5.5)将尺寸略大于样品柱底面的密目纱布包裹在样品柱的底面，并用细麻丝缠绕固定后浇入热溶后的液态石蜡，盖上深度不小于10cm的底盖，用力下压底盖使其与筒身底端接触；
(5.6)待石蜡冷凝后，托住顶盖和底盖将样品柱翻转，使其顶面朝上；
(5.7)将样品柱用厚层塑料薄膜包裹，并用胶带固定；装入底部垫有厚度为4-6cm的泡沫板的木箱中，四周用碎泡沫板紧密填塞至箱顶部，盖箱顶板；
(5.8)将木箱装车，平稳运输至试验室，完成取样。
通过上述取样方法所采取的样品可满足采用冰碛层原状土样进行大型土工试验过程中对土样尺寸、搬运维护、扰动程度、物理性质保持及保存时间要求。在试验工程中，本发明所述取样方法应用于四川康定机场、四川稻城机场等高原冰碛层分布区的重点工程中，采取尺寸直径80cm×高50cm、直径50cm×高30cm、长53cm×宽49cm×高51cm的样品，共计105个，用于离心试验、大体积渗透变形试验、大体积湿化试验、大体积剪切试验等；经逐一检查，96％样品未发现裂纹、压碎、振碎、破损现象，含水量变化小于1％；4％样品发现细裂纹，但含水量变化小于1％，总体上效果良好。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。