圆锥动力触探试验机理及其在地勘中的应用探究

圆锥动力触探试验机理及其在地勘中的应用探究

余躔倧  

广西壮族自治区建筑科学研究设计院  广西南宁  530011

摘要：在当下工程实践中，动力触探的应用已成为一种普遍现象。该项技术既能够对地基土壤的承载力做相应的探测，也可测量地底某一深处基床的硬度。本文首先从概念、工作原理和影响因素三个方面介绍了圆锥动力触探试验，其次分享了一个工程实例，并对试验数据做了分析，使读者更容易把握圆锥动力触探试验的相关问题。

关键词： 圆锥动力触探试验；地基承载力；地质勘测

引言：动力触探具有很多优点，例如它所使用的设备简单、易操作、适用性比较广泛，而且使用便利的同时也能够保证测试数据的准确度，极大提高了工作的效率。该探测以检测地下某一深度土层的坚硬程度和地表土的承受力度为基础，使使用者能精准迅速地掌握地下土层的变化规律，因此在当下的工程实际操作中得到普遍运用。

一、关于圆锥动力触探试验

（一）概念

人们普遍接受在当下地质勘测的过程当中，运用圆锥动力触探试验是一种科学有效的方法，它也是一种在岩石类工程的勘测过程中的应用方法，通俗来讲，它使用规定重量的落锤，并将落锤放在规定的高度，让它做自由落体运动，使其打入到土壤当中，人们根据探头打入土层的不同的深度和难易程度，来判定土壤的不同性质[1]。通过此方法，不仅能检测地表土壤的均匀度，还可得到地表土层的相关力学指标，具备了钻探和测试的双重功效。

（二）工作原理

动力触探就相当于通过打入桩的工作原理在探头的周围塑造一个应力范围，在这一范围之内，土层的部分地带发生了变化，使探头周围的土壤形态得到了改变，在此情境中，土层对探头的阻力可以通过土壤的压密性和剪切性来体现。

同时，运用能量守恒定律也可以解释该试验的工作原理。穿心锤在自由落体时所产生的动能，是多种损失能量的总和。当我们确定了所要贯入的尺度h以后，根据探头的形态变化以此来选用相应质量的落锤，同时要根据指标的变化选定自由落体时的高度，根据锤击数N的变化来反映贯入阻力的数值和变化，因此在实践中通常采用锤击数作为试验的指标。

此外，根据落锤、探头以及探杆直径的不同，圆锥动力触探试验分为轻型、重型和超重型共三种类型。通常来讲，轻型多适用于黏性土和粉土。重型适用于砂土和碎石土，而超重型在风化岩石和碎石土方面应用较为广泛。当土层较为均匀且密度小，岩石自身强度较低时，圆锥所贯入的曲线就相对平稳，反之，贯入的曲线会呈现锯齿状的形态。

（三）影响因素

我们都知道，圆锥动力触探分为导杆、穿心锤、锤座、探杆和探头几个部分，而探杆杆长对勘测的结果具有影响。杆长如何影响试验数据有以下两种不同的看法：根据牛顿相关碰撞理论，我们可以知道，根据杆长的逐渐加长，通过探杆传递到探头的能量是递减的，由此导致试验数据容易偏大，因此需要对数据做相应的调整[2]。第二种看法是根据弹性波动理论来判断的，该理论认为杆长的增加并不意味着效能一直是在变化的，当杆长在小于10m的时候，效能是逐步增加的，但当其大于10m时，效能会趋于稳定，不会再产生数据上的变化，因此此时杆长对试验数据的影响能忽略不计。

同时，杆侧摩擦对试验数据也有着重要影响。尤其是在面对粘性程度较大的土壤中或者是富含有机物的土壤时，试验数据会产生很大的偏差，需要修正。在面对中密或密实的砂质性土壤时，试验数据不会产生较大的偏差。并且人们根据相关的试验数据和实践成果得出了如下结论:重型触探深度不高于15m，超重型小于20m时，干测摩擦对试验数据差生的影响可以忽视，对于刚接触的人或者操作不熟练的人来讲，可用泥浆来降低对侧壁摩擦的影响。

影响落锤试验数据的因素还有很多，既存在人为方面的影响因素也存在设备方面的影响因素，例如探头的磨损程度、触探杆的偏斜度、操作人员的操作方式以及熟练度等；同时试验数据还会受到土的性质、触探的深度和地下水的影响。

二、工程实例

在北海市的某一市政工程，想要建设一栋高五层，深入地下一层的用房，其结构的基本特征为剪力墙，基础的形式为筏板。为了做好这份工作，做圆锥动力触探试验是必不可少的。由于篇幅原因，本文只选取了几组试验数据作为分析。

在ZK133中，根据动力检测试验分为三个亚层，分别为：

①散的含粘性土碎石：深度0.00—1.4m，厚度为1.4m。

根据试验数据显示探测时最小的锤击数为1击，最大为5击，代表值为3.5击

②在中密粘性较大的碎石土壤中：深度1.4—1.6m，厚度为0.2m。

根据试验数据显示探测时最小的锤击数为15击，最大为18击，代表值为16.5击

③密实的含粘性土碎石：深度1.6—1.8m，厚度为0.2m

根据试验数据显示探测时最小锤击数为23击，最大锤击数为26击，动力触探锤击数代表值24.5击。具体如下图所示：

在ZK168中，根据动力检测试验分为四个亚层，分别为：

①松散的含粘性土碎石：深度0.00—0.60m，厚度为0.6m

根据试验数据显示探测时最小锤击数为2击，最大锤击数为3击，动力触探锤击数代表值2.5击。

②在稍密粘性较大的碎石土壤中;深度0.70—0.90m，厚度为0.3m。

根据试验数据显示探测时最小锤击数为5击，最大锤击数为9击，动力触探锤击数代表值7击。

③在中密粘性较大的碎石土壤中：深度1.00—1.4m，厚度为0.5m。

根据试验数据显示探测时最小锤击数为11击，最大锤击数为17击，动力触探锤击数代表值15.4击。

④密实的含粘性土碎石：深度1.5—1.6m，厚度为0.2m

根据试验数据显示探测时最小锤击数为21击，最大锤击数为24击，动力触探锤击数代表值22.5击。具体如下图所示：

三、试验结论

①在松散有粘性土的碎石土壤中，重型动力触探锤击数为1—7击，重型动力触探试验锤击数为2.4—4.3击，标准值为3.6击。根据《建筑地基检测技术规范》判定：如果土壤为粘性且呈松散状态，地基承载力特征值为160kPa，不满足设计承载力特征值的要求。

②在稍密粘性较大的碎石土壤中，重型动力触探锤击数为6—14击，重型动力触探试验锤击数为7.1—9.0击，标准值为7.4击。根据《建筑地基检测技术规范》判定：土壤为稍密状态，地基承载力特征值为200kPa，不满足设计承载力特征值的要求。

③在中密粘性较大的碎石土壤中，重型动力触探锤击数为22—30击，重型动力触探试验锤击数为12.6—16.6击，标准值为13.8击。根据《建筑地基检测技术规范》判定：土壤为中密状态，地基承载力特征值为400kPa，满足设计承载力特征值的要求。

④密实的含粘性土碎石，重型动力触探锤击数为21—30击，重型动力触探试验锤击数为19.4—27.2击，标准值为22.3击。根据《建筑地基检测技术规范》判定：土壤为密实状态，地基承载力特征值为700kPa，满足设计承载力特征值的要求。

在施工的过程当中，因为此次碎石层的密度种类多样且分布不均，所以要先判断地基土的类别，根据此次的试验数据来看，若想要兼顾承载力要求和工程经济性，地基承载力特征值为400kPa时是最合适的，基础型式可使用条形基础，基础受力层采用中密粘性较大的碎石土壤层，当然选用桩基并嵌入岩石层中能确保获得较高的承载力。

总结：通过对试验数据的分析，我们可以很清楚的得知，在该地层采用重型圆锥动力触探试验时，曲线呈现了锯齿状的特征，并且影响试验数据的因素也有很多，所以在采取相关实现数据时，相关人员要格外重视起来，在工程开展前，要格外的重视该区域范围的地质特征、河流状态和水文特征，同时要对该区域的地下水也要做详尽的调查。

经过实践，我们可以得到清晰的认知，圆锥动力触探试验对于复杂的地质结构是一种极为有效的勘测手段，具备简洁高效、适应性强的特点。当然也存在一些缺点，例如，不能进行采样检测，容易出现误差，因此在日常的操作中，要严格的按照规定施行，同时要多进行实践的积累。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院.JGJ 79—2012 建筑地基处理技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

[2]张成功 , 王予亮 , 姜红霞等 . 圆锥动力触探在强夯地基处理检测中的应用 [J]. 浙江建筑 ,2016,33(2)