動力觸探試驗講議.ppt

第4章 圓錐動力觸探試驗,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 試驗的基本原理,第三節(jié) 試驗的技術要求,第四節(jié) 試驗影響因素分析,第五節(jié) 試驗的資料整理及應用,第一節(jié) 概 述,一、動力觸探試驗的定義 二、動力觸探試驗的優(yōu)點及適用性 三、動力觸探技術的發(fā)展 四、動力觸探試驗的分類 五、動力觸探試驗的目的,一、動力觸探試驗的定義 （dynamic penetration test，DPT ）,利用一定的錘擊能量，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)打入土中的難易程度來判別土層工程性質的一種現(xiàn)場測試方法。 判別指標采用的是貫入一定深度的錘擊數(shù)。,第一節(jié) 概 述,二、動力觸探試驗的優(yōu)點及適用性,優(yōu)點：試驗設備相對簡單，操作方便，適應土類較廣， 并且可以連續(xù)貫入。 缺點：試驗誤差較大，再現(xiàn)性較差。 適用土類：對難以取樣的各種填土、砂土、粉土、碎石 土、砂礫土、卵石、礫石等含粗顆粒的土類。,三、動力觸探技術的發(fā)展,1. 國際上 動力觸探的發(fā)展歷史較長。最先在歐洲各國得到廣泛應用，就是因為這些國家廣泛分布著粗顆粒土層及冰積層，取土樣比較困難，適合采用動力觸探方法。 2. 在國內 （1）50年代初由南京水利實驗處引進推廣。 （2）至50年代后期得到普及，很多單位做了很有價值的試驗研究，積累了大量的使用經(jīng)驗。,（3）70年代制定了相應的規(guī)范，在試驗設備類型上趨于統(tǒng)一和標準化，加快了發(fā)展進程。 （4）目前，已成為我國粗顆粒土的地基勘察測試的主要手段。,四、動力觸探試驗的分類,1國際分類 1974年和1982年在歐洲召開的二次國際觸探學術會議，對動力觸探測試方法的統(tǒng)一起了推動作用。會議建議按使用穿心錘的重量（或錘擊能量）的不同，將動力觸探分為：輕型（10kg）、中型（1040kg）、重型（4060kg）及超重型（60kg）。 2我國分類 我國土工試驗規(guī)程（SD12886）將動力觸探分為輕型、重型、超重型三種。其規(guī)格及適用土類見表41。,表41 圓錐動力觸探的類型及規(guī)格,五、動力觸探試驗的目的,1試驗成果 （1）進行地基土的力學分層； （2）定性評價地基土的均勻性和物理性質（狀態(tài)、密實度等）； （3）查明土洞、滑動面、軟硬土層界面的位置。 2成果應用 （1）評定地基土的強度和變形參數(shù)； （2）評定天然地基的承載力； （3）估算單樁承載力。,第二節(jié) 試驗原理,二、原理表述,一、公式推導,（1）動力觸探試驗的理想自由落錘能量計算 M落錘的質量（kg）； v錘自由下落碰撞探桿前的速度（m/s）。 （2）能量損失修正 實際的錘擊能量與理想的落錘能量不同，受落錘方式、導桿摩擦、錘擊偏心、打頭材質、形狀、大小、桿件傳輸能量效率等因素的影響，要損失一部分能量，應進行修正：,第二節(jié) 試驗的基本原理,一、公式推導,Epe1 e2 e3EM 或直接采用勢能定義：EpHMg（H表示落距） 或近似為 Ep0.6EM Ep平均每擊傳遞給圓錐探頭的能量； e1落錘效率系數(shù)，對自由落錘，e10.92； e2能量輸入探桿系統(tǒng)的傳輸效率系數(shù)，對于國內通用的大鋼探頭，e20.65 e3桿長傳輸能量的效率系數(shù)，隨桿長的增大而增大，桿長大于3m時，e31。,圖4-1 動力觸探功能轉換原理示意圖,（3）探頭貫入土中所作的功 h貫入度； N貫入度為h的錘擊數(shù)。（因此，h/N表示錘擊一次的貫入度） Rd探頭單位面積的動貫入阻力（J/cm2）； A探頭的截面積（cm2）。,（4）能量轉換與守恒 根據(jù)能量轉換與守恒定律，落錘的勢能錘擊動能探頭做功，因此，能量平衡：（見圖41）,（h/Ns，表示平均每擊的貫入度）,或,二、原理表述,當規(guī)定一定的貫入深度h，采用一定規(guī)格（規(guī)定的探頭截面、圓錐角、重量）的落錘和規(guī)定的落距，那么錘擊數(shù)N的大小就直接反映了動貫入阻力Rd的大小，即直接反映被貫入土層的密實程度和力學性質。因此，實踐中常采用貫入土層一定深度的錘擊數(shù)作為圓錐動力觸探的試驗指標。,第三節(jié) 儀器設備、試驗方法 及技術要求,一、儀器設備 二、試驗方法 三、技術要求,一、儀器設備,1輕型動力觸探 包括導向桿、穿心錘、錘墊、探桿和圓錐探頭五部分，見圖4-2。重錘的提升有人力和機械兩種。,第三節(jié) 試驗技術要求,2重型動力觸探 重型、超重型設備與輕型設備相似，只是在尺寸和重量上有差別。另外，重型動探試驗一般都采用自動落錘方式，在錘上增加了提引器。提引器可分為內掛式和外掛式兩種。 （1）內掛式提引器：利用導桿的頸縮，使提引器內的活動裝置（鋼珠、偏心輪或掛鉤）發(fā)生變位，完成掛錘、脫鉤及自由落錘的過程。 （2）外掛式提引器：利用上提力完成掛錘，靠導桿頂端所設彈簧錐或凸塊強制掛鉤張開，使重錘自由落下。,二、試驗方法 （1）將穿心錘穿入帶鋼砧與錘墊的觸探桿上； （2）將探頭及探桿垂直地面放于測試地點； （3）提升穿心錘至預定高度，使其自由下落撞擊錘墊，將探頭打入土中； （4）記錄每貫入30cm（或10cm）的錘擊數(shù)； （5）重復上述步驟，直至預定試驗深度。,三、技術要求,1為確保恒定的錘擊能量，應采用固定落距的自動落錘裝置。 2錘擊時應保持探桿的垂直，錘擊過程應防止錘擊偏心、探桿歪斜和探桿側向晃動。 因此，要求探桿連接后的最初5m最大偏斜度不應超過1，大于5m后的最大偏斜度不應超過2。每貫入1m，應將探桿轉一圈半，使觸探能保持垂直貫入，并減少探桿的側阻力。貫入深度超過10m后，每貫入0.2m即旋轉一次。,3每一觸探孔應連續(xù)貫入，只是在接探桿時才允許停頓。 4對輕、重型圓錐動力觸探N10、N63.5正常范圍是350擊，對超重型N120的正常范圍是340擊。 當擊數(shù)超過正常范圍，如遇軟粘土層，可記錄每擊的貫入度；如遇硬土層，可記錄一定擊數(shù)下的貫入度。 5當N1050即可停止試驗；當N63.550，可停止試驗改用超重型試驗。 6我國一般采用貫入錘擊速率為1530擊/min。,7貫入深度的一般限制： 對輕型，一般應4m，主要用于測試并提供淺基礎的地基承載力參數(shù)；檢驗建筑物地基的夯實程度；檢驗建筑物機槽開挖后，基底以下是否存在軟弱下臥層等。 重型1215m，超重型20m，超過此深度應考慮側壁摩阻力的影響。主要用于查明地層在垂直方向和水平方向上的均勻程度。,第四節(jié) 影響成果的主要因素,二、桿側摩擦的影響,一、桿長的影響,三、上覆壓力的影響,一、桿長修正,第四節(jié) 試驗影響因素分析,對桿長的影響，我國各個領域的規(guī)范或規(guī)程不盡相同。 （1）巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001），對動力觸探試驗指標均不進行桿長修正。 （2）鐵道部行業(yè)標準鐵路工程地質原位測試規(guī)程（TB10041-2003），規(guī)定需進行桿長修正。 因此，在進行成果整理時，應根據(jù)巖土參數(shù)與動力觸探指標之間的經(jīng)驗關系式時的具體條件，決定是否對試驗指標進行桿長修正。,采用牛頓碰撞理論，建立桿長修正公式： N=N 可以對重型、超重型動力觸探結果進行修正。 N經(jīng)修正后的圓錐動力觸探錘擊數(shù)； N實測的圓錐動力觸探錘擊數(shù)。 表4-2，4-3分別給出了重型、超重型動力觸探試驗結果的桿長修正系數(shù)。,表4-2 N63.5的桿長修正系數(shù),表4-3 N120的桿長修正系數(shù),二、桿側摩擦的影響,（1）中密-密實砂土，尤其在地下水位以上，由于探頭直徑比探桿直徑大，可不考慮側壁摩擦； （2）軟粘土和有機土，側壁摩擦對擊數(shù)有重要影響。 （3）在一般土層條件下，重型觸探在深度15m范圍內，超重型觸探在20m深度范圍內，可不考慮側壁摩阻的影響。在此深度之外，可采用泥漿或加套管以消除側壁摩阻的影響。,三、上覆壓力的影響,隨著貫入深度的增加，土的有效上覆壓力和側壓力都會增加。實驗也表明，上覆壓力對觸探貫入阻力的影響也是顯著的。 但對于一定相對密實度的砂土，上覆壓力對圓錐動力觸探試驗結果存在一個“臨界深度”，即錘擊數(shù)在此深度范圍內隨著灌入深度的增加而增大，超過此深度后，錘擊數(shù)趨于穩(wěn)定，并且臨界深度隨著相對密度和探頭直徑的增加而增大。,對于一定密度組成的砂土，動力觸探擊數(shù)N與相對密度Dr和有效上覆壓力v存在著一定的相關關系，即： N/Dr2 = a + bv 式中，a，b為經(jīng)驗系數(shù)，隨砂土的粒度組成變化。 或者采用標貫試驗深度影響修正公式： N63.5=CN N63.5 CN=1-1.25lgv CN修正系數(shù)； N63.5修正后的擊數(shù)； N63.5實測的擊數(shù)； v實測N63.5處土的有效上覆壓力。,第五節(jié) 試驗資料整理與成果應用,二、成果的工程應用 1. 評定地基土的狀態(tài)或密實程度 2. 確定地基土的承載力 3. 估算地基的變形模量E0 4. 預估單樁承載力,一、試驗資料的整理與分析 1. 繪制動力觸探曲線 2. 劃分土層界限 3. 計算各層的擊數(shù)平均值,一、試驗資料的整理與分析,第五節(jié) 試驗資料整理,1繪制動力觸探Nh或Nh曲線圖 繪制錘擊數(shù)沿深度的變化曲線，不論是實測的N還是修正的N，處理方法都相同。 以錘擊數(shù)為橫坐標，貫入深度為縱坐標。對輕型動力觸探按每貫入30cm的擊數(shù)繪制N10h曲線，重型動力觸探每貫入10cm的擊數(shù)繪制N63.5h曲線或N63.5h曲線。,2劃分土層界限 劃分力學分層的原則：考慮動貫入阻力在土層變化附近的“超前反應”。 超前反應指的是當探頭從軟層進入硬層或從硬層進入軟層之前，動貫入阻力就已感知土層的變化，提前變大或變小，反應的范圍約為探頭直徑的23倍。 實際中可以這樣處理：當擊數(shù)由小變大（軟層進入硬層）時，分層界限可選在軟層最后一個小值點以下23倍探頭直徑處；當擊數(shù)由大變?。ㄓ矊舆M入軟層）時，分層界限可選在軟層第一個小值點以上23倍探頭直徑處。,3計算各層的擊數(shù)平均值 按單孔統(tǒng)計各層貫入指標平均值及變異系數(shù)，用厚度加權平均法計算。統(tǒng)計時，應剔除個別異常點，且不包括“超前”和“滯后”范圍的測試點。,二、成果的工程應用,1評定地基土的狀態(tài)或密實程度 根據(jù)我國建筑地基基礎設計規(guī)范（GBJ50007-2002），可采用重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N63.5評定碎石土的密實度，見表4-4。,注：（1）本表適用于平均粒徑小于50且最大粒徑不超過100mm的卵石、碎石、圓礫、角礫。 （2）表內N63.5為修正后的平均值。,表4-4 碎石土的密實度,2確定地基土的承載力 利用動力觸探的試驗成果評價地基的承載力和變形模量，主要是依靠當?shù)氐慕?jīng)驗積累，以及在經(jīng)驗基礎上建立的統(tǒng)計關系是。 我國原來的建筑地基基礎設計規(guī)范（GBJ789）曾以附表的形式給出采用動力觸探錘擊數(shù)估算地基土承載力基本值的有關成果，但在新規(guī)范中（GBJ500072002）中刪去了，主要原因是用一個經(jīng)驗關系式很難概括不同地區(qū)的經(jīng)驗和成果。,（1）用N10估計粘性土和素填土的承載力標準值，見表4-5。 （2）用N63.5估計中、粗、礫砂及碎石土的承載力標準值，見表4-6。 （3）用N120估計碎石土的承載力標準值，見表4-7。（原水利電力部試驗規(guī)程）,表4-5 N10估計粘性土和素填土的承載力標準值,表4-6 N63.5估計中、粗、礫砂及碎石土的承載力標準值,表4-7 N120估計碎石土的承載力標準值,3估算圓礫、卵石土地基的變形模量E0 鐵道部第二設計院基于在四川、東北、廣西、甘肅等地的試驗資料得N63.5和E0的關系，見表4-7。,4預估單樁承載力和確定樁基持力層的位置 動力觸探試驗與打樁過程極其相似，因而用于樁基勘察時，對打入式的端承樁效果較為顯著，可用于確定樁基持力層的位置和單樁承載力。 （1）確定樁基持力層的位置 利用Nh曲線，結合鉆孔資料，可以較準確地編制出勘察場地的工程地質剖面，據(jù)此選擇樁基持力層，確定在勘察范圍內各部位的樁長。 持力層位置的確定，各地區(qū)都有自己的經(jīng)驗值。如成都地區(qū)，對300mm*300mm方樁，N63.5應大于1520擊/10cm，此卵石層的厚度不應小于2.01.5m。,（2）單樁承載力的確定 主要用于確定樁端承力為主的短樁（因為動探測試無法實測地基土的極限側壁摩阻力）。由樁的靜載荷試驗確定承載力標準值與樁尖平面處的動力觸探指標進行統(tǒng)計分析，提出單樁承載